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摘要:洞桩法具有结构受力条件好、工序倒换次数少、周围环境影响小、地面沉降相对小、断面利用率高、圬工废弃量小等优点[1-2]。所以洞桩法一直是设计者和施工者探索的重要命题。本文以北京地铁7号线双井站八导洞开挖为工程背景，利用大型有限元软件ansys建立模型，并结合现场实际监测数据进行对比，经过对比发现采用先开挖上导洞方案优于采用先开挖下导洞方案，结合实际现场经验提出采用用先开挖上导洞方案能有效控制地表沉降，同时通过分析发现监测点在导洞正上方时沉降要快，而且离导洞越远沉降越快.
关键词:洞桩法；有限元；地表沉降
中图分类号: P642 文献标识码: 文章编号:
The station pilot tunnel excavation technology research and optimization
HUO Run-ke1.2,HUANG Jia1
(1 College of Civil Engineering,XI²an University of Architecture &Technology,XI²an 710055;2 Key Laboratory of Structural Engineering and Earthquake Resistance of Ministry of Education,XI²an,710055)
Abstract:Hole pile method has fewer circle of process,good structure stress condition, and small environment impact, small ground subsidence , high section utilization ratio, small masonry abandoned[1-2]. So the hole pile method is an important proposition of designers and builders to explore. Based on eight pilot tunnel excavation of shuangjing station of Beijing metro line 7 as engineering background, using the large finite element software ansys to establish model, in considering with the actual monitoring data, through the contrast we found that the scheme that excavating the above pilot tunnel firstly is better than scheme that excavating the below pilot tunnel firstly, combining with the actual field experience, the scheme that excavating the above pilot tunnel firstly in this paper can effectively control the surface subsidence, through the analysis, we found that monitoring point which above the pilot tunnel would subside faster, the faster the further away from the pilot tunnel
Key words:PBA;finite element;Surface subsidence
1 工程概況
1.1 工程背景
本工程为北京地铁七号线双井车站紧邻北京市CBD核心区。车站位于广渠门外大街、广渠路与东三环中路交叉口东侧，与既有10号线双井站T型换乘，10号线线路为南北走向、7号线线路沿广渠路东西走向，站位周边规划已经基本形成，多以高层建筑为主[1]。双井站采用地下两层双柱三跨的形式，采用暗挖法施工。车站主体长度237.6米，标准段宽23.1米，总高16.15米，结构底板埋深约31m，顶板覆土厚约13.99m。
1.2 导洞概况
双井站八导洞截面长4m，高5m，上下间距7.75m，左右间距4m，上排导洞距离地面14.18m。
导洞具体情况如下：
图1 导洞示意图
2数值计算
2.1模拟假设
根据圣维南原理，模型采用三倍开挖宽度范围，模型采用长120m，宽60m,高60m，结构钢支撑和初衬采用等效方法等效成混凝土。由于实际工程情况远复杂于模拟情况，因此采用部分假定：
将岩土体视为连续、均匀、各向同性介质，采用Drucker-Prager屈服准则；
仅考虑围岩自重应力场，不考虑构造应力的影响；
不考虑地下水位影响和渗流影响；
2.2 模拟工法设计
根据双井车站主体小导洞的实际情况，研究对比分析先开挖上导洞跳跃错挖法（方案一）、先开挖下导洞跳跃错挖法（方案二）的不同开挖顺序的影响。具体工序为：
