適用黃土暗挖車站的改進PBA工法研究

李儲軍

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

引言

PBA(pile-beam-arch，樁-梁-拱)工法有效結合了淺埋暗挖法與蓋挖法的施工理念，在地鐵暗挖車站工程中得到廣泛應用[1-7]。它是一種在地下同步或分步開挖多個小導洞，在小導洞中施作底梁、邊樁、中柱、頂拱等，形成梁、板、柱、拱等空間支撐體系，在該支撐體系保護下挖土施作中板、中柱和邊墻等結構物，形成站廳、站臺層的地鐵車站暗挖法施工工法。

目前國內地鐵車站應用PBA工法研究主要集中在導洞開挖順序對地表沉降以及對鄰近建筑物的影響方面。姚君華等[8]依托北京地鐵暗挖站工程，采用數值模擬方法開展了8導洞開挖工法、不同開挖順序對地表沉降影響的研究，提出采用跳躍開挖的方法能有效控制地表沉降。王楊等[9]以北京地鐵7號線磁器口站為依托，對小導洞開挖工序進行了數值模擬，結果表明：先跳作上層導洞對于控制地表沉降效果顯著。李皓等[10]采用現場監測手段，對PBA工法不同開挖順序的數值模擬結果進行了驗證。徐凌等[11]研究了導洞尺寸對初支及地面沉降力學行為的影響。齊曉明[12]針對PBA工法的導洞開挖技術、導洞鉆孔樁技術、主體結構以及扣拱技術等關鍵技術進行了研究。韋京等[13]采用數值模擬和層次權重決策分析法，進行了北京地鐵7號線花園橋站導洞施工的方案優化研究。臺啟民等[14]研究了PBA側穿既有建筑物沉降影響及沉降控制措施的效果。曾恕輝等[15]依托北京地鐵朝陽公園站，開展了考慮流固耦合效應的PBA工法導洞開挖順序對地層位移場的數值分析研究。張海明等[16]對PBA雙層導洞施工的地表沉降影響規律進行了研究。劉加柱等[17]對洞樁法施工的地層位移變化、塑性區分布及重要圍護結構受力進行了研究。葉新豐等[18]依托北京地鐵中國美術館站開展了地鐵車站單跨PBA工法扣拱施工風險控制研究。

上述研究成果主要是針對北京地區開展的PBA傳統開挖工法的研究。以西安、蘭州、太原等城市為代表的黃土地層暗挖地鐵車站與砂卵石及巖質地層不同，黃土地層存在地基承載力偏低、軟黃土側壓力系數大的問題。針對黃土地層地基承載力偏低問題，郭亮[19]通過計算認為傳統的8導洞PBA工法在施工過程中存在地基承載力不足的臨時工況，為此進行地基處理必將增加額外投資，且小導洞內施工空間狹小，地基處理難度大，效果不易保證。車站下導洞內澆筑的底板面積較小，相當于條形基礎，難以承受暗挖車站上部荷載，易造成地基失穩，進而對周邊建(構)筑物造成影響[20]。

PBA工法在黃土地層中應用需要解決黃土地基承載力弱及軟黃土側壓力大兩個難題，如果不進行針對性的工法改進，可能導致整體沉降與側墻變形過大、洞室整體穩定性下降等風險；因此，如何對傳統PBA工法進行改進，提高施工過程中側壁的穩定性及地基的承載力，使其完全適用黃土地層暗挖車站的修建，成為亟待解決的技術問題。

以西安地鐵在建暗挖車站設計首次采用的三拱雙柱PBA工法為依托?；趯S土地基承載力的分析，并考慮洞身軟黃土的影響，對其進行了適應性改進(1)從提高地基承載力、控制沉降角度出發，上部4個小導洞保持不變，下部將4個小導洞優化為兩個大導坑，使得原先四導洞形成的條形基礎轉變為筏板基礎，保證施工過程地基承載力滿足要求；(2)從控制側壁變形、保證洞室穩定角度出發，在車站扣拱形成向下開挖過程中，考慮架設側壁橫撐，以有效提高側壁穩定性。

利用大型數值仿真模擬軟件進行分析計算，模型建立了車站的頂縱梁、冠梁、頂拱、樁底拉梁等結構，模型共約24.5萬個網格，212個施工步，精細的還原了車站修建的每一道施工工序，通過計算得出地表沉降值及結構變形值，工法斷面及車站結構二維模型見圖1。探究該改進工法在黃土地層中的應用效果，有利于PBA工法在黃土地層暗挖車站中推廣應用奠定理論基礎。

