PBA工法、洞樁法的對比分析和改進措施

朱統步

摘 要：根據沈陽地鐵二號線崇山路站的設計及現場施工情況，將PBA工法與洞樁法混合施工的雙柱三跨式暗挖地鐵車站施工技術方案進行了簡單介紹，并對PBA法、洞樁法及兩者混合工法的技術方案進行了較為詳細的對比和分析，并根據該工程的實際施工經驗，提出了嶄新的改進性意見。

關鍵詞：PBA工法；洞樁法；混合工法；小導洞

中圖分類號：U455.4 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2016）05-0088-04

Abstract： In terms of the design and construction of the Chongshan Road Station of Shenyang Metro Line 2， the combination of PBA and cavern-pile method which was applied to the underground excavation of the two-column-three-span metro station was introduced. The analysis and comparison of PBA and cavern-pile method and the combination method were conducted， and suggestions on improvement were proposed based on experience from the project.

Key words： PBA method； cavern-pile method； combination method； small pilot hole

0 引 言

隨著城市軌道交通的蓬勃發展，目前大跨度車站的淺埋暗挖法施工已經得到廣泛應用， PBA工法（Pile Beam Arch，又稱為“洞、樁、墻”暗挖逆作法）、洞樁法及兩者的混合工法（下稱混合工法）得到了不斷的發展和完善[1-2]。PBA工法、洞樁法及混合工法與傳統的中隔墻法（CD）、交叉占隔墻法（CRD）、雙側壁導坑法等相比，減小了因施工工序引起的地表沉降量的疊加，受力明確，簡化了力的多次轉換過程[3]。其核心思想在于設法形成由小導洞的樁、梁、拱部初期支護及鋼管柱組成的整體支護體系，代替傳統的預支護和初期支護結構，以保證在進行洞室主體部分開挖時具有足夠的安全度，并有效地控制地層沉降[4]。

沈陽地鐵二號線四標段崇山路站采用PBA工法與洞樁法的混合工法進行施工，本文結合該工程施工及設計情況，將PBA工法、洞樁法及混合工法施工技術進行介紹和對比，并根據現場施工經驗，提出相關意見，希望能對類似工程的設計及施工起到一定的借鑒作用。

1 工程概況

沈陽地鐵二號線四標段崇山路站總長度為173.2 m，標準段寬20.8 m，高14.16 m，結構埋深為8.5～9.5 m，其主體結構標準斷面如圖1所示。車站主體采用暗挖洞樁法與PBA法的混合工法進行施工，共設6個主體小導洞，施工期間風道作為施工通道使用。車站拱頂主要處于中密或密實狀態的礫砂層，土層含水量豐富。整個車站施工期間在結構外設降水井進行區域降水，保證暗挖無水施工條件。

2 PBA工法、洞樁法及混合工法工藝

2.1 洞樁法

本標段施工的崇山路—岐山路區間盾構吊出井橫通道設計方案為比較簡單的單跨洞樁法，具體如圖2所示。

洞樁法在暗挖車站施工中有廣泛的應用，但暗挖車站施工一般為雙跨或三跨的結構形式，導洞和樁基施工更為復雜一些。洞樁法的基本施工方案是：首先開挖小導洞，然后在小導洞進行鉆孔灌注樁和冠梁的施工，接著架設導洞之間的初支格柵，在拱部形成整體的初期支護，使拱部的荷載通過初期支護傳遞到樁基上，最后在拱部初支的保護下進行下部的土體開挖和二襯施工。

2.2 PBA工法

PBA工法由北京城建設計研究院首創，在北京地鐵天安門西站首次成功應用，后來得到廣泛推廣，并取得了良好效果。

該工法首先開挖上層和下層的小導洞（一般為6～8導洞），在上層導洞內進行鉆孔灌注樁或人工挖孔樁和冠梁的施工，然后施作樁頂初期支護，回填外側混凝土，在下層導洞內架設底梁。對拱部地層進行必要的預加固處理后進行拱部開挖和支護，把拱部初支和原來的小導洞連成一體，然后在拱部初支結構的保護下進行洞室主體部分開挖，并同時由上向下進行主體結構施工[5]。圖3為8導洞的PBA工法施工步序。

在北京地鐵海淀黃莊站的施工中，為了縮短施工工期，減小施工縫數量，提高施工質量，根據中跨跨度較大、2個側跨跨度較小的特點，對小導洞的大小進行了改進，改為上下各2個大導洞的方式進行施工，并取得很好的效果。其施工步序如圖4所示。