方案一：先施工1号洞6m后及时支护，接着施工3号洞6m后及时支护，接着施工4号洞最后施工2号洞，各导洞掌子面纵向间距6m，首排导洞全部施工完成后，先施工5号洞6m后及时支护，接着施工7号洞6m后及时支护，接着施工8号洞最后施工6号洞，各导洞掌子面纵向间距6m。导洞施工使用上下台阶循环施工，相互错阶施工3米。导洞施工流程为①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥。
方案二：导洞的开挖进尺和开挖方式同方案一，导洞开挖顺序为⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②。
由于小导洞上方覆土厚度约为14.3m,为了最大限度减小边界约束条件对计算结果的影响，数值模拟分析采用Z=-30m处目标面经行分析。
2.3 参数选取
根据实际勘察报告[3]，结合«铁路隧道设计规范»和«隧道工程岩体分级»[4-6]将土层分为五层围岩，围岩和支护的参数如下表：
表1 模型参数
2.4模拟结果分析
由于整个模型较大，考虑到各方案导洞开挖工序较多，为了清晰地显示不同导洞开挖对地表沉降和地下管线沉降的影响，本章采用了四个关键施工点进行分析：（1）导洞1（导洞5）开挖至模型中部25m；（2）上导洞（下导洞）完全贯通；（3）导洞5（导洞1）开挖至模型中部25m；（4）导洞全部贯通。选取其中差别较大的模拟结果如下：
方案一方案二
图2 上排导洞开挖至中部
方案一 方案二
图3 下排导洞开挖至中部
2.4.1 横向地表沉降分析
从图2、图3可以看出，两种方案模拟出的地表最大沉降都不在模型中线上，首排导洞开挖至中部时，方案一的最大沉降为2.89mm，出现在距离模型中线-5.8m处，方案二的最大沉降为2.7mm，发生在距离模型中线-4m处。首排导洞贯通时，方案一和方案二最大沉降点基本回归中线，最大沉降都发生在距离模型中线0.7m的位置，方案一最大沉降为9.96mm，方案二最大沉降为8.27mm。次排导洞开挖至中部，地表最大沉降点又发生了偏移，方案一最大沉降为12.7mm，距离模型中线-0.7m，方案二最大沉降为11.05mm，距离模型中线-1.78mm。次排導洞贯通时，导洞开挖完成后地表最大沉降点回归模型中线，方案一最大沉降18.25mm，方案二最大沉降为18.45mm。
从图4可以看出，采用不同的导洞开挖顺序地表沉降的变化规律不同，每一个开挖工序引起的地表最大沉降点出现的位置也不同。这与导洞的开挖先后顺序和导洞离地表距离有关。采用方案一先开挖1号导洞引起的地表最大偏移为-5.8m，采用方案二先开挖5号导洞引起的地表最大偏移为-4m，说明上导洞开挖对地表土层的影响程度要大于下导洞开挖。对比沉降槽曲线图，发现方案一的地表沉降槽宽度i要小于方案二，但是两种方案沉降槽宽度随着开挖步序的进行差别逐渐缩小。这说明采用方案一施工对土层的扰动范围小，有利于对地表沉降范围的控制。通过提取各施工阶段数据制作如表2。
表2 各施工阶段地表沉降统计表
从表2可以看出，首排导洞开挖占最终地表沉降的百分比，方案一为54.5%，方案二为44.8%。说明采用方案一施工时前期沉降大、后期沉降小，方案二施工时前期沉降小、后期沉降大。
2.4.2 纵向地表沉降分析
A首排导洞开挖至中部 B 次排导洞开挖至中部
图5纵向沉降图
从图5（A）可知在首排导洞开挖至中部时，方案一开挖对掌子面后部的影响范围为18m，方案二对掌子面后部的影响范围为20m。说明方案二的群洞效应在纵向上的影响范围要大于方案一。同时在首排导洞开挖至中部时，方案一在纵向上的地表沉降速率比方案二要快，主要因为上导洞的埋置深度要小于小导洞，先开挖上导洞对土层的纵向扰动要大于方案二。
从图5（B）可知次排导洞开挖至中部时，方案一和方案二对掌子面后部的影响范围分别为10m和13m，从图中纵向曲线可以看出，在开挖次排导洞时，两种方案纵向地表沉降的速率都要小于首排导洞的开挖（如图5(B)），这是因为首排导洞开挖贯通后，导洞开挖对地层的扰动已经稳定，在开挖次排导洞时，导洞开挖对地层的扰动程度要小于首排导洞开挖。
4 小结
(1)不同导洞开挖顺序引起地表沉降变化规律不同，这与导洞开挖顺序和导洞距地表距离有关，方案一最大地表沉降稍大于方案二，但土层扰动范围要小于方案二，这有利于对地表沉降的控制，所以采用方案一进行施工比较好。
⑵方案一在开挖时前期沉降较大，后期沉降小，当方案二前期沉降小，后期沉降较大，对于PBA工法来说方案一比较适合此工程的开挖。
⑶由两种方案的纵向地表沉降对比分析可以得出：方案一对掌子面后部的影响范围为10m-18m，方案二对掌子面后部的影响范围为13m-20m，方案一在纵向上对土层的扰动要小于方案二。
参考文献
[1] 常瑞杰.地铁车站施工工法的优化选择[J].都市快轨交通，2010，,23(2):83-87
[2] 王树才，黄治平，安玉波.北京地铁十号线呼家楼车站主体施工方案必选[J]，铁道建筑，2006，(3):44-46
[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司 北京地铁七号线工程施工图[R] 陕西；2010
[4] 中铁第一勘察设计院集团有限公司 北京地铁七号线勘察报告[R] 陕西；2010
[5] TB10003-2005.铁路隧道设计规范[s]。北京：中国铁道出版社.2005
[6] 王石春.隧道工程岩体分级[M].成都：西南交通大学出版社.2007
[7] TB10121-2007.铁路隧道监控量测技术规程[S].北京：中国铁道出版社.2007
[8] 朝阳门站暗挖施工群洞效应及其对周围环境影响分析与对策[R].北京：北京交通大学，2010.