圖1 車站主體結構二維模型

1 工程概況

1.1 車站概況

以西安地鐵在建三拱雙柱暗挖島式車站為依托，車站主體結構標準段寬22.3 m，拱頂覆土厚度約14 m，軌面埋深約24 m，結構底板埋深約26 m。對傳統PBA工法進行改進：上部四小導洞均采用臺階法開挖，下部兩大導坑采用雙側壁導坑法開挖。格柵間距0.5 m，開挖前均采用小導管注漿超前支護，小導管直徑42 mm，壁厚3.5 mm，長度3.0 m，縱向間距1 m，注水泥漿加固。主體初期支護設計參數見表1，支護結構物理力學參數見表2。

表1 車站主體初期支護參數

表2 車站主體結構物理力學參數

1.2 圍巖概況

擬建場地地形平坦，地面高程介于492.24～497.55 m，地貌單元屬黃土梁洼。主要地層特征自上而下分為：人工填土由粉質黏土與磚瓦碎片組成，結構雜亂，土質不均。水上新黃土于填土底面至地下水位以上，可塑，蟲孔及大孔隙發育，具有濕陷性。水下黃土土質均勻，可塑，含少量蝸牛殼碎片，不具濕陷性，屬中壓縮性土。飽和軟黃土土質均勻，軟塑～流塑狀態，鉆探過程中有縮孔現象，局部具高壓縮性。古土壤具針孔狀孔隙，含鈣質條紋及鈣質結核，硬塑狀態，屬中壓縮性土。老黃土(水下)(軟)土質均勻，含少量蝸牛殼碎片，可塑～軟塑狀態，鉆探過程中有縮孔現象，屬中壓縮性土。

為更好研究PBA工法對黃土地層的適用性，軟黃土地層的不利影響需充分考慮，因此將車站結構置于3-1-3、3-2、4-1-3地層中，除古土壤外其余兩層均為軟黃土，尤其是3-1-3飽和軟黃土具有壓縮性高、側壓力系數大的顯著特點。土層物理力學參數見表3。

表3 土層物理力學參數

1.3 開挖工序

PBA工法工序繁多，此處分為6個階段對改進工法進行介紹。

第1階段：超前小導管注漿加固地層，并開挖下部兩個大導坑。

第2階段：在下部大導坑內施作底縱梁及底板。

第3階段：開挖支護上方4個小導洞，自上而下施作邊樁及樁頂冠梁，隨后施作中間鋼管樁，并與底縱梁連接。

2、3階段分兩種工況：上述工序為工況1，工況2—先開挖下導坑，然后進行上導洞開挖，繼而打設邊樁及鋼管樁并澆筑底板。

第4階段：上方進行扣拱初支施工，連接上方4個導洞，并澆筑扣拱二襯。

第5階段：向下開挖，施作站廳層側墻及中板結構，由于開挖跨度較大，分兩種工況：開挖設置橫撐(工況A：設置橫撐，改善水平方向受力)、開挖不設置橫撐(工況B：不設置橫撐，節省工期)。

第6階段：向下開挖土體，破除下導洞初期支護，開挖至設計高程，施作剩余底板及內部結構。

圖2 施工工藝步驟

2 數值模擬計算

2.1 模型概況

根據上述開挖工序及工況設置，通過計算分析回答兩個問題:(1)是否需要提前施做下導坑內底板結構，以提高地基承載力、減小地層沉降？(2)洞身存在軟黃土時，是否需要在車站整體向下開挖的過程中設置橫撐，以減少側壁變形、提高洞室整體穩定性？上述問題既關系到洞室結構穩定與周邊環境安全，又與工程進度及造價密切相關。對此建立二維模型，探究不同施工步序下結構的穩定性。工況設置如下：1-A:有橫撐底板先成環；1-B:無橫撐底板先成環；2-A:有橫撐底板后成環；2-B:無橫撐底板后成環。橫向比較尋求最佳的施工步序，對最佳的施工步序，進行三維建模，探究改進PBA車站修建工法在黃土地層中的適用性。模型中土層選用修正莫爾-庫倫本構平面應變單元；二次襯砌及注漿加固區域采用彈性本構平面應變單元；地下車站結構墻體，樓板，結構的梁、柱采用梁單元模擬，彈性本構；錨桿采用植入式桁架單元模擬，彈性本構。邊界采用固定端約束，施加重力荷載。

依托MADIS-GTS有限元軟件計算平臺，考慮邊界效應的影響，根據圣維南原理，模型計算選取范圍為80 m(長)×30 m(寬)×60 m(高)，整體三維計算模型如圖3、圖4所示。

圖3 車站主體結構模型

圖4 整體三維模型(單位：m)

