“洞桩法”与“洞柱法”开挖施工地铁站地表变形对比分析

“洞桩法”与“洞柱法”开挖施工地铁站地表变形对比分析

以北京地铁15号线学院路站为工程背景，对比分析“洞桩法”和“洞柱法”两种工法施工地铁站引起的位移，应用数值分析方法对“洞桩法”和“洞柱法”修建地铁站的施工过程进行数值模拟。经计算有限元模型，得出两种工法施工地铁站引起的地表沉降对比图。通过分析位移对比图，得出采用“洞桩法”施工地铁站在位移控制方面优于“洞柱法”的结论，从而深化对暗挖PBA工法施工地铁站地表沉降作用机理的认识，为相似的工程提供参考依据。

标签：洞桩法；洞柱法；位移对比；数值模拟；Peck曲线

1 概述

地铁施工根据施工对象可以分区间施工和车施工，相比而言，地铁车站结构体量大、结构体系复杂、工程环境多变等因素成为地铁工程施工中的难点。由于地铁大多建设于繁华城市，施工场地周边高楼林立，下方管线纵横，上方人车交织，地铁施工场地受到很大限制，因此对于在城市中心区的地铁车站工程，应首先考虑暗挖发施工。地铁暗挖施工方法中“洞桩法”与“洞柱法”的应用较为普遍。文章对采用“洞桩法”与“洞柱法”的地铁车站施工过程进行有限元数值模拟分析，得出两种工法施工地铁站引起的地表沉降对比图，并加以分析，从而深化对“洞桩法”与“洞柱法”地铁车站施工对地表影响作用机理的认识，为类似工程提供参考依据。

2 工程概况

北京地铁15号线学院路站位于清华东路与学清路交叉口，为地下双层暗挖车站，车站总长255.5m，标准段宽23.1m，有效站台宽度14m；学院路站共设2组风道及风亭、4个出入口及1个安全疏散口。工程总工期36个月。

地下50m范围内，地层层序自上而下依次为：人工填土层，新近沉积层，第四纪全新世冲洪积层，第四纪晚更新世冲洪积层。水文地质条件为：上层滞水（一），水位标高为43.08m；潜水（二），水位标高为38.68m；层间水（三），水位标高为35.32m；承压水（四），水头标高27.28m。

3 建立有限元模型

3.1 计算模型及材料力学参数

文章所建模型采用“平面应变”假设建立的二维有限元模型，模型上边界取至地表，为自由面，左右边界距离车站约为3倍车站宽度，为受约束面，模型底面距离车站底边约为2倍车站高度，为受约束面。模型长度为66.8m，模型高度为57.3m；模型左右边界面仅受水平向的位移约束，底边界面为竖向位移约束。为与实际工程情况相近。

有限元计算过程中，基本假定如下：（1）假定车站结构与各土层均为均质分布；（2）各地层和材料在数值模拟过程中，其应力应变均未超出弹塑性范围；（3）不考虑地铁车站施工过程中地下水位变化；模型中共采用5层土体，分别为：杂填土、粉质粘土1、粉质粘土2、粉细砂、细砂卵石，每层土体均采用平面应变单元；顶板、底板、侧墙与导洞衬砌均采用梁单元模拟。

3.2 车站主体施工步序

15号线学院路车站为双层三跨结构，根据平面应变假设建模二维模型，根据施工步序，模型的计算工况如表1所示。

4 计算结果及分析

4.1 地表沉降对比分析

地表沉降的大小直接体现了地铁车站施工对周围环境的影响程度，研究地表沉降是评价地铁车站开挖对周边环境影响的重要依据。为研究地表沉降，取模型上表面边作为研究对象。提取各节点沉降数据并绘制沉降槽，洞樁法与洞柱法地表沉降对比。

可以得出以下结论：（1）暗挖车站采用PBA工法施工时，地表沉降槽曲线光滑连续。对于暗挖施工的地铁车站，地表各部分土体之间的联系不受结构影响，上部土体由于地下土体的开挖产生不同程度应力释放，使得地表沉降槽曲线的分布规律为两端小、中间大。（2）“洞柱法”施工产生的地表沉降比“洞桩法”更大。“洞柱法”施工地铁站产生地表沉降的最大值为88.4mm，而“洞桩法”为68.3mm，“洞桩法”施工产生沉降约是“洞柱法”的77%。“洞桩法”在限制地表沉降方面更有优势。

4.2 数值计算结果与解析解对比分析

目前地铁工程中地表沉降预测方法主要是Peck曲线法。Peck在分析大量地表沉降观测数据的基础上，提出了地表沉降槽符合正态分布曲线的概念，认为地层变形由地层损失引起，施工引起的地面沉降是在不排水的条件下发生的，从而假定地表沉降槽体积等于地层损失体积。

根据对北京PBA工法车站施工监测数据的统计结果：地表沉降在二衬扣拱时已发生的沉降占到总沉降值的95%左右。因此可以认为在二衬扣拱完成后，地表沉降已经稳定不再发展，结构中心埋深应以二衬扣拱完成后的状态来确定。

根据设计与施工监测资料，“洞柱法”施工时地表最大沉降，沉降槽宽度；“洞桩法”施工时地表最大沉降，沉降槽宽度。数值模拟和根据Peck公式预测的地表沉降曲线对比后，可以得到一下结论：无论“洞桩法”和“洞柱法”，采用Peck曲线公式的预测值与数值分析所得的结论基本一致。

5 结束语

文章采用有限元数值模拟方法，对采用“洞桩法”与“洞柱法”开挖的地铁车站的施工过程进行数值模拟，对两种工法引起的地表沉降槽曲线进行了对比分析，最后使用常用的Peck公式对数值分析结果进行验证，得出如下结论：

（1）“洞桩法”与“洞柱法”引起地表沉降的沉降规律相同，在限制地表沉降方面，由于“洞桩法”开挖导洞数量较少，一定程度上减少了施工过程中对地层的扰动，最大地表沉降值小于“洞柱法”；（2）采用基于实测数据统计的Peck曲线方法对数值模拟结果进行验证，二者结构基本一致，可以相互验证两种方法的有效性。

参考文献

[1]张志勇.地铁车站PBA工法导洞近接施工影响与分析[J].现代隧道技术，2010.

[2]黄广锴.PBA工法在北京地铁10号线区间超大断面隧道施工中的应用[J].铁道标准设计，2008.

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[4]黄瑞金.地铁浅埋暗挖洞桩法车站扣拱施工技术[J].地下空间与工程学报，2007.