2.3 混合工法

沈陽地鐵二號線崇山路站采用了PBA工法與洞樁法的混合工法施工。其主要指導思想為：利用小導洞的空間（上層4個，下層2個），邊導洞內采用鉆孔灌注樁和冠梁進行施工；中間下層小導洞內架設底縱梁，然后在中間上下層小導洞之間進行人工挖孔施工，安裝鋼管柱，架設頂縱梁；上述工序完成后中跨和邊跨初支扣拱，將上述小導洞連接成一個整體，從而形成了側跨依靠邊樁、中跨依靠鋼管柱和底縱梁的傳力體系，在拱部支撐體系的保護下進行后續結構施工[6]。這種工法結合了洞樁法和PBA工法的施工指導思想，是2種工法的結合體。這種工法在沈陽地鐵施工中得到了廣泛應用，沈陽地鐵一號線青年大街站、沈陽站站及沈陽地鐵二號線沈陽北站站也采用了這種施工工法，并取得不錯的效果。具體施工步序如圖5所示。

3 三種工法的對比分析

3.1 共同點

（1）初支施工都是化整為零，導洞先行，并最終在拱部形成一個整體。

由于車站結構跨度都比較大，不可能一次開挖成型，因此無論是幾個導洞施工，目的只有一個，就是化整為零，先進行小導洞施工，并在小導洞內搭建傳力支撐體系，然后進行扣拱施工，將上層小導洞連接成一個整體。在導洞掘進和扣拱施工中均遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的方針。

（2）傳力體系明確可靠。3種工法均是在已支護好的導洞內施作鉆孔樁或挖孔樁，樁底深埋于土層中或坐落在條形基礎之上，并在樁頂以縱梁進行連接，中柱部位導洞內架設底、頂縱梁，然后再進行初支及二襯扣拱施工，將拱部土壓力傳遞到基底。這種頂梁、柱（樁）和底梁的傳力體系，受力明確，剛度大，安全可靠，能夠較好地控制拱頂和地面沉降。

（3）大部分主體結構施工均在拱部襯砌的保護下進行，安全、可靠，施工進度較快。

拱部襯砌施工完成后即可進行剩余的大跨度主體土方開挖和二襯施工，二襯結構根據需要可采用順作法、逆作法或兩者相結合的方式進行。拱部在整個施工過程中都有成型的襯砌，邊墻部位有樁作為保護體系，施工過程安全，作業空間大，適合采用大型機械設備，便于進行流水作業，施工進度也較快。

3.2 不同點

3.2.1 小導洞施工

嚴格意義上的洞樁法無論是進行幾跨施工，均為幾個小導洞打幾排樁，只有上層導洞，沒有下層導洞，傳力體系是通過樁基傳遞。PBA及混合工法則需要有上下2層導洞，并且PBA工法的上下層導洞數量應該是一樣多，上下位置一致；混合工法兩側沒有下層導洞，中間有下層導洞。因此，從小導洞施工的角度來對比，洞樁法施工小導洞數量較少，對地層擾動較小，群洞效應不明顯，而另外2種工法在施工過程中均要考慮群洞效應，避免上下層導洞間的施工干擾和累計沉降等因素的影響。

3.2.2 洞內樁施工

洞樁法必須要進行洞內樁施工，由于樁基施工深度較深，考慮到施工安全，一般不宜采用人工挖孔樁，而采用鉆孔灌注樁，PBA工法一般采用人工挖孔樁，而混合工法一般2種成樁方法都要用到。因此從樁（柱）施工的角度考慮，如果地層比較適宜，3種工法都可以采用鉆孔灌注樁，但是當采用鉆孔灌注樁施工難度較大時，PBA工法有一定優勢。

3.2.3 圍護結構穩定性

洞樁法主要采用圍護樁和鋼支撐組成的圍護體系，PBA工法主要采用圍護樁和條形基礎組成的圍護體系，混合工法兩者都有。因此混合工法在同等條件下受力最為穩定，對限制周邊地層變形最為有效。

3.2.4 鋼支撐施工工程量

洞樁法需要層層架設鋼支撐，PBA工法一般不需要架設鋼支撐，混合工法需要在中板下安裝一道鋼支撐。由于地下進行鋼支撐施工在運輸、安裝等方面存在諸多困難，并且影響施工空間，所以從鋼支撐施工的角度考慮，PBA工法具有較大優勢，洞樁法最為不利。

3.2.5 廢棄工程量

導洞越多需要破除處理的工程量就越大，因此從需要破除和廢棄工程量的角度考慮，洞樁法破除量最小，PBA工法最大，混合工法適中。

4 改進措施

4.1 小導洞之間扣拱節點連接問題的改進

為了讓導洞間的初支扣拱和小導洞連接牢固，目前的設計方案中大部分是在小導洞對應的扣拱位置預留法蘭節點。根據現場施工的實際情況，在小導洞之間進行扣拱施工時，兩側的小導洞如果進尺、標高、垂直度等相關參數中的任何一個不能達到理想狀態，都會導致初支扣拱位置的法蘭連接點質量不能達標，往往會出現法蘭盤不能很好地對接、螺栓孔對不上等情況。鑒于以上原因，建議采用小導洞預留鋼板，扣拱格柵的拱腳位置采用“L”型筋與之焊接，這種連接方式雖然存在焊接施工時間較長的缺點，但是卻能較好地解決此重要接點的施工質量，提高了后期導洞破除時的安全性。

