PBA 工法暗挖地鐵車站施工階段地表變形研究

洪成鋮

（華北科技學院，北京 101601）

0 前言

對于大跨度淺埋暗挖車站的施工工法主要有：眼鏡工法、中洞法、側洞法、PBA 工法等。PBA 工法以其有效控制地層變形、施工安全度高、施工靈活性強、斷面利用率高以及造價低等優點在北京等地區得到了廣泛應用。但是該工法由于需要在狹窄導洞內完成一系列的鋼筋、立模、澆筑、吊裝等操作，并且開挖洞室多，受力情況復雜，作業環境惡劣，因此需要特別關注在施工過程中的監測工作。本文具體針對車站施工階段地表變形進行研究。

賈世濤[1]以北京地鐵薊門橋站為工程背景,針對PBA 地鐵車站穿越各類土層的情況,采用Midas Gts NX 有限元分析軟件建立實體模型,模擬施工過程的各階段,研究過程中引起的地層沉降規律。各種地層下PBA 工法施工過程中引起沉降的最主要步驟均為導洞開挖施工階段,發生沉降最大的部位在下導洞拱頂處,而剩余各階段的沉降值在不同地層條件下差異較小。任建喜[2]等以西安黃土地區首個PBA 工法車站為工程背景,對先期小導洞開挖數量及開挖順序的合理確定進行研究，得到采用"先上后下"開挖順序不會對上層土體造成二次擾動,六導洞形式可減少地表沉降約20%,四導洞形式可減少地表沉降約15%。王勇[3]等以北京地鐵16 號線甘家口站和8 號線三期六營門站為工程依托,使用ABAQUS 有限元軟件對兩種地質情況下應用PBA 工法修建地鐵車站進行數值計算,同時對現場監測數據進行分析。得到在其他條件相同情況下,砂卵石地層中修建地鐵車站引起地表沉降值小于粉質黏土地層;不同地層中各階段沉降占比無較大差異;粉質黏土地層中不同施工階段沉降速率均大于相同階段的砂卵石地層。趙文強[4]等以西安地鐵6 號線廣濟街站為研究對象，采用二維有限元數值分析方法，對比分析了三、四和六導洞PBA 工法導洞開挖和扣拱施工后地表沉降及導洞初支位移情況。經過計算比選，四導洞方案工序轉換減少，施工難度降低，對差異沉降和周邊環境影響控制有利，適合黃土地區暗挖PBA 工法車站。在北京地鐵建設規模逐年擴大的背景下，相關學者的研究表明，對PBA 工法施工引起的地表沉降規律進行研究可以為類似工程的設計與施工提供一定的借鑒，具有重要的現實意義。

1 工程及工法概況

北京市某新建地鐵車站位于城市市區，采用兩層三柱四導洞PBA 工法，主要施工步驟如下：（1）采用臺階法（加臨時仰拱）開挖橫通道第一層、第二層。在橫通道中施工五個主體導洞；（2）待所有的小導洞完全貫通，在兩個邊導洞內施作圍護結構邊樁，其余導洞內施作中柱樁基及鋼管柱；（3）在邊樁上端施作冠梁，鋼管柱上端施作頂縱梁；（4）小導管超前預注漿加固地層，開挖主拱土體，施做初期支護，并采用圍焊等加強措施。初支封閉成環后，對初期支護背后進行填充注漿。（5）逐段拆除小導洞邊墻，鋪設防水層，立模澆筑主拱二襯。（6）敷設側墻防水層,施作中板、中縱梁、上層側墻。（7）鋪設防水層，澆筑底縱梁、底板、下層側墻。（8）施作內部結構。

2 施工階段的有限元模型

PBA 工法較為復雜，部分工序在有限元分析中需要進行簡化，具體包括超前小導管注漿加固、邊樁和鋼管柱。

2.1 模擬思路及假定條件

施工過程中，根據實際動態化施工的過程進行簡化模擬，分段分步驟施工。土體開挖采用施工階段程序中的“鈍化”命令，對于導洞支護、冠梁和頂縱梁的施工、混凝土回填澆筑等工序，通過“激活”命令模擬。通過對施工不同階段進行“激活”及“鈍化”命令實現網格組和邊界組是否參與程序的運行與分析等。建立模型計算中所采用的假定條件如下所示：（1）在對施工階段進行模擬時，土層是不平整，不均勻的，為了簡便計算，在對計算結果影響不大的情況下假定各土層是平整、均勻的。（2）模型計算忽略地下水的影響。（3）自重和地面活載是模型計算考慮載荷。（4）結構材料采用彈性本構關系。