模型中土層選用修正莫爾-庫倫彈塑性本構模型，單元類型為六面體單元；二次襯砌及注漿加固區域采用實體單元彈性本構；地下車站結構墻體，樓板，采用板單元模擬，彈性本構；結構的梁、柱采用梁單元模擬，彈性本構；錨桿采用植入式桁架單元模擬，彈性本構。邊界采用固定端約束，施加重力荷載。模型參數以及施工步驟同表2、表3，施工步驟同實際工程開挖工序，共212步。車站結構較為復雜，模型按照實際工程1∶1建造出了車站的各個結構。最終三維模型單元數量約24.5萬個，通過計算機工作站運算240多個小時，得出了完整的施工階段模擬結果。

2.2 地表及車站結構變形控制標準

地表沉降與車站支護結構變形值控制標準參照《城市軌道交通工程監測技術規范》[21]，結合黃土地區暗挖修建經驗，暗挖車站地表沉降、支護結構變形監測項目控制值分別如表4、表5所示。

表4 暗挖車站地表沉降監測項目控制值

表5 暗挖車站支護結構變形監測項目控制值

3 數值模擬結果分析

3.1 二維平面應變單元模擬結果分析

3.1.1 整體沉降分析

二維平面應變單元，由于其運算速度快，方便對模型進行多次修改對比計算，因此初始分析中，常采用二維平面應變單元對不同施工方案進行對比分析。

為了探究是否需要提前將下導坑封閉成環，在車站向下開挖的時候是否需要設置橫撐提高結構的穩定性，設置了4個工況進行對比分析。本節所用的結構物變形值為結構單元最終變形值減去結構物施作之前的變形值。

運算最終結果見圖5，通過對比云圖5(a)、圖5(b)可知：在加橫撐先成環的情況下，地表沉降值最大為54 mm，拱頂沉降最大值為16.9 mm，底板隆起最大值為9.3 mm，均符合變形要求。在加橫撐后成環的情況下，地表沉降值最大為66.1 mm，拱頂沉降最大值為27.2 mm，底板隆起最大值為18.7 mm，地表沉降值、底板隆起值超出變形要求。無橫撐底板先成環的工況下，地表沉降值最大為104.3 mm，拱頂沉降最大值為35.5 mm，底板隆起最大值為24.6 mm，均不符合變形要求，拱頂沉降值超限較大。無橫撐底板后成環的工況下，同樣均不符合變形要求。僅有加橫撐底板先成環的工況滿足結構的變形要求。通過對比云圖圖5(a)、圖5(b)可知：在加橫撐的工況下，先成環工況地表沉降值為后成環工況的81.8%。在不加橫撐的情況下，先成環工況地表沉降值為后成環工況的91.8%。在先成環的工況下，加橫撐工況地表沉降值僅為不加橫撐工況的51.8%；在后成環的工況下，地表沉降加橫撐工況僅為不加橫撐工況的58.2%。分析可知：洞身處于軟黃土地層時，車站整體開挖過程中施加橫撐對于側壁穩定及控制地表沉降具有重要的意義。下部開挖先成環，對于整個施工過程的穩定具有較為積極的意義。因此，最終方案確定要下導坑先封閉成環，在車站開挖過程中設置橫撐。

圖5 各工況下最終整體沉降云圖

3.1.2 圍巖周邊收斂特征分析(圖6)

圖6 有無支撐周邊收斂云圖

橫撐設置的目的，是降低軟黃土地層較大側向土壓力引起的側壁變形，提高車站洞室整體穩定；對比加支撐底板先成環工況以及不加支撐底板先成環工況下圍巖的橫向變化情況，探究橫撐的作用效果。

從圍巖橫向變形云圖可知：圍巖的橫向變形表現為向車站內部收斂，橫向變形最大處集中在車站上方地表兩側以及車站兩側側壁。加支撐底板先成環工況下圍巖周邊收斂最大值為9.76 mm(左右側側壁收斂值相加)，不加支撐底板先成環工況下圍巖周邊收斂最大值為39.2 mm。加支撐底板先成環工況下周邊收斂變形值符合變形要求，且在設置橫撐支護的工況下，周邊收斂變形值僅為不設置橫撐支護的工況下的24.9%。橫撐能夠充分發揮預期效果，在洞身處于軟黃土地層中時，該工法施作有必要設置橫撐。

