PBA工法扣拱施工順序的合理選擇與力學分析

楊德寶，賈幫輝

(1.沈陽地鐵集團有限公司 沈陽市 110168； 2.沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168)

0 引言

在沈陽地鐵施工中大規模地使用了PBA工法，PBA工法由頂縱梁、底縱梁、中柱、圍護樁以及頂拱作為整個受力體系共同承受初期的受力[1]。在這種結構保護下，對下方土體進行開挖。目前有很多學者對PBA工法進行研究，王金明[2]等以北京地鐵某車站PBA法施工為案例，系統分析了車站樁柱結構在施工過程中的應力應變分布特點；王亮[3]等以沈陽某地鐵作為研究對象，研究了PBA工法下地表沉降的規律，為工程實際提供理論支持；瞿萬波[4]等以北京地鐵十號線作為研究背景，研究邊樁的受力特性和力學特征，并討論在PBA工法下邊樁的穩定性；HU、LIU[5-6]等均采用數值模擬方法，對導洞開挖或頂部扣拱等關鍵施工環節進行研究與優化。雖然目前對PBA工法的研究較多，但是對于扣拱順序和力學研究比較少，也缺乏理論和系統的研究。

PBA工法施工多跨結構車站過程中面臨著扣拱施工順序的選擇，扣拱過程中受力轉換復雜，因此需要選擇合理的施工順序來平衡受力[7]，使在整個地鐵車站施工過程中車站受到的擾動最小，PBA工法在多數情況下都是采取逆作法施工，上部的二襯結構要承擔土體開挖后所釋放的應力，因此需要對二襯進行應力分析。施工過程中保證邊跨同步施工，以減小開挖施工過程中產生的不平衡推力，這樣就對施工協調是有難度的，因此研究施工過程中錯步開挖對結構的影響也是具有意義的。

1 工程概況

該車站位于沈陽市沈河區青年大街，整體呈東西走向布置，全長為211m，車站采用暗挖法作為主要施工方法，主體采用PBA工法施工，車站的結構為兩層三跨三聯拱結構，主體結構如圖1所示[8]。

該車站段的地層由雜填土、中粗砂、礫砂、圓礫、礫砂、圓礫由上至下分布。車站埋在地表以下6.3m到6.6m處，地勢較平緩，最大高差為1.98m，地面的標高處于43.70m到45.68m之間，渾河高漫灘及古河道為該地段的地貌類型。賦存在圓礫和礫砂的地下水存在于場區之內，為第四系的孔隙潛水。某些區域因為工業用水、生活用水以及地下管道的水滲透而產生上層滯水。整個場區內的地下水分布是比較穩定的，且含水層的厚度自東向西是逐步增大的，地下水位常年保持穩定大約為2m。

2 模型的建立和方案選取

2.1 模型的建立

(1)小導洞開挖一般為臺階法開挖，而本模擬均采用全斷面法開挖，因此循環進尺選擇1m，開挖與支護的時空效應考慮為及時支護[9]。

(2)在實際施工中注漿的工作要根據實際情況來做，而且在施工前會對地下水進行處理，因此在施工時地下水對結構的影響相對比較小，本次模擬并未對注漿進行模擬

(3)采用摩爾庫倫本構模型模擬土體單元，為了簡化模型土體為等厚同標高，地下水的影響不做考慮。

(4)初期支護在模擬過程中采用等效剛度，利用公式將鋼格柵與混凝土的剛度等效為混凝土的剛度[10]，公式為：

式中:Sg—鋼架橫截面積(m2)；

Eg—鋼材的彈性模量(MPa)；

Sc—混凝土橫截面積(m2)；

E—等效的混凝土彈性模量(MPa)；

E0—混凝土材料的彈性模量(MPa) 。

(5)模型中的荷載只考慮土體的自重和車站上方的荷載，車站上方的荷載為方向向下20kPa的均載。

(6)數值計算模型初支采用板單元，鋼管柱為梁單元，其他結構均為實體單元進行模擬。

(7)避免模型的邊界條件對計算結果產生較大偏差，需要選取開挖洞徑3～4倍左右的范圍作為模型的尺寸[11]，因此本文的模型尺寸大小為寬度是120m，高度為72m，車站的縱向寬度取20m。模型模擬參數如表1所示，模型邊界條件為上表面為自由約束，其余面都為法向約束。

2.2 方案的選取

施工方案的選取，采用以下四種方案進行對比研究。

表1 模型參數

工況1：先邊后中同步開挖；工況2：先中后邊同步開挖；工況3：先邊后中錯步開挖；工況4：先中后邊錯步開挖。工況1為中跨落后邊跨8m開挖，工況2為中跨提前邊跨8m開挖，錯步開挖為邊跨落后另一個邊跨4m開挖。導洞初支的拆除同樣也是相同的距離。

3 計算結果與分析

主要研究的內容為不同扣拱順序下地面的變形分析、結構的內力分析以及對中柱的影響這三方面，車站的模型結構如圖2所示。

3.1 不同扣拱順序下地面的變形分析

由表2可以清楚看到先邊后中的開挖順序在初支扣拱階段對地面的擾動較小，先中后邊最大的地表沉降量為6.83mm，先邊后中的最大沉降量為6.52mm。先中后邊的開挖順序在二襯扣拱完成階段對地面的擾動較小，先中后邊最大的地表沉降量為11.61mm，先邊后中的最大沉降量為12.39mm?？傮w上來講先中后邊的開挖方式對地表的影響范圍要小，其中累計沉降值先中后邊最大值為18.44mm，先邊后中最大值為18.90mm，這種差別并不是很大。無論是先邊后中還是先中后邊的開挖順序，以及對應方式的同步開挖與錯步開挖對地表的影響差別不大[12]。

