地鐵車站單跨PBA工法扣拱施工風險控制研究

葉新豐,任雪峰

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室,北京 100068)

1 地鐵車站單跨PBA應用現狀

PBA法是在傳統的淺埋暗挖法的基礎上結合了蓋挖法的特點，利用小導洞和樁技術在對地層小擾動的情況下，在地下構成樁、梁、拱的橫向框架支撐體系，在該體系的保護下進行土體開挖，施作內部結構[1-3]。PBA工法自20世紀90年代應用以來日趨成熟，相對同體量的工程而言，PBA工法造價相對較低、施工速度較快、廢棄工程量少而被廣泛采用[4-5]。北京地鐵復八線首次采用PBA工法以來[6]，為了適應不同的建設環境，結構形式逐漸演變。當暗挖車站附近有橋梁樁體等控制因素影響，部分車站采用單跨PBA工法[7-10]，以適應各類工程實際需要，目前在北京及許多城市地下車站施工應用極為廣泛。

隨著單跨PBA工法的廣泛應用，單跨PBA工法的結構形式演變也趨于豐富，從施工順序來分可分為逆作法和順做法，即依據在初支扣拱后二襯的施作順序不同來區分，另外一種分類是通過邊樁形式區分，一類是4導洞單跨PBA工法，另外一類是2導洞單跨PBA工法(部分業內人士稱之為洞樁法)，區分在于是否施作下層小導洞及邊樁條基[11]。通過對近年北京地鐵建設工程的統計，目前采用單跨PBA工法的情況匯總見表1。

表1 單跨PBA工法應用情況匯總

通過表1可以看出，近年來北京地鐵單跨PBA工法趨勢為流行采用4導洞PBA逆作施工，并且單跨PBA工法的最大跨度有所提高。

在地下結構中，拱的跨度增加勢必會帶來受力增加、施工難度加大、周邊環境影響加劇、管理風險上升等一系列安全風險問題，以目前北京地鐵PBA工法跨度最大的8號線二期美術館站為例(2016年8月數據)，從設計、施工角度分析美術館站由大跨度帶來的風險變化及風險控制措施。

2 地鐵車站單跨PBA工法應用案例

中國美術館站是北京地鐵8號線二期工程的終點站，位于美術館東街、王府井大街、五四大街、東四西大街4條街十字交叉路口處，沿美術館東街-王府井大街南北向布置，車站總長283.5 m，站臺交錯布置，車站南端PBA暗挖雙層段頂板覆土厚度約為8.47 m，底板埋深約24.07 m，開挖凈跨14.2 m。車站施工工序按下層小導洞施工，上層小導洞施工，扣拱導洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺施工進行。

車站施工范圍內的地質情況由上而下依次為:雜填土①層、粉土③2層、中砂細砂④層、卵石圓礫⑤層、粉質黏土⑥層、礫砂⑧層。主要含兩層地下水:第一層上層滯水，含水層為雜填土①層、粉土③層，靜止水位埋深2.30～9.0 m。第二層潛水，含水層為細砂⑤層，靜止水位埋深16.60～18.00 m。為了進一步了解該車站PBA工法在施工過程中的沉降關系，便于采用合理的風險控制措施，進行了數值計算。車站結構剖面和土層分布見圖1。結構參數見表2。

圖1 結構剖面和土層分布(單位：mm)

超前加固措施初支參數邊樁參數二襯參數上半斷面深孔注漿,拱部2m小導管C20噴混凝土、?25mm格柵主筋、0.35m厚初支、雙層鋼筋網片樁徑?1.0m,間距1.5m0.8m厚,C40混凝土

3 單跨PBA工法數值計算

采用Midas-GTS有限元軟件進行建模，根據研究需要，模型尺寸選定為100 m×10 m×50 m(橫向×縱向×豎向)，見圖2。土體及注漿加固體采用實體單元模擬，材料滿足摩爾-庫倫(M-C)準則，初期支護、二襯采用實體單元模擬，材料按線彈性材料處理，模型不考慮地下水對工程影響[12-15]。模型物理力學參數如表3所示。

圖2 有限元計算模型

材料厚度/m重度/(kN/m3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內摩擦角/(°)泊松比雜填土4.617108100.31粉土3.4191217.2280.24細中砂6.419370350.3卵石圓礫6.121500360.21粉質黏土1.9191729140.24礫砂10.022500420.21注漿體1.52512060460.21初支—2522500——0.20二襯—2533500——0.20

依據車站施工產生沉降5個主要階段[10，16]進行計算，依次為：下層小導洞施工，上層小導洞施工，扣拱導洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺施工。

圖3 下層小導洞施工完成沉降云圖

通過計算分析得出，PBA工法跨中對應地表沉降量：下層小導洞施工階段為7.7 mm；上層小導洞施工階段16.1 mm；扣拱導洞施工階段為16.4 mm；二襯扣拱施工階段18.1 mm；站廳站臺施工階段0.9 mm。具體見圖3～圖7。車站完成后沉降總量在59.2 mm，控制在60 mm規范控制值以內，通過數值計算可以得出，車站二襯施工沉降大于各階段土方開挖沉降，因此需對扣拱施工階段風險控制加以重視。

