摘要：在地铁车站PBA 工法施工实例的基础上，采用数值模拟方法分析小导洞施工引起的地表沉降规律以及控制沉降变形的关键工序。通过对比分析模拟结果和实测数据，论证模拟的合理性。同时，对小导洞作业条件危险性做出了评价，总结了施工过程中采取的一系列控制风险的施工措施，以期有效控制地表沉降，保证施工安全。
关 键 词：地铁车站；PBA法；数值模拟；小导洞施工；风险管理
中图分类号：TU47文献识别码：A
1引言
PBA工法是在地面上不具备敞口施工条件时，地下暗挖小导洞内施作围护边桩、中柱、纵梁及顶盖，桩、梁、拱(PBA即为桩Pile、梁Beam、拱Arc三个英文首字母的简称)构成的支撑框架体系承受施工过程的外部荷载，然后在顶拱和边桩的保护下逐层向下开挖土体，施作车站主体的内衬结构，最终形成由外围边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系[1-3]。国内最早是1995年在北京地铁复八线天安门西站使用PBA工法，该车站为两柱双层大跨度车站。由于PBA工法具有施工作业安全、施工引起的地表下沉量和拱顶下沉量小的优点，近几年的地铁工程建设中得到越来越多的应用。
本文是在石家庄地铁某车站工程实践的基础上进行研究的，拟通过数值模拟和监控测量手段给出PBA小导洞施工过程中地表沉降规律和沉降控制关键工序，对小导洞作业条件危险性做出评价，总结施工过程中采取的一系列控制风险的施工措施，以期有效控制地表沉降，保证施工安全。
2 车站基本概况
该站为PBA暗挖车站，站台宽度12m。主体结构为地下两层三跨、拱顶直墙框架结构。车站总长225.7m，标准段宽21.1m，底板埋深约21.9m，盾构井段宽24.8m，底板埋深约23.5m，顶板覆土厚约7.0m。车站设置三座施工竖井，分别与1、2号风道、B出入口结合设置。车站结构断面见图1。
图1 车站结构断面图
Fig. 1 section of station structure
车站主要穿越土层为粉细砂、粉质黏土；结构拱顶覆土约6.4m，上、下小导洞拱顶土层均处于粉细砂层。其中，车站北侧下导洞部分位于中粗砂（含卵石）⑥2层，密实，湿，低压缩性，以中粗砂为主，砂质纯净，分选较好，含少量卵石，最大粒径为100mm，一般粒径为20～70mm，卵石含量约占10～20%，亚圆形，局部含砂质胶结。地下水水位埋深30.3～52.0m（高程18.30～38.55m）。地下水位位于车站底板以下。
3 小导洞施工地表沉降数值模拟
3.1施工工序设置
小导洞开挖根据上下导洞开挖的先后顺序，将施工过程分为四个工序，见表1。
表1 施工工序
Table 1 Construction process
序号施工步序
①下导洞A、D开挖并完成初支
②下导洞B、C开挖并完成初支
③上导洞2、4开挖并完成初支
④上导洞1、3开挖并完成初支
3.2模型及参数
模型的几何尺寸：考虑工程的需要和计算的误差以及有限元离散误差，本数值分析模型选取的计算范围：上取至地面，主体顶板上方覆土厚度平均为8.6m，由于车站沿纵向长度较大，考虑模型的简化，模型纵向厚度40。模型尺寸在X、Y、Z三个方向长度分别为130m、40m、75m。
模型上表面为地表，为自由边界，允许其自由变形；前、后、左、右侧面为相应垂直该面的水平约束。
车站模型周围土体采用实体单元，采用摩尔库伦准则进行计算；小导洞开挖是通过选择小导洞模型，并设置为空单元来实现；超前小导管加固采用开挖前施加壳单元来实现，其模拟参数设置为：弹性模量为10MPa，泊松比0.25，重度25kN／m3。导洞初支是使用材料参数赋值来实现的，使用C20混凝土，其模拟参数设置为：体积模量14.2 GPa，剪切模量10.4 GPa。各土层材料参数依据勘察报告取值。