表2 不同扣拱順序下地表沉降量

3.2 不同扣拱順序下結構的內力分析

由圖3至圖6可知這四種施工順序下，二襯的受力特點都有著相似之處，首先無論是邊襯還是中襯最大的主應力均發生在中拱和頂縱梁交接處，并且表現為拉應力。其次對于二襯拱底的應力要高于拱頂，而且由表3可以看出同步開挖的應力值都小于相應的錯步開挖。但不同處是對于先邊后中的開挖順序無論是同步開挖還是錯步開挖最大的應力都發生在邊襯上，而先中后邊的最大應力值發生在中襯上。在整個施工階段中工況1中襯最大的主應力(1.07MPa)小于其他施工順序，邊襯的最大應力(1.16 MPa)同樣也是小于其余施工順序，對于同步開挖先中后邊的開挖方式比先邊后中的開挖方式中襯產生的內力值多26.0%，邊襯產生的內力值多2.5%，對于錯步開挖先中后邊的開挖方式比先邊后中的開挖方式中襯產生的內力值多30%，邊襯產生的內力值多7.5%。同樣是先中后邊開挖方式錯步開挖的中襯產生的應力值比同步開挖的應力值高8.1%，邊襯產生的內力值多2.5%，先邊后中的開挖方式錯步開挖中襯產生的應力值比同步開挖中襯產生的應力值高4.6%，邊襯產生的內力值多7.5%，因此可知先邊后中的開挖方式產生的內力更小，所以從結構內力考慮工況1是最好的選擇[13-14]。

表3 不同扣拱順序下二襯扣拱最大主應力統計表

3.3 不同扣拱順序下對中柱的影響分析

由圖7、圖8可以看出扣拱二襯完成時中柱的水平位移，是屬于一個對稱的形狀，即均同時指向或背離車站長軸，未出現向同一側傾斜的現象，這樣車站結構不易失穩。取第二排中柱為研究對象，各個階段下中柱的水平位移如圖所示，明顯可以看出四種施工順序均會隨著施工的進行，中柱不斷向一側偏移，但在邊襯施工時會明顯變小。這因為在邊襯施工時，洞內的二襯結構隨著邊襯一起施工，這樣與中柱共同承擔受力，使中柱的變形量減小，在實際工程中也可以施加剛拉桿以控制中柱變形。從表4的水平位移數值來看，先中后邊中柱的水平位移在穩定階段的最大位移為1.61mm是高于先邊后中水平位移0.89mm。先中后邊的開挖方式錯步開挖的最大水平位移也要大于同步開挖，這就需要施工的時候保持兩側同步跟進。因此對于此工程，在考慮中柱水平位移時，先邊后中的開挖方式更合理。實際工作中為了施工安全，還可采取扣拱結構間增設橫向預應力拉桿或橫向拉壓構件的方式施工，這樣可以大大降低施工過程中的風險[15]。

表4 不同扣拱順序下柱頂位移值統計表

施工順序位置初支扣拱完成時位移(mm)二襯扣拱完成時位移(mm)工況1左側中柱0.600.89 右側中柱-0.61 -0.97 工況2左側中柱0.64 1.61 右側中柱-0.79 -1.62 工況3左側中柱0.62 0.90 右側中柱-0.63 -0.92 工況4左側中柱0.67 1.92 右側中柱-0.79 -1.96

4 結論

以沈陽某淺埋暗挖施工的地鐵車站為例，從地表沉降，結構內力與中柱的水平位移三個方面進行考慮，可以得到以下的結論，為PBA工法的扣拱施工提供理論上的參考。

(1)對地表沉降的影響，先中后邊的開挖方式，地表的沉降值更小，而先邊后中的開挖方式在初支階段對地表的擾動小，且錯步開挖與同步開挖并沒有明顯的區別。

(2)對結構內力的分析，無論哪一種開挖方式，最大的主應力均發生在中拱和頂縱梁交接處，并且表現為拉應力，但先邊后中的開挖方式產生的內力值更小。

(3)對中柱的水平位移進行分析，先邊后中的開挖順序比先中后邊的開挖順序能夠更好控制拱腳對中柱的推力，進而使柱頂的位移更小。

(4)先邊后中的開挖方式無需考慮兩側同步跟進，但先中后邊的開挖方式需要兩側跟進，以防止邊拱拱腳對中柱產生不對稱推力而導致其發生扭轉。

故綜上所述，雖然使用先邊后中的施工順序對地表的沉降量大，但是差距不明顯，而且先邊后中的施工順序柱頂位移更小，產生的應力值更小，柱頂位移的變化對于PBA工法的施工更為關鍵。先邊后中的開挖順序錯步開挖與同步開挖的差別不大，這樣就無需嚴格保證兩側邊拱的跟進，也可以大大降低施工協調的難度，提高工作效率。