圖4 上層導洞完成沉降云圖

圖5 初支扣拱完成沉降云圖

圖6 二襯扣拱完成沉降云圖

圖7 車站二襯完成沉降云圖

4 現場實測數據與數值計算結果對比分析

根據現場監測情況，選取中國美術館站拱頂對應地表監測點，監測時程曲線如圖8所示，數值計算結果與現場實測數據比對見表4。

圖8 地表沉降時程曲線

從數值模擬的各階段沉降量及趨勢來看，整體呈現一致趨勢，驗證了模型及參數的正確性，以及現場施工與設計的吻合程度。

表4 監測值與數值計算值對比

通過對美術館站的沉降實測數據分析，單跨PBA工法跨中對應地表沉降量控制在平均58.8 mm，結合時程曲線得出：

(1)初支扣拱及二襯扣拱總沉降達36.2 mm，扣拱階段占總沉降量的61.6%；

(2)扣拱導洞拆除豎向中隔壁期間，一周內沉降為13.4 mm，平均速率1.91 mm/d，為各概況最大沉降速率，扣拱導洞施工期間，一周內沉降12.3 mm，平均速率1.76 mm/d；

(3)二襯扣拱完成，沉降發生持續時間達1個多月。

通過以上數據分析，可初步判斷中國美術館站單跨PBA工法在扣拱跨度為14.2 m的條件下，二襯扣拱施工風險較導洞施工風險高，為單跨PBA工法施工工序風險管控關鍵步驟，必須從多方面對該項工序進行技術管控。

5 單跨PBA工法施工關鍵部位風險控制措施

5.1 設計措施

(1)扣拱豎向中隔壁采用鋼筋格柵與型鋼格柵間隔設計，依據監測結果確定拆除中隔壁長度及方法，通過留設豎撐加強結構可靠度，降低風險事件的發生概率；

(2)由于扣拱跨度大，節點連接質量尤其關鍵，扣拱拱腳及節點板采用幫焊方式進行連接，保證連接強度。

5.2 施工措施

(1)施工導洞拆撐步距建議不大于4 m，同時應形成連續的作業條件，避免在拆除臨時豎撐后，長時間不進行二襯施工。

(2)在扣拱拆除豎撐階段，需配合監測同步進行，當監測較多預警，沉降控制趨勢未收斂的情況下，拆撐應及時停止，必要時進行支頂。

(3)加強導洞超前地質探查，避免因局部不良地質造成土體及結構失穩。

(4)二襯模板施作前，可留部分導洞初支作為二襯施工模板支撐點，既增加工效，同時保障模板支撐穩定性，降低風險事件的發生概率。

通過設計及施工措施的雙重保障，中國美術館站在施工中風險可控。

6 結語

(1)依據中國美術館站沉降監測分析，單跨PBA車站扣拱階段沉降占總沉降61.6%，二襯施工拆除豎向中隔壁階段周平均沉降速率1.91 mm/d，扣拱導洞施工階段周平均沉降速率達1.76 mm/d，在當跨度達到一定程度，二襯施工階段拆除豎向中隔壁的風險將大于導洞開挖風險；數值模擬計算結果同樣表明，二襯扣拱施工沉降量為18.1 mm，大于扣拱導洞開挖沉降16.4 mm，因此需重點關注二襯施工階段風險控制；

(2)通過前期優化設計扣拱豎撐及節點連接進行風險控制，可確保施工階段降低風險事件的發生概率；

(3)施工二襯前期小導洞拆除過程通過監測情況配合，可確定風險可控的拆撐方案，在嚴格控制拆撐長度的條件下，可降低風險；

(4)利用扣拱導洞仰拱及部分小導洞側墻施作二襯可提高模板穩定性，提高拆撐時效，減少初支扣拱因拆撐及二襯施作時間過長的垮塌風險。

[1] 李曉霖.地鐵車站PBA工法的數值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2007，3(5)：928-932.

[2] 王霆，羅富榮，劉維寧，等.地鐵車站洞樁法施工引起的地表沉降和鄰近柔性接頭管道變形研究[J].土木工程學報，2012，45(2)：155-161.

[3] 劉軍，荀桂富,章良兵，等.PBA工法中邊樁參數對結構穩定性的影響研究[J].鐵道標準設計，2016，60(9)：118-122.

[4] 羅富榮，汪玉華，郝志宏.地鐵車站洞樁法設計與施工關鍵技術[M].北京:中國鐵道出版社，2015.

[5] 袁揚，劉維寧，丁德云，高辛財，馬蒙.洞樁法施工地鐵車站導洞開挖方案優化分析[J].地下空間與工程學報，2011，7(S2):1692-1696.

[6] 申國奎.地鐵隧道區間“PBA”洞樁法施工對地表沉降影響研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[7] 汪國鋒，黃瑞金，劉建偉.北京地鐵10號線團結湖站洞樁法扣拱施工技術[J].鐵道標準設計，2008(12):204-207.

[8] 張美琴.分離島式暗挖車站的洞樁法結構設計[J].隧道建設，2006，26(4):32-36.

[9] 許俊峰.分離島式地鐵車站建筑設計分析[J].隧道建設，2009，29(6):290-294.

[10] 易國華.分離式車站洞樁法施工地層變形規律分析[J].隧道建設，2008，28(5):548-552.

[11] 楊慧林，宋月光.洞樁法地下基坑設計施工關鍵技術[J].鐵道標準設計，2006(11):60-65.

[12] 王霆，羅富榮，劉維寧，等.地鐵車站洞樁法施工對地層和剛性接頭管線的影響[J].巖土力學，2011，32(8):2533-2538.

[13] 李皓，葛克水.PBA工法導洞開挖順序數值模擬研究[J].施工技術，2015，44(7)：110-112.

[14] 賈少春.北京地鐵7號線雙井站PBA工法數值模擬分析[J].鐵道建筑，2013(5)：80-83.

[15] 羅富榮，汪玉華.北京地區PBA法施工暗挖地鐵車站地表變形分析[J].隧道建設，2016，36(1):21-26.