PBA 工法暗挖地铁车站施工阶段地表变形研究

洪成铖

（华北科技学院，北京 101601）

0 前言

对于大跨度浅埋暗挖车站的施工工法主要有：眼镜工法、中洞法、侧洞法、PBA 工法等。PBA 工法以其有效控制地层变形、施工安全度高、施工灵活性强、断面利用率高以及造价低等优点在北京等地区得到了广泛应用。但是该工法由于需要在狭窄导洞内完成一系列的钢筋、立模、浇筑、吊装等操作，并且开挖洞室多，受力情况复杂，作业环境恶劣，因此需要特别关注在施工过程中的监测工作。本文具体针对车站施工阶段地表变形进行研究。

贾世涛[1]以北京地铁蓟门桥站为工程背景,针对PBA 地铁车站穿越各类土层的情况,采用Midas Gts NX 有限元分析软件建立实体模型,模拟施工过程的各阶段,研究过程中引起的地层沉降规律。各种地层下PBA 工法施工过程中引起沉降的最主要步骤均为导洞开挖施工阶段,发生沉降最大的部位在下导洞拱顶处,而剩余各阶段的沉降值在不同地层条件下差异较小。任建喜[2]等以西安黄土地区首个PBA 工法车站为工程背景,对先期小导洞开挖数量及开挖顺序的合理确定进行研究，得到采用"先上后下"开挖顺序不会对上层土体造成二次扰动,六导洞形式可减少地表沉降约20%,四导洞形式可减少地表沉降约15%。王勇[3]等以北京地铁16 号线甘家口站和8 号线三期六营门站为工程依托,使用ABAQUS 有限元软件对两种地质情况下应用PBA 工法修建地铁车站进行数值计算,同时对现场监测数据进行分析。得到在其他条件相同情况下,砂卵石地层中修建地铁车站引起地表沉降值小于粉质黏土地层;不同地层中各阶段沉降占比无较大差异;粉质黏土地层中不同施工阶段沉降速率均大于相同阶段的砂卵石地层。赵文强[4]等以西安地铁6 号线广济街站为研究对象，采用二维有限元数值分析方法，对比分析了三、四和六导洞PBA 工法导洞开挖和扣拱施工后地表沉降及导洞初支位移情况。经过计算比选，四导洞方案工序转换减少，施工难度降低，对差异沉降和周边环境影响控制有利，适合黄土地区暗挖PBA 工法车站。在北京地铁建设规模逐年扩大的背景下，相关学者的研究表明，对PBA 工法施工引起的地表沉降规律进行研究可以为类似工程的设计与施工提供一定的借鉴，具有重要的现实意义。

1 工程及工法概况

北京市某新建地铁车站位于城市市区，采用两层三柱四导洞PBA 工法，主要施工步骤如下：（1）采用台阶法（加临时仰拱）开挖横通道第一层、第二层。在横通道中施工五个主体导洞；（2）待所有的小导洞完全贯通，在两个边导洞内施作围护结构边桩，其余导洞内施作中柱桩基及钢管柱；（3）在边桩上端施作冠梁，钢管柱上端施作顶纵梁；（4）小导管超前预注浆加固地层，开挖主拱土体，施做初期支护，并采用围焊等加强措施。初支封闭成环后，对初期支护背后进行填充注浆。（5）逐段拆除小导洞边墙，铺设防水层，立模浇筑主拱二衬。（6）敷设侧墙防水层,施作中板、中纵梁、上层侧墙。（7）铺设防水层，浇筑底纵梁、底板、下层侧墙。（8）施作内部结构。

2 施工阶段的有限元模型

PBA 工法较为复杂，部分工序在有限元分析中需要进行简化，具体包括超前小导管注浆加固、边桩和钢管柱。

2.1 模拟思路及假定条件

施工过程中，根据实际动态化施工的过程进行简化模拟，分段分步骤施工。土体开挖采用施工阶段程序中的“钝化”命令，对于导洞支护、冠梁和顶纵梁的施工、混凝土回填浇筑等工序，通过“激活”命令模拟。通过对施工不同阶段进行“激活”及“钝化”命令实现网格组和边界组是否参与程序的运行与分析等。建立模型计算中所采用的假定条件如下所示：（1）在对施工阶段进行模拟时，土层是不平整，不均匀的，为了简便计算，在对计算结果影响不大的情况下假定各土层是平整、均匀的。（2）模型计算忽略地下水的影响。（3）自重和地面活载是模型计算考虑载荷。（4）结构材料采用弹性本构关系。