4.2 中跨頂縱梁混凝土灌注問題的改進

中跨頂縱梁施工空間較小，同時頂縱梁鋼筋又較密，如果混凝土從側面模板中進行灌入，往往會出現混凝土的石子被鋼筋阻擋的情況，并導致管道堵塞，從而影響頂縱梁的施工質量。因此，適當調整小導洞的高度，在頂縱梁的上部預留一定的空間，讓混凝土從頂部進行灌入，能夠較好地解決頂縱梁混凝土的灌注問題，并且頂縱梁鋼筋施工也較為容易。

4.3 側跨樁頂冠梁影響出入口暗挖進洞的改進

一般情況下，3種工法均需要進行樁頂冠梁施工，而破除該冠梁的工程量大，且施工空間狹小，需要花費較大的人力、物力，施工工期也得不到保證，并且在冠梁破除過程中對周圍的土體擾動較大，增加了暗挖施工的風險。建議在保證結構安全的前提下，此位置應當盡可能減少配筋，降低混凝土標號，加入其他易于破除的填充物，從而降低進洞施工難度。

4.4 風道破除馬頭門進車站主體的改進

暗挖車站的設計方案一般要求風道二襯施工完成后方可進行車站主體導洞和初支扣拱的施工，但是暗挖風道在車站相交位置的結構高度和寬度都較大，二襯施工周期太長，無法滿足工期要求。為了盡快進行車站主體施工，需要在風道二襯施工前進行車站小導洞施工，甚至是初支扣拱施工，因此可在進洞位置設置套拱對進洞門位置進行加強。通過套拱層層將洞門位置拱部受力傳遞至基底，確保進洞安全，實現風道和車站主體的初支及二襯平行施工，縮短施工工期，提高經濟效益。

4.5 混合工法中減少或取消中板下層鋼支撐

在混合工法中，施作中板下鋼支撐會帶來如下問題。

（1）鋼支撐和鋼圍檁加工需要花費大量的人力、物力和財力。

（2）在地下進行鋼支撐施工存在較多困難，比如鋼支撐的運輸問題，超過20 m的鋼支撐安裝問題等。

（3）鋼支撐安裝和拆除需要較長的施工周期，增加了車站的整體施工工期。

（4）鋼支撐的安裝導致施工空間減小，不便采用大型機械設備進行土方的開挖和運輸，無法采用大型運輸工具進行鋼筋的運輸，極大地限制了底板二襯的施工進度。

因此在設計過程中可通過適當增加樁體的嵌入深度、增大樁徑等方法增加圍護結構的強度；如果地質情況較差，還可以考慮在樁基施工過程中預埋從樁頂到樁底的注漿管，對樁底進行后壓漿處理等改善樁端持力層條件；在中板下土方開挖過程中，可以考慮在樁間打設注漿管對樁基背后土體進行注漿加固等技術措施。

4.6 對盾構加寬段相關問題的改進

如果暗挖車站接盾構區間，往往需要在車站端頭位置設置加寬段，在加寬段的設計和施工過程中應注意以下問題。

（1）適當增加加寬段的初支長度，給加寬段堵頭位置的樁基施工提供較大空間。加寬段導洞雖然較大，但是一般情況下在寬度方向仍無法正常擺放鉆機，無限加寬導洞寬度又會帶來施工風險，因此應從外側長度方向增加加寬段長度，給鉆機施工提供空間，保證加寬段端頭位置樁基能正常施工。

（2）在風道初支與加寬段相交位置影響樁基施工的側向超前小導管及鎖腳錨管應取消，否則在樁基施工位置從上到下會有很多鋼管在樁位上，導致此處的圍護樁無法鉆進。

5 結 語

根據上述對比分析，以上3種工法各有優缺點，因此在工法的選擇上一定要根據地質、工期等方面的具體情況，合理選擇工法，并進行優化和改進，在確保安全和質量的前提下，盡量縮短施工工期，獲取更大的經濟和社會效益。

參考文獻：

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[4] 李 圍，何 川.地鐵車站施工方法綜述[J].西部探礦工程，2004（7）：109-111.

[5] 秦曉英.城市地鐵車站PBA工法施工力學效應的數值模擬研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[6] 劉國生.沈陽某地鐵車站淺埋暗挖洞樁法三維數值模擬[D].北京：中國地質大學，2008.[責任編輯：黨卓鈺]