PBA工法施工对地表沉降影响的研究-以北京地铁车站为例
发布时间：2014-09-17 08:39
【摘要】 随着地铁的大量兴建，地铁车站的施工条件日益复杂。对于地面交通繁忙而地下管线错综复杂的地质条件，PBA（洞桩法）工法施工往往成了地铁修建的首选方案。当然PBA（洞桩法）也会对地面产生不可避免的扰动，研究PBA工法施工对地表沉降影响，对结构自身的安全以及周边既有结构设施的安全都具有重要意义。本文以北京地铁工程建设实例为背景,运用有限元计算软件（MIDAS-GTS）对PBA工法施工步骤进行数值模拟分析。并且将数值模拟结果与实际监测数据进行对比，验证了数值模拟的正确性。同时对地表最终沉降进行预测，分析PBA工法全过程对地表的沉降影响。并且分析了导洞开挖的不同方案对地表沉降的影响。主要研究内容如下：1.以实际工程为背景，通过MIDAS-GTS建立三维地层结构模型，模拟实际开挖工况，并将数值模拟结果与实际监测结果进行比较，从而验证数值模拟的结果的可靠性。2.在实际监测数据与数值模拟结果基本一致的情况下，对地表的最终沉降值进行预测。同时对车站主体PBA工法施工的每一个施工工序对地表沉降的影响，以及结构自身的影响。总结出PBA工法对地表沉降的影响规律。3.根据实际监测数据，在数值模拟与实际监测结果基本一致的情况下，讨论导洞开挖不同顺序对结构自身以及地表沉降的不同影响，进行差异比较，选出较优方案，给实际施工提供参考依据。
【关键词】 北京地铁； 施工方法； PBA工法； 数值模拟； MIDAS-GTS； 地下工程支护理论；
第 1 章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1选题背景
二十世纪七十年代以来，随着社会的不断发展，人口的流动量增大，尤其城市人口不断增加给交通增加了前所未有的压力。人们逐渐认识到发展城市地铁交通系统可以很大的缓解城市交通压力。地铁交通系统具有运量大、速度快、时间间隔短、节约地上空间和环境污染小等优点从而得到了快速发展。1965 年，我国在北京修建第一条地铁。1976 年，天津地铁首段开通。但随后 20年的时间，中国地铁一直处于停滞期。一直到 1995 年上海才开通了地铁。随之西安、重庆、沈阳、长春、深圳、广州、南京等城市逐渐开始进行地铁的修建，目前全国 28座城市都进行了地铁的修建。中国地铁截止到 2006 年全国运行的地铁总共只有 10 条线路，而到 2010 年就增到了 48 条，2015 年预计运行的地铁线将 96 条，到 2050 年，这一数字将可能变成 289 条。由此可见中国地铁建设已经进入快速发展的时期。
随着地铁的大量兴建，地铁建造的环境条件也日益复杂，为了满足工程的需要，地铁车站的施工工法也不断创新发展。目前地铁常用的施工工法有明挖法、盖挖法、暗挖法、浅埋暗挖法、盾构法、洞桩法以及明、暗挖结合法。洞桩法作为一种新兴的工法适用于现在地面交通繁忙而地下管线错综复杂的地质条件，同时洞桩法施工对地面扰动小，特别适用于对地表沉降要求高的条件。因此，PBA洞桩法在众多的暗挖工法中以其特殊的优势为人们所关注(高成雷，罗书学，朱永全．2002)。
1.1.2 选题意义
我国大中城市的交通状况日趋紧张。到目前为止，各大城的车均道路面积以每年10%~15%的速度下降。地面大量机动车不仅对城市的空气造成污染，同时也产生噪声污染，对城市居民的身心健康也产生很大的影响。因此城市地下轨道交通的发展迫在眉睫。城市地下轨道交通不仅能够缓解地面交通压力，给城市居民生活带来便利，同时也充分利用地下空间，节约土地资源。尤其对于城市中心商业密集、人口居住密度高的地方，城市地下轨道交通是其最好的选择。同时城市轨道交通的发展也可以带动周边商业、房地产行业的发展。在现在新建的地铁车站中不乏地铁车站与周边商业进行一体化开发，带动地铁周边经济的发展。但是值得注意的是：由于经济的高速发展，商业高楼不断耸立，地下商场不断涌出，以及地下分布的错综复杂的管线，这些都给地铁车站及区间的施工带来很大的困难。浅埋暗挖法中的 PBA 工法在复杂的地质环境下得到很好地应用，对控制地表沉降以及周边建筑影响都有显著的成效。但是PBA 工法始终是实践先于理论，目前对于 PBA 工法的理论尚不成熟，这对以后得施工和推广都造成一定的障碍。因此本文结合实际工程，运用有限元软件 MIDAS-GTS 对PBA 工法施工全过程进行模拟，研究该工法的内在机理以及对地表的沉降影响。同时研究导洞不同开挖顺序对地表的沉降影响。希望能对以后类似工程实践起到一定的指导作用。（吕娉霏,2011）
............................