2.2 模型计算范围及边界条件

车站模型结构上覆土层厚度为8.89m，车站整体高度设计为18m，向车站下方取约2.2 倍车站高度40m，模型总高度为70m；模型左右各取导洞外侧50 米处，所建模型长140 米；车站的实际纵向长度为303 米，但由于沿着导洞开挖方向，车站不同断面的施工引起的地表沉降规律相似，综合考虑尺寸效应、开挖工序和模型的计算量，纵向范围取60 米。综上所述，模型尺寸在X 方向、Y 方向、Z方向范围取值分别为140 米，60 米，70 米。模型的边界条件取为：地铁车站的上边界为地表，不施加约束条件；模型左右两侧施加限制其X 方向位移的约束，模型底部施加限制其Z 方向位移的约束，前后限制其Y 方向位移约束。

2.3 材料的本构模型

根据地勘报告，该处主要地层分布分别为粉土、粉细砂和卵石，其中粉土的内摩擦角为25°，黏聚力为12kPa，粉细砂、卵石的内摩擦角和黏聚力分别为25°、40°和0kPa、0kPa。综上所述，在此模型中的粉土、粉细砂、和卵石均选择修正摩尔-库伦本构关系。除此之外，其他结构材料的本构模型均采用各向同性—弹性本构关系。结构及材料的本构模型见表1。

表1 结构及材料的本构模型表

2.4 材料参数

本地铁车站涉及到的地层类型较多且不平整，故在建立模型时对地层进行了简化处理以简便计算。地层土体的基本参数如表2 所示。注浆加固采用在地层实体单元基础上改变材料属性进行模拟，注浆材料的选用、注浆加固及车站结构材料的参数如表3 所示。

表2 地层参数表

表3 车站各结构参数表

3 施工过程变形情况

3.1 主要施工阶段地表沉降

坐标原点选在模型地表中心，以主监测断面为研究对象，记录此断面在地铁车站施工过程中的地表沉降，通过对数据的分析拟合作得地表沉降图如下图1 所示。

图1 主要施工阶段地表沉降

从图1 可以看到，距离车站中轴线距离越近，地表沉降值越大，地表沉降量关于车站中心对称;车站左右侧距离中轴线0～20m 的范围内，地表沉降量变化明显，在车站中轴线20m～40m 的范围内，地表沉降量变化不明显且趋向于0；在各个施工阶段中，导洞开挖阶段和扣拱施工阶段引起的地表沉降数值较大，而桩柱施工阶段引起的地表沉降最小。

3.2 各施工阶段沉降值比例

在沉降阶段，总最大地表沉降量为58.52mm，发生在距离中轴线0m 主体完成施工后。其中小导洞开挖阶段地表沉降量最大，为车站沉降的主要阶段，最大沉降为23.52mm，占沉降阶段总沉降值的40%。故小导洞施工阶段为本工程沉降监测的主要防范阶段。在边桩施工、底中顶纵梁、钢管柱施工的阶段，车站地表最大位移沉降值为4.79mm，占沉降阶段总沉降值的8.2%。在拱顶初支、二衬的扣拱阶段，车站地表最大位移沉降值为18.01mm，占总沉降值的30.8%。主体结构施工阶段导致的地表沉降为12.20mm，占总沉降值的20.8%。各阶段沉降比例如下图2。

图2 各施工阶段沉降值比例

由图二可以得知，在地铁车站的主要施工过程中，导洞开挖阶段和扣拱阶段地表的沉降大约占到总沉降的71%，而边桩中桩施工过程引起的地表沉降只占到总沉降的8%左右。不同施工阶段的地表沉降所占总沉降比例的差异从数据上说明在实际施工时，应当在导洞开挖阶段和扣拱施工阶段加强对地表沉降的监测，可以在这两个阶段进行更密集的监测或增加监测的点位。

4 结论

（1）本文基于有限元软件Midas GTS 对北京市某新建地铁车站采用PBA工法（洞桩法）暗挖的施工过程进行模拟，发现车站各个施工阶段地表沉降值比分别为导洞完成：桩柱施工：扣拱完成：主体完成=5:1:3.9:2.6，最大地表沉降总量为58.52mm。

（2）PBA 工法施工过程中，小导洞开挖阶段和扣拱施工阶段地表沉降量较大，应当在实际工程中在此二阶段加强沉降监测。

（3）地铁车站施工过程中，其地表沉降主要发生在距离车站中线位置左右0～20m 处，且不同施工阶段变化趋势大致相同，在实际工程中，应当对该距离范围内的地表沉降进行重点监测。