作者简介:霍润科(1963—),男,陕西岐山人,教授,博导,博士,主要从事隧道及岩土工程方面的研究.
黄佳(1986—),男,湖北汉川人,研究生,主要从事地下工程模拟方面的研究.
关键词:洞桩法；有限元；地表沉降
中图分类号: P642 文献标识码: 文章编号:
The station pilot tunnel excavation technology research and optimization
HUO Run-ke1.2,HUANG Jia1
(1 College of Civil Engineering,XI²an University of Architecture &Technology,XI²an 710055;2 Key Laboratory of Structural Engineering and Earthquake Resistance of Ministry of Education,XI²an,710055)
Abstract:Hole pile method has fewer circle of process,good structure stress condition, and small environment impact, small ground subsidence , high section utilization ratio, small masonry abandoned[1-2]. So the hole pile method is an important proposition of designers and builders to explore. Based on eight pilot tunnel excavation of shuangjing station of Beijing metro line 7 as engineering background, using the large finite element software ansys to establish model, in considering with the actual monitoring data, through the contrast we found that the scheme that excavating the above pilot tunnel firstly is better than scheme that excavating the below pilot tunnel firstly, combining with the actual field experience, the scheme that excavating the above pilot tunnel firstly in this paper can effectively control the surface subsidence, through the analysis, we found that monitoring point which above the pilot tunnel would subside faster, the faster the further away from the pilot tunnel
Key words:PBA;finite element;Surface subsidence
1 工程概況
1.1 工程背景
本工程为北京地铁七号线双井车站紧邻北京市CBD核心区。车站位于广渠门外大街、广渠路与东三环中路交叉口东侧，与既有10号线双井站T型换乘，10号线线路为南北走向、7号线线路沿广渠路东西走向，站位周边规划已经基本形成，多以高层建筑为主[1]。双井站采用地下两层双柱三跨的形式，采用暗挖法施工。车站主体长度237.6米，标准段宽23.1米，总高16.15米，结构底板埋深约31m，顶板覆土厚约13.99m。
1.2 导洞概况
双井站八导洞截面长4m，高5m，上下间距7.75m，左右间距4m，上排导洞距离地面14.18m。
导洞具体情况如下：
图1 导洞示意图
2数值计算
2.1模拟假设
根据圣维南原理，模型采用三倍开挖宽度范围，模型采用长120m，宽60m,高60m，结构钢支撑和初衬采用等效方法等效成混凝土。由于实际工程情况远复杂于模拟情况，因此采用部分假定：
将岩土体视为连续、均匀、各向同性介质，采用Drucker-Prager屈服准则；
仅考虑围岩自重应力场，不考虑构造应力的影响；
不考虑地下水位影响和渗流影响；
2.2 模拟工法设计
根据双井车站主体小导洞的实际情况，研究对比分析先开挖上导洞跳跃错挖法（方案一）、先开挖下导洞跳跃错挖法（方案二）的不同开挖顺序的影响。具体工序为：
方案一：先施工1号洞6m后及时支护，接着施工3号洞6m后及时支护，接着施工4号洞最后施工2号洞，各导洞掌子面纵向间距6m，首排导洞全部施工完成后，先施工5号洞6m后及时支护，接着施工7号洞6m后及时支护，接着施工8号洞最后施工6号洞，各导洞掌子面纵向间距6m。导洞施工使用上下台阶循环施工，相互错阶施工3米。导洞施工流程为①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥。