1．2 国内外研究现状
1.2.1 地下工程支护理论发展
地下工程支护理论的发展大致分为四个阶段：古典压力理论阶段、散体压力理论阶段、现代支护理论阶段以及数值理论阶段。（肖涛，2010）
第一阶段，古典压力理论阶段。
古典压力理论开始应用和发展主要是在二十世纪二十年代以前。这一阶段一般地下工程结构上覆土层厚度较小，该阶段理论认为作用在地下洞室结构上的竖向土压力 p等于结构正上方土体的重度 与结构上方距地面 H 的乘积。在水平土压力方面，不同学者对于侧压力系数的观点有所不同，海姆（A.Haim）认为土体的侧压力系数等于1。朗肯（W.J.M.Rankine）认为土层的侧压力系数是tan (45－φE/2) ，这是根据散体理论而来的。金尼克则依据弹性理论认为土层侧压力系数等于μ/1－μ ，其中 为土体的内摩擦角，μ 为泊松比。
第二阶段，散体压力理论阶段。
随着地下结构开挖的深度不断增加，地下结构覆土厚度不断增大，既有的古典压力理论已不适用，因此产生了散体压力理论。这类理论的适用条件是地下埋深较大的工程，该理论认为：地下支护结构上部作用的土压力力并不是土体的重度 与结构上方距地面 H 的乘积，而是在开挖洞室支护结构上方坍落拱内的松动岩土体的重量。代表理论有太沙基理论、普式理论、谢家烋公式和比尔鲍曼公式。他们都认为塌落拱的高度与围岩性质和地下结构的跨度有关。
（1）太沙基理论公式太沙基理论：
假设岩体为非连续的散粒体，但是岩体具备的一定的粘聚力。由于岩体中有一定的原生及次生各种结构面，并且加上洞室开挖，所以围岩不可能是连续体，如图 1-1所示。
式中：
λ ——水平土压力与垂直土压力之比，计算中取 1；
Φ ——内摩擦角；
H——隧道埋深；
a1——土柱宽度的一半。
（2）普氏理论公式
普氏理论建立在自然平衡拱的基础上，作了以下假设：
1、岩体由于节理的切割，经开挖以后形成松散岩体，但仍具有一定的粘聚力；
2、洞室开挖完成以后，洞室上方的岩体将形成一个自然平衡拱。在开挖洞室的侧壁处，沿侧壁产生两个侧壁夹角为45－φ/2的方向滑动面，其计算简图如图 1-2所示。
，b为平衡拱的高度，1a 为平衡拱跨度的一半，a为洞室的半个跨度，h为洞室净高，φ0（ φ0 =arctan f）为岩体近似内摩擦角，f为岩石坚固系数。
（3）谢家烋公式
θ是顶板土柱两侧摩擦角， γ为围岩重度， φ为土体的内摩擦角， β是形成最大推力时的破裂角。该公式考虑了洞室上方两侧土体的挟制作用。
本文编号：9029
【关键词】 北京地铁； 施工方法； PBA工法； 数值模拟； MIDAS-GTS； 地下工程支护理论；
第 1 章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1选题背景
二十世纪七十年代以来，随着社会的不断发展，人口的流动量增大，尤其城市人口不断增加给交通增加了前所未有的压力。人们逐渐认识到发展城市地铁交通系统可以很大的缓解城市交通压力。地铁交通系统具有运量大、速度快、时间间隔短、节约地上空间和环境污染小等优点从而得到了快速发展。1965 年，我国在北京修建第一条地铁。1976 年，天津地铁首段开通。但随后 20年的时间，中国地铁一直处于停滞期。一直到 1995 年上海才开通了地铁。随之西安、重庆、沈阳、长春、深圳、广州、南京等城市逐渐开始进行地铁的修建，目前全国 28座城市都进行了地铁的修建。中国地铁截止到 2006 年全国运行的地铁总共只有 10 条线路，而到 2010 年就增到了 48 条，2015 年预计运行的地铁线将 96 条，到 2050 年，这一数字将可能变成 289 条。由此可见中国地铁建设已经进入快速发展的时期。
随着地铁的大量兴建，地铁建造的环境条件也日益复杂，为了满足工程的需要，地铁车站的施工工法也不断创新发展。目前地铁常用的施工工法有明挖法、盖挖法、暗挖法、浅埋暗挖法、盾构法、洞桩法以及明、暗挖结合法。洞桩法作为一种新兴的工法适用于现在地面交通繁忙而地下管线错综复杂的地质条件，同时洞桩法施工对地面扰动小，特别适用于对地表沉降要求高的条件。因此，PBA洞桩法在众多的暗挖工法中以其特殊的优势为人们所关注(高成雷，罗书学，朱永全．2002)。