3.2 三維實體單元模擬結果

3.2.1 地表沉降分析

通過建立二維平面應變單元模擬結果顯示，加橫撐底板先成環的施工方法地層位移最小，但是二維平面應變分析中未考慮施工步序之間的縱向效應，因此選擇加橫撐底板先成環的施工工況開展三維分析；三維模型可以充分考慮開挖的縱向效應，不同工序間在縱向的間隔，仿真程度更高。三維模型土體豎向位移云圖見圖7。開挖最終結果，土體最大位移為55 mm，最大隆起值為22.5 mm。在地表提取了3根線上圖，呈對稱分布，表現為一個沉降槽，沉降最大值位于車站中心部位上方，地表沉降最大值為50.5 mm，符合規范要求。另外，在黃土地層中修建車站，隆起值達到了22.47 mm，在施做結構時，及時將下導坑封閉成環十分有必要。

圖7 三維模型土體豎向位移云圖

3.2.2 洞身變形分析

(1)車站結構沉降分析

從車站結構上方開始施作二襯扣拱到模型運算結束期間產生的沉降值認定為結構的沉降值，并進行了階段間的加減計算。結果見圖8，從有限元云圖來看，車站結構沉降主要集中于車站上部導洞的頂部，整體結構最大沉降值為28.03 mm，略小于規范所要求的30 mm。在同一個橫斷面上，對三個導洞頂部分別取值可知：中間導洞頂部沉降量最大，旁邊導洞頂部沉降值僅為中間導洞頂部的60%。在結構施作過程中，要注意中間導洞扣拱的施作質量，以及兩側頂縱梁的施作質量。從數值模擬結果分析可知：車站結構第二導洞頂部結構沉降值較大，接近規范限定值。另一方面從模型步序來看，中間導洞頂部扣拱結構后于兩側導洞頂部扣拱施作，模型輸出的沉降值偏大。

圖8 車站結構從施作扣拱到車站完工的沉降云圖

(2)車站結構周邊收斂分析

施作完扣拱之后，對車站下部進行開挖，同時布設測點在邊樁上，直至施作好側墻及中板之后。這一階段側墻的收斂值可對比實際工程中要求的警戒值。通過階段之間的加減運算，得出這一階段車站的收斂值。從圖9云圖趨勢來看，車站中間向下開挖之后，邊樁向車站中間發生了位移。從數值分析來看，車站上部開挖兩側邊樁并未產生較大的水平收斂值。當車站下部開挖時，同時拆除了下方導洞支護結構，下方邊樁向中間水平收斂值較大，左側邊樁向右方收斂值達4.87 mm，右側邊樁向左側收斂值達4.85 mm，累計周邊收斂值9.72 mm，略小于規范要求的10 mm。相較于上部車站土體的開挖，車站下方在開挖土體的同時，拆除了下方導洞支撐，下側土體開挖過程中，邊樁周邊收斂值太大，對于這一工序，車站下部土體開挖應進行細化。

圖9 車站結構從施作側墻到車站中板完工水平收斂云圖

(3)車站結構底板隆起分析

車站結構底部隆起值，測點在拱底回填施作結構后進行打設，直至車站施工完成。運用階段的加減運算提出結構從施作下方導洞底板結構到車站完工隆起值。云圖結果見圖10，隆起值集中在兩側導洞的底縱梁位置，另外兩側導洞底板中部隆起值也相對較大。在相應位置制定了4根線上圖，底縱梁位置隆起最大值為7.23 mm，兩側導洞底板中部隆起最大值為4.3 mm左右。底縱梁位置應注意結構隆起，在車站施作過程中，下部導坑先封閉成環是有必要的。采用PBA工法，下方四導洞開挖改為雙側壁導坑法施工，增大了車站底部基底的面積，即使在這種工法下，底板隆起最大值仍高達9.1 mm，進一步說明了下方導洞先成環的重要性。

圖10 車站結構底板隆起值

3.2.3 橫向支撐軸力分析

車站向下開挖過程中，等間距打設橫向支撐。開挖完成后，橫向支撐軸力云圖見圖11。橫撐承受了較大的壓力，從整體變化趨勢分析，每一根橫向支撐軸力基本相同。下部橫撐軸力值普遍大于上部橫撐的軸力值，可見下部圍巖側向土壓力更大。上部橫向支撐軸力最大值為1 500 kN，為下部橫向支撐軸力最大值的78.5%。

圖11 車站開挖后橫向支撐軸力

3.2.4 塑性區分析

圖12云圖中隧道圍巖及支護結構紅色區域表示處于其塑性破壞狀態，藍色區域表示其處于塑性松動狀態，綠色區域表示其處于張拉破壞，無色區域表示其處于彈性狀態。車站開挖，應力重分布周圍圍巖以藍色為主。但是車站上方土體出現了塑性破壞，從中間導洞上方向兩側向上延伸至地表。車站結構中間導洞位置，仍然是沉降控制最困難的部位。另外，車站結構兩側土體出現小部分塑性破壞，并向車站下方側墻延伸。在車站下方開挖時應進行進一步優化，避免邊樁出現較大的水平位移。