3.3数值模拟结果分析
表2 各工序沉降累计值
Table 2 accumulative settlement of each process
由表可知，在小导洞施工形成的地表沉降总值中，因下部导洞和上部导洞施工而形成的沉降值分别为43.47%和56.53％。下部导洞的埋藏深度是24.76m，上部导洞的埋藏深度是6.6m。所以，埋藏深度大的下部导洞由于施工产生的围岩松动与应力重新分布对地面的作用程度弱。从表2能够看到，在导洞开挖形成的地表沉降量中，下层中导洞施工形成的地表沉降大于边导洞的沉降量；上层导洞施工中，2、4导洞和1、3导洞的地表沉降量基本相同。
3.4数值模拟和监测数据对比分析
为了清晰对比实际检测数据和数值模拟数据的差异，在计算模型上取与实际监测点位置一样的监测点。在主体结构中心轴线两侧25m范围内，纵向每隔10m设一监测断面，每断面布设11个地表沉降测点。
图3 地表0号监测点实际沉降值和模拟沉降值对比
Fig. 3 Comparison of actual settlement and simulated settlement at monitoring point No. 0
通过对图2，图3分析可以得出以下结论：
（1）从上述地表沉降曲线图中可以得知，地表数值模拟曲线和实际监测曲线规律、形状基本一致。
（2）实际监测地表沉降和数值模拟沉降曲线基本一致，实测数据略比数值模拟值大。在中心里程处横断面的11个监测点中，0号监测点的实际沉降值与数值模拟值最大差值4.9mm。
5 小导洞施工主要风险管控
（1）由于现场环境复杂，根据设计图纸和现场实际情况制定了开挖支护方案，对于关键的施工不许，制定了专项施工方案和风险控制措施，包括小导洞开挖专项施工方案、小导管注浆专项施工方案。
（2）小导洞开挖过程中，确定合理的开挖顺序，坚持先护后挖的原则分台阶开挖，加强初期支护，早封闭成环，控制导洞的沉降和变形。
（3）多个小导洞同时开挖的过程中控制好各个导洞之间的间距，尽量减小群洞效应对地面沉降的影响。实际施工过程中，先开挖下导洞，后开挖上导洞；同层导洞前后错开距离大于8m；上下层导洞同时施工过程中，导洞之间错开2倍导洞洞径且不小于8m，有效地减小了群洞效应的影响。
（4）小导洞采用台阶法预留核心土施工，开挖后及时初喷，封闭掌子面，架设钢格栅，挂网喷射混凝土，紧接着开始下台阶施工，上下台阶间距控制在3~5m，下台阶开挖后及时架设钢格栅和挂网喷射混凝土，及时完成初支封闭。
（5）小导洞施工过程中应加强监控量测，各阶段马头门破除过程中，加密监测频率和调整预警值。
6 结论
（1）由于小导洞开挖而引起的地表沉降，在小导洞正上方中心点附近区域最大，远离小导洞中心线后，不断减小。
（2）上部导洞施工引起的围岩松动及应力重分布会直接对地面产生作用，从而导致上部导洞施工时形成的地表沉降值比下层大。该阶段是控制地表沉降的关键过程。
（3）下层中导洞施工形成的地表沉降大于边导洞的沉降量；上层导洞施工中，2、4导洞和1、3导洞引起的地表沉降量基本相同。
（4）小导洞施工属于工程自身的重大风险，施工中应进行严格管控。
参考文献：
[1]朱泽民.地铁暗挖车站洞桩法(PBA)施工技术[J].隧道建设,2006(05):
63-65+100.
[2]高成雷.浅埋暗挖PBA工法应用理论研究[D].成都.西南交通大学，2002.
[3]陈俊,吴顺川.PBA工法施工在北京地铁中的应用[J].山西建筑，2007,33(3);272-273.
论文作者:陈栋梁
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/5
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