2.2 模型計算范圍及邊界條件

車站模型結構上覆土層厚度為8.89m，車站整體高度設計為18m，向車站下方取約2.2 倍車站高度40m，模型總高度為70m；模型左右各取導洞外側50 米處，所建模型長140 米；車站的實際縱向長度為303 米，但由于沿著導洞開挖方向，車站不同斷面的施工引起的地表沉降規律相似，綜合考慮尺寸效應、開挖工序和模型的計算量，縱向范圍取60 米。綜上所述，模型尺寸在X 方向、Y 方向、Z方向范圍取值分別為140 米，60 米，70 米。模型的邊界條件取為：地鐵車站的上邊界為地表，不施加約束條件；模型左右兩側施加限制其X 方向位移的約束，模型底部施加限制其Z 方向位移的約束，前后限制其Y 方向位移約束。

2.3 材料的本構模型

根據地勘報告，該處主要地層分布分別為粉土、粉細砂和卵石，其中粉土的內摩擦角為25°，黏聚力為12kPa，粉細砂、卵石的內摩擦角和黏聚力分別為25°、40°和0kPa、0kPa。綜上所述，在此模型中的粉土、粉細砂、和卵石均選擇修正摩爾-庫倫本構關系。除此之外，其他結構材料的本構模型均采用各向同性—彈性本構關系。結構及材料的本構模型見表1。

表1 結構及材料的本構模型表

2.4 材料參數

本地鐵車站涉及到的地層類型較多且不平整，故在建立模型時對地層進行了簡化處理以簡便計算。地層土體的基本參數如表2 所示。注漿加固采用在地層實體單元基礎上改變材料屬性進行模擬，注漿材料的選用、注漿加固及車站結構材料的參數如表3 所示。

表2 地層參數表

表3 車站各結構參數表

3 施工過程變形情況

3.1 主要施工階段地表沉降

坐標原點選在模型地表中心，以主監測斷面為研究對象，記錄此斷面在地鐵車站施工過程中的地表沉降，通過對數據的分析擬合作得地表沉降圖如下圖1 所示。

圖1 主要施工階段地表沉降

從圖1 可以看到，距離車站中軸線距離越近，地表沉降值越大，地表沉降量關于車站中心對稱;車站左右側距離中軸線0～20m 的范圍內，地表沉降量變化明顯，在車站中軸線20m～40m 的范圍內，地表沉降量變化不明顯且趨向于0；在各個施工階段中，導洞開挖階段和扣拱施工階段引起的地表沉降數值較大，而樁柱施工階段引起的地表沉降最小。

3.2 各施工階段沉降值比例

在沉降階段，總最大地表沉降量為58.52mm，發生在距離中軸線0m 主體完成施工后。其中小導洞開挖階段地表沉降量最大，為車站沉降的主要階段，最大沉降為23.52mm，占沉降階段總沉降值的40%。故小導洞施工階段為本工程沉降監測的主要防范階段。在邊樁施工、底中頂縱梁、鋼管柱施工的階段，車站地表最大位移沉降值為4.79mm，占沉降階段總沉降值的8.2%。在拱頂初支、二襯的扣拱階段，車站地表最大位移沉降值為18.01mm，占總沉降值的30.8%。主體結構施工階段導致的地表沉降為12.20mm，占總沉降值的20.8%。各階段沉降比例如下圖2。

圖2 各施工階段沉降值比例

由圖二可以得知，在地鐵車站的主要施工過程中，導洞開挖階段和扣拱階段地表的沉降大約占到總沉降的71%，而邊樁中樁施工過程引起的地表沉降只占到總沉降的8%左右。不同施工階段的地表沉降所占總沉降比例的差異從數據上說明在實際施工時，應當在導洞開挖階段和扣拱施工階段加強對地表沉降的監測，可以在這兩個階段進行更密集的監測或增加監測的點位。

4 結論

（1）本文基于有限元軟件Midas GTS 對北京市某新建地鐵車站采用PBA工法（洞樁法）暗挖的施工過程進行模擬，發現車站各個施工階段地表沉降值比分別為導洞完成：樁柱施工：扣拱完成：主體完成=5:1:3.9:2.6，最大地表沉降總量為58.52mm。

（2）PBA 工法施工過程中，小導洞開挖階段和扣拱施工階段地表沉降量較大，應當在實際工程中在此二階段加強沉降監測。

（3）地鐵車站施工過程中，其地表沉降主要發生在距離車站中線位置左右0～20m 處，且不同施工階段變化趨勢大致相同，在實際工程中，應當對該距離范圍內的地表沉降進行重點監測。