3.2.5 現場實測對比分析

西安在建的三拱雙柱暗挖車站目前最快施工進展僅完成了上下導洞開挖，從車站主體地表沉降監測點中選取縱向3條監測線及1個監測橫斷面，監測點布置見圖13，各測線及監測斷面在主體導洞施工期間的地表沉降曲線見圖14。

圖14(a)表示的是車站主體一側導洞上方的地表沉降監測曲線，從曲線可以看出，隨著時間推移從導洞開挖到導洞貫通，沉降有明顯發展，導洞貫通后的沉降最大值接近24 mm。

圖14(b)、圖14(c)表示的是車站主體中導洞上方的地表沉降監測曲線，兩條測線的沉降趨勢與最大值基本一致，沉降最大值均發生在施工橫通道處(約36 mm)。這是由于橫通道先行開挖、繼而在側壁開主體導洞馬頭門，工序多次轉換，地層反復擾動所致。但在施工橫通道范圍之外的主體地表沉降點最大沉降值仍在24 mm左右。

圖14(d)表示的是施工橫通道上方的地表沉降監測曲線，可以看出，靠近施工豎井附近的沉降值最大(接近40 mm)；接近橫通道端頭處地表沉降明顯減小。

由于現場施工進度僅完成了上下導洞開挖，因此選取數值模擬中相應的步序，提取地表沉降曲線，見圖15。

圖15 上下導洞開挖后地層豎向位移云圖

從圖15可以看出，上下導洞開挖后，車站主體結構地表最大沉降發生在中導洞上方(32.7 mm)，這與實際監測情況符合度較高。說明數值仿真計算可以較好地模擬分析實際工程施工工況。

3.2.6 同其他地區類似工程比較

北京地區很多地鐵車站修建使用了PBA工法，且結構形式多為三拱雙柱。如表6所示，統計了北京采用PBA工法修建的三拱雙柱雙層地鐵車站的拱頂覆土厚度以及地表最大沉降值。覆土厚度在10 m以下的車站，地表最大沉降集中在28.50～123.91 mm；覆土厚度在10 m以上的車站，地表最大沉降集中在46.91～84.02 mm。通過對北京地區PBA工法應用于三拱雙柱雙層地鐵暗挖車站工程的總結，對PBA工法進行了黃土地層適應性改進，根據數值模擬計算結果可知：車站埋深14m的工況下，地表最大沉降值為50.5 mm，符合規范要求，在近似埋深工程中，地表沉降值不大。因此上部四小導洞、下部兩大導坑施工的PBA改進工法應用于黃土地區暗挖地鐵車站的修建是可行的，且地表沉降控制較好。

表6 北京地區PBA工法施作的三拱雙柱雙層地鐵車站地表最大沉降統計

4 結論

通過建立數值模型，探究了適用黃土暗挖車站的改進PBA工法。對不同模型結果綜合分析得出如下結論。

(1)通過采用改進的PBA工法，將下部的4個小導洞優化為兩個大導坑提升施工期間的穩定性，下導洞先封閉成環可減少地表沉降值。從模擬計算數據得出，采用下導坑先閉環可以減少19.2%的地表沉降值，車站底部隆起值達到了22.47 mm，及時施作底板后，結構底板隆起值明顯減小。在黃土地層中運用改進PBA工法，不僅降低了地表沉降值，也提升了施工期間的洞室穩定性。因此，在黃土地區采用改進PBA工法是必要的。

(2)通過二維模型對比分析，在設置橫撐支護的工況下，周邊收斂最大值僅為不設置橫撐支護工況下的24.9%。橫撐承受較大的側向土壓力，尤其是下方橫撐，軸力最大值高達1 900 kN。即便如此，下方邊樁累計周邊收斂值仍然高達9.72 mm。因此，在洞身處于軟黃土地層(側壓力系數較大)時，車站向下開挖設置橫撐是必要的。

(3)通過數值模擬及現場監測數據分析可知，改進PBA工法修建地鐵暗挖車站適用于黃土地層，地表沉降值、結構變形值可控制在規范要求以內。同北京地區PBA工法修建的三拱雙柱雙層車站相比，地表沉降水平有所降低。

通過分析傳統PBA工法在黃土地層中的問題，對PBA工法進行了改進，提出了適應于黃土地區的暗挖地鐵車站PBA改進工法，并對其適用性進行了研究，對推動黃土地區地鐵暗挖技術進步、加快黃土地區地鐵工程建設有積極的推動作用。