PBA法導洞施工引起的地表沉降規律分析

王冰琰，董志航

（1.中鐵十五局集團有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

PBA法導洞施工引起的地表沉降規律分析

王冰琰1，董志航2

（1.中鐵十五局集團有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

結合北京地鐵16號線達官營站的工程施工實踐，研究了地鐵車站主體結構在PBA法地下洞室施工時的地表沉降規律。分析了不同導洞開挖面通過地表沉降監測點時的地表沉降特點；使用Peck模型對地表沉降數據進行回歸分析，得出了PBA法多導洞施工對地表沉降影響的一般規律；并提出了PBA法洞室施工控制地表沉降的輔助措施，以期為今后類似工程的施工提供參考和借鑒。

PBA；地表沉降；Peck；沉降控制

地鐵車站一般位于城市繁華地段，交通繁忙，地表環境復雜[1]。在這種施工環境下，洞樁法（PBA）已成為目前地鐵車站工程的主要施工方法[2]。PBA法結合了暗挖法與蓋挖法的優勢，利用導洞施作樁﹑梁﹑柱，從而形成主要受力框架體系，對地層擾動次數較少，能有效控制地層變形[3]；且具有結構受力明確﹑工序轉換少等優點，得到了廣泛的認可與應用。但是，PBA法施工步驟復雜，開挖面多，易引發群洞效應，因此在施工過程應當加強對地表沉降的監測。

1 工程概況

北京地鐵十六號線達官營站主體采用“8導洞PBA法”施工。達官營站位于廣安門外大街與三里河南延路交叉路口以北，沿三里河南延路路下敷設，為二層三跨地下島式車站，有效站臺寬為14 m，車站主體總長為209 m，覆土厚度為13.8～15.5 m。車站大體呈南北向布置，與在建的7號線達官營站呈L型換乘，北端接礦山法區間，南端接盾構法區間。

車站主體結構包括L1﹑L2和L33個施工豎井，豎井采用倒掛井壁法施工，豎井連接橫通道，自橫通道進洞，由橫通道向兩側臺階法開挖導洞，臺階長度為3～5 m。開挖導洞時，按先挖上層后挖下層導洞，先挖邊導洞后挖中導洞的順序，開挖步距同格柵間距，相鄰導洞間錯一倍洞徑施工，減小群洞效應，保證施工安全[4]。

車站頂部位于雜填土和粉細砂層，中部位于粉質粘土和卵石層，底部位于礫巖層。車站主體結構鄰近國家話劇院﹑廣源小區等多座重要建筑物，且施工影響范圍內有多座高壓塔和地下管線，都增加了施工難度，所以應在施工過程中及時掌握地表監測點的沉降狀態，對施工過程進行全面監控[5]。

2 地下洞室施工引起的地表沉降規律

2.1 監測點位布置

以L1施工豎井監測點位的布置為例，監測項目以地表沉降位移監測為主，觀測點主要布置在L1豎井橫通道北側里程K10+375至南側K10+455處。具體布置情況為：間隔5 m分別與隧道左﹑右線路中線平行，與橫通道中線垂直布置7條縱向斷面，依次為DG﹑SG﹑YG1﹑YG2﹑DB1﹑DB2﹑DB3，其中SG和DB2斷面布置在左﹑右線路中線上；同時在7條縱向斷面上，間隔5 m布置橫向監測斷面，以了解地表沉降的橫向影響范圍，導洞與橫通道連接處需適當加密[6-8]，地表測點具體布置如圖1所示。

圖1 地表沉降監測點布置平面圖

2.2 地表沉降一般規律

地層變形是從洞室周圍逐漸向地表延伸發展的，隧道開挖引起的底層變形并不是瞬間達到最終值的，而是一個逐漸累積的過程，一般把這個過程分為3 個階段[4]，如圖2所示。

1）先行沉降。當掌子面距測點1B～2B（B為隧道跨度）時，隧道開挖開始對地表產生一定影響，造成一定范圍內的沉降，不過影響較小，沉降量占總變形量的一小部分，主要是由于工作面的開挖導致前方地層應力發生變化引起的。

圖2 地表沉降一般規律

2）通過沉降。隨著掌子面的向前推進，當距測點-1B～3B時，地表沉降速率加大。這一過程的沉降包括開挖面通過初期支護結構閉合成環并能對周圍的土體變形提供有效阻力為止的時間過程，當初期支護能夠阻止圍巖變形時，地表沉降開始收斂，這一時間段的沉降量是整個施工過程的主要部分。

3）后期沉降。當掌子面距測點大于3B后，地表沉降就會趨于穩定，這一時間段的沉降量占整個施工過程的很小一部分，但持續時間較長。

2.3 PBA法多導洞對地表沉降影響的分析

多洞室施工引起的地表沉降規律與單孔隧道基本一致，都會產生地表沉降的疊加[9]，該疊加為多種因素共同作用的結果。本文地表沉降分析中使用的數據來源于2015-08-06第一個導洞——北A#上洞開挖到2016-01-21的累計監測數據。以1#主斷面為例進行典型斷面分析，以車站主體結構的幾何中心線作為基準線繪制橫向沉降槽曲線，如圖3所示。