1.1.2 选题意义
我国大中城市的交通状况日趋紧张。到目前为止，各大城的车均道路面积以每年10%~15%的速度下降。地面大量机动车不仅对城市的空气造成污染，同时也产生噪声污染，对城市居民的身心健康也产生很大的影响。因此城市地下轨道交通的发展迫在眉睫。城市地下轨道交通不仅能够缓解地面交通压力，给城市居民生活带来便利，同时也充分利用地下空间，节约土地资源。尤其对于城市中心商业密集、人口居住密度高的地方，城市地下轨道交通是其最好的选择。同时城市轨道交通的发展也可以带动周边商业、房地产行业的发展。在现在新建的地铁车站中不乏地铁车站与周边商业进行一体化开发，带动地铁周边经济的发展。但是值得注意的是：由于经济的高速发展，商业高楼不断耸立，地下商场不断涌出，以及地下分布的错综复杂的管线，这些都给地铁车站及区间的施工带来很大的困难。浅埋暗挖法中的 PBA 工法在复杂的地质环境下得到很好地应用，对控制地表沉降以及周边建筑影响都有显著的成效。但是PBA 工法始终是实践先于理论，目前对于 PBA 工法的理论尚不成熟，这对以后得施工和推广都造成一定的障碍。因此本文结合实际工程，运用有限元软件 MIDAS-GTS 对PBA 工法施工全过程进行模拟，研究该工法的内在机理以及对地表的沉降影响。同时研究导洞不同开挖顺序对地表的沉降影响。希望能对以后类似工程实践起到一定的指导作用。（吕娉霏,2011）
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1．2 国内外研究现状
1.2.1 地下工程支护理论发展
地下工程支护理论的发展大致分为四个阶段：古典压力理论阶段、散体压力理论阶段、现代支护理论阶段以及数值理论阶段。（肖涛，2010）
第一阶段，古典压力理论阶段。
古典压力理论开始应用和发展主要是在二十世纪二十年代以前。这一阶段一般地下工程结构上覆土层厚度较小，该阶段理论认为作用在地下洞室结构上的竖向土压力 p等于结构正上方土体的重度 与结构上方距地面 H 的乘积。在水平土压力方面，不同学者对于侧压力系数的观点有所不同，海姆（A.Haim）认为土体的侧压力系数等于1。朗肯（W.J.M.Rankine）认为土层的侧压力系数是tan (45－φE/2) ，这是根据散体理论而来的。金尼克则依据弹性理论认为土层侧压力系数等于μ/1－μ ，其中 为土体的内摩擦角，μ 为泊松比。
第二阶段，散体压力理论阶段。
随着地下结构开挖的深度不断增加，地下结构覆土厚度不断增大，既有的古典压力理论已不适用，因此产生了散体压力理论。这类理论的适用条件是地下埋深较大的工程，该理论认为：地下支护结构上部作用的土压力力并不是土体的重度 与结构上方距地面 H 的乘积，而是在开挖洞室支护结构上方坍落拱内的松动岩土体的重量。代表理论有太沙基理论、普式理论、谢家烋公式和比尔鲍曼公式。他们都认为塌落拱的高度与围岩性质和地下结构的跨度有关。
（1）太沙基理论公式太沙基理论：
假设岩体为非连续的散粒体，但是岩体具备的一定的粘聚力。由于岩体中有一定的原生及次生各种结构面，并且加上洞室开挖，所以围岩不可能是连续体，如图 1-1所示。
式中：
λ ——水平土压力与垂直土压力之比，计算中取 1；
Φ ——内摩擦角；
H——隧道埋深；
a1——土柱宽度的一半。
（2）普氏理论公式
普氏理论建立在自然平衡拱的基础上，作了以下假设：
1、岩体由于节理的切割，经开挖以后形成松散岩体，但仍具有一定的粘聚力；
2、洞室开挖完成以后，洞室上方的岩体将形成一个自然平衡拱。在开挖洞室的侧壁处，沿侧壁产生两个侧壁夹角为45－φ/2的方向滑动面，其计算简图如图 1-2所示。
，b为平衡拱的高度，1a 为平衡拱跨度的一半，a为洞室的半个跨度，h为洞室净高，φ0（ φ0 =arctan f）为岩体近似内摩擦角，f为岩石坚固系数。（3）谢家烋公式
θ是顶板土柱两侧摩擦角， γ为围岩重度， φ为土体的内摩擦角， β是形成最大推力时的破裂角。该公式考虑了洞室上方两侧土体的挟制作用。
本文编号：9029
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