方案二：导洞的开挖进尺和开挖方式同方案一，导洞开挖顺序为⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②。
由于小导洞上方覆土厚度约为14.3m,为了最大限度减小边界约束条件对计算结果的影响，数值模拟分析采用Z=-30m处目标面经行分析。
2.3 参数选取
根据实际勘察报告[3]，结合«铁路隧道设计规范»和«隧道工程岩体分级»[4-6]将土层分为五层围岩，围岩和支护的参数如下表：
表1 模型参数
2.4模拟结果分析
由于整个模型较大，考虑到各方案导洞开挖工序较多，为了清晰地显示不同导洞开挖对地表沉降和地下管线沉降的影响，本章采用了四个关键施工点进行分析：（1）导洞1（导洞5）开挖至模型中部25m；（2）上导洞（下导洞）完全贯通；（3）导洞5（导洞1）开挖至模型中部25m；（4）导洞全部贯通。选取其中差别较大的模拟结果如下：
方案一方案二
图2 上排导洞开挖至中部
方案一 方案二
图3 下排导洞开挖至中部
2.4.1 横向地表沉降分析
从图2、图3可以看出，两种方案模拟出的地表最大沉降都不在模型中线上，首排导洞开挖至中部时，方案一的最大沉降为2.89mm，出现在距离模型中线-5.8m处，方案二的最大沉降为2.7mm，发生在距离模型中线-4m处。首排导洞贯通时，方案一和方案二最大沉降点基本回归中线，最大沉降都发生在距离模型中线0.7m的位置，方案一最大沉降为9.96mm，方案二最大沉降为8.27mm。次排导洞开挖至中部，地表最大沉降点又发生了偏移，方案一最大沉降为12.7mm，距离模型中线-0.7m，方案二最大沉降为11.05mm，距离模型中线-1.78mm。次排導洞贯通时，导洞开挖完成后地表最大沉降点回归模型中线，方案一最大沉降18.25mm，方案二最大沉降为18.45mm。
从图4可以看出，采用不同的导洞开挖顺序地表沉降的变化规律不同，每一个开挖工序引起的地表最大沉降点出现的位置也不同。这与导洞的开挖先后顺序和导洞离地表距离有关。采用方案一先开挖1号导洞引起的地表最大偏移为-5.8m，采用方案二先开挖5号导洞引起的地表最大偏移为-4m，说明上导洞开挖对地表土层的影响程度要大于下导洞开挖。对比沉降槽曲线图，发现方案一的地表沉降槽宽度i要小于方案二，但是两种方案沉降槽宽度随着开挖步序的进行差别逐渐缩小。这说明采用方案一施工对土层的扰动范围小，有利于对地表沉降范围的控制。通过提取各施工阶段数据制作如表2。
表2 各施工阶段地表沉降统计表
从表2可以看出，首排导洞开挖占最终地表沉降的百分比，方案一为54.5%，方案二为44.8%。说明采用方案一施工时前期沉降大、后期沉降小，方案二施工时前期沉降小、后期沉降大。
2.4.2 纵向地表沉降分析
A首排导洞开挖至中部 B 次排导洞开挖至中部
图5纵向沉降图
从图5（A）可知在首排导洞开挖至中部时，方案一开挖对掌子面后部的影响范围为18m，方案二对掌子面后部的影响范围为20m。说明方案二的群洞效应在纵向上的影响范围要大于方案一。同时在首排导洞开挖至中部时，方案一在纵向上的地表沉降速率比方案二要快，主要因为上导洞的埋置深度要小于小导洞，先开挖上导洞对土层的纵向扰动要大于方案二。
从图5（B）可知次排导洞开挖至中部时，方案一和方案二对掌子面后部的影响范围分别为10m和13m，从图中纵向曲线可以看出，在开挖次排导洞时，两种方案纵向地表沉降的速率都要小于首排导洞的开挖（如图5(B)），这是因为首排导洞开挖贯通后，导洞开挖对地层的扰动已经稳定，在开挖次排导洞时，导洞开挖对地层的扰动程度要小于首排导洞开挖。
4 小结
(1)不同导洞开挖顺序引起地表沉降变化规律不同，这与导洞开挖顺序和导洞距地表距离有关，方案一最大地表沉降稍大于方案二，但土层扰动范围要小于方案二，这有利于对地表沉降的控制，所以采用方案一进行施工比较好。
⑵方案一在开挖时前期沉降较大，后期沉降小，当方案二前期沉降小，后期沉降较大，对于PBA工法来说方案一比较适合此工程的开挖。
⑶由两种方案的纵向地表沉降对比分析可以得出：方案一对掌子面后部的影响范围为10m-18m，方案二对掌子面后部的影响范围为13m-20m，方案一在纵向上对土层的扰动要小于方案二。
参考文献
[1] 常瑞杰.地铁车站施工工法的优化选择[J].都市快轨交通，2010，,23(2):83-87
[2] 王树才，黄治平，安玉波.北京地铁十号线呼家楼车站主体施工方案必选[J]，铁道建筑，2006，(3):44-46
[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司 北京地铁七号线工程施工图[R] 陕西；2010
[4] 中铁第一勘察设计院集团有限公司 北京地铁七号线勘察报告[R] 陕西；2010
[5] TB10003-2005.铁路隧道设计规范[s]。北京：中国铁道出版社.2005
[6] 王石春.隧道工程岩体分级[M].成都：西南交通大学出版社.2007
[7] TB10121-2007.铁路隧道监控量测技术规程[S].北京：中国铁道出版社.2007
[8] 朝阳门站暗挖施工群洞效应及其对周围环境影响分析与对策[R].北京：北京交通大学，2010.
作者简介:霍润科(1963—),男,陕西岐山人,教授,博导,博士,主要从事隧道及岩土工程方面的研究.
黄佳(1986—),男,湖北汉川人,研究生,主要从事地下工程模拟方面的研究.