1#主斷面距離橫通道中線約為35 m，隧道結構較為穩定，基準線兩側15 m內，即隧道A#﹑D#導洞之間累計沉降量較大。由于隧道結構內各導洞的間距較小，其橫向沉降規律與單線大跨徑隧道基本一致。

圖3 地表橫向沉降曲線圖

Peck R B提出了隧道開挖引起的地表沉降槽呈近似正態分布的概念，并認為在不排水的情況下，隧道開挖所形成地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，其相應的地表沉降位移預測模型為：

式中，s(x)為距離隧道結構中軸線x處地表累計沉降值；smax為隧道中線處最大沉降量；i為沉降槽寬度[10]。

使用Origin8.0軟件對1#主斷面橫向沉降量進行Peck模型回歸分析（圖4），得出的模型卡方值為：R2=0.969，其沉降曲線可描述為：

式中，i=17.738 m；smax=11.990 mm。

圖4 累計沉降Peck曲線回歸圖

施工過程中，沉降槽中線位于-1.871 m處，B#導洞上方，可能是由于B#上導洞的施工進度較快首先通過1#主斷面所引起的。由于導洞群先后通過斷面，在其對地層擾動的非線性疊加作用下，1#主斷面最終形成的沉降槽為：沉降槽中心距車站中線-1.871 m（位于B#導洞上方），累計沉降為-11.990 m，拐點距沉降槽17.738 m，沉降分布范圍約為車站結構中心左右兩側50 m之內。

歷時曲線是指某一測點從開始沉降到地表沉降基本穩定全過程的沉降規律，反映的是整個施工過程對地表監測點產生的影響。將2015-08-06～2016-01-21的1#主斷面8個導洞開挖過程的沉降監測數據繪制為一組沉降歷時曲線圖，如圖5所示。

圖5 1#主斷面監測點地表沉降歷時曲線

PBA洞室施工對地表沉降的影響具有集中效應，即某一監測點的沉降主要受離該點最近的導洞開挖情況影響，而其他導洞對該點沉降情況的影響較小，且影響隨距離的增大而減弱。

由圖5可以看出，累計沉降曲線較大的幅度變化主要發生在上下層各導洞開挖面通過地面監測點的階段，洞內后續施工對地層變位影響較小。由于上層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個先行導洞的先行施工擾動了土體，破壞了土體結構既有的平衡體系，在先行導洞擾動區域內施工會使周圍土體應力變得更加復雜，導致地表沉降的疊加，因此后續施工的4個下層導洞引起的地表沉降變化幅度明顯大于上層導洞，表現為下層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個導洞開挖時沉降曲線的斜率大于上層導洞開挖時的斜率，在8個導洞全部通過地表沉降監測點后，沉降曲線趨于穩定。

3 結 語

3）提高格柵鋼架焊接和安裝合格率。重點控制格柵鋼架焊接的一次合格率，確保每一個連接節點準確到位且連接安全可靠，滿足設計圖紙要求，將格柵鋼筋和超前小導管互相焊接形成整體，形成聯合支護體系，有效抑制圍巖變形。

4）提高工程管理水平，隧道開挖嚴格按施工組織設計進行，嚴格遵守 “管超前﹑嚴注漿﹑短進尺﹑強支護﹑早封閉﹑勤量測”的方針。對車站施工影響范圍內（平面范圍為結構外輪廓外放一倍地板埋置深度）的所有建筑物和地下管線制定詳細的保護措施與應急預案。

針對城市地鐵暗挖車站的淺埋﹑結構復雜﹑底層軟弱等缺點，采用PBA法施工可有效控制地表沉降。在施工過程，為了減少開挖﹑初支等工序引起的群洞疊加效應，導洞的開挖應嚴格按照施工步驟要求進行，做到先開挖上導洞，后開挖下導洞，同層導洞先開挖邊導洞，后開挖中導洞，且前后錯開不小于10 m。同時，在施工過程中，應采取輔助措施來控制地表沉降：

1）加強地層改良工作。做好詳盡的地質描述，加強對開挖工作面的地質觀察和記錄，判斷其穩定性并預報開挖面前方地質情況。施作施工導洞拱部超前支護結構，超前小導管注漿加固圍巖，特殊地段可擴大注漿范圍，及時進行初支和二襯背后注漿，嚴格控制注漿壓力，必要時進行多次補漿，防止開挖面的松弛﹑變形和坍塌。

2）合理安排作業工序。合理確定各導洞的開挖順序，采用先上后下，先邊后中的順序進行小導洞工程的開挖，減少圍巖擾動次數，減小群洞效應。合理控制并行導洞開挖掌子面的距離，避免兩相鄰導洞同時開挖，采用預留核心土的開挖方式，減小開挖段面尺寸，縮短循環作業時間，使結構盡早封閉成環。

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P258

B

1672-4623（2017）09-0097-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.029

2016-05-10。

項目來源：蘭州交通大學青年科學基金資助項目（2013006）。

王冰琰，碩士，研究方向為工程測量與變形監測。