南京地铁建设有限责任公司 南京 210096
1概述
南京地铁四号线一期工程某车站作为四号线一期工程的第4座车站，周边环境控制因素主要有省级文物、运营中既有一号线及市政隧道。由于规划线网调整，四号线与一号线换乘、轨行区穿越利用负二层规划市政隧道，该线位方案需采用暗挖方式上跨市政公路隧道和下穿省级文物保护区，建设难度和工程风险较大。
初步设计该站1-6轴之间30.7m为暗挖大跨度断面，暗挖段采用中洞法施工，大断面开挖高度11.371m，开挖宽度23.4m，大断面侧洞为直墙，高度达6.6m之高，且大断面暗挖隧道下穿省级文物，结构覆土5.4～10.8m，水平距离仅7.3m，施工风险极高。
2工法比选
2.1 PBA工法沿革
PBA工法（洞桩法）是在浅埋暗挖法的基础上创新吸收盖挖法的技术成果形成的新工法，由我国在1992年首次提出并最早在1997年于北京地铁十号线东单站应用，地表沉降为15mm。
PBA发展迅速，结构断面形式可为单跨多层、双连拱或多连拱。工程案例表明洞桩法能有效控制地面沉降，适用于暗挖且结构位于水位以下，不能长期降水的条件；下导洞开挖地表沉降较大，占施工总沉降的50%，大跨施工时虽然跨度较大且结构扁平，但沉降较小；初支拱部位移及内力的最大值发生在早期工况（即拱部开挖阶段），上部荷载主要有初支拱承担，此时初支拱处于最不利状态；灌注桩作为PBA工法的重要受力构件能有效隔离洞室开挖对邻近建（构）筑物的影响。
2.2 CRD工法与PBA工法
中洞法一般采用CRD工法施工，断面较小，无法采用机械破碎、人工开挖方法施工，采用松动爆破法施工。CRD工法实践经验表明该工法开挖分块合理，工法成熟，步序简洁，按照“小分块、短台阶、早成环、环套环”的原则，稳扎稳打，步步为营，施工安全度也较高，地面沉降及影响范围相对较小，施工速度快。
采用CRD工法施工，拱顶轴力和弯矩不断变化，同时CRD工法施工组织复杂，需合理的控制开挖时间间隔以避免各步序互相干扰，且应力集中区较多，传力途径不明确，临时初支拆除导致主洞初期支护轴力和弯矩激增，十分不利于支护结构及土层的稳定。CRD工法根据新奥法支护原理采用柔性支护，因而允许地层有一定量的变形，实际施工亦证明在软弱地层中这种变形比较大。CRD工法的技术特点是分层分部施工，在施工二次衬砌时需逐步拆除临时支护，每施工一部，支护结构受力都有一次转换，导致一次沉降，总沉降量为每部沉降的叠加。整个CRD工法施工过程中特征节点表现为多次沉降。
而PBA工法在站体开挖之前预先利用小导洞施工钻孔灌注桩，这样就先对两侧的土体进行了围护，钻孔灌注桩由于嵌入结构底板以下，具有足够的强度和刚度，再加上及时施作的站厅板和钢筋砼冠梁，对两侧土体侧压力的抵抗比采用CRD工法的钢格栅加喷砼的支撑结构要强得多。同时由于桩、梁、拱的整体受力体系先期形成，传力途径明确，拱顶轴力和弯矩在中期达到稳定，避免了CRD工法的多次扰动，大大减少了对地层沉降的影响，最终拱顶特征单元轴力及弯矩值均小于PBA工法。
研究表明，CRD工法地表及拱顶沉降均大于PBA工法，后者地表沉降和拱顶沉降约为前者的60%左右，差值十分显著。PBA工法在软弱围岩条件下（Ⅵ级）具有支护形式合理、沉降小、施工安全度高的明显优势。结合工程实践经验可得，PBA工法适用于地层参数较差，尤其是在土质围岩中进行洞室开挖的情况，此时该工法较其他施工方法具有开挖扰动小、能严格控制沉降的优势，该工法的经济效益亦得到充分体现。
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2.3暗挖主体段工法变更
经建设、设计、施工、监理等单位讨论，认为原定设计方案主要有如下几点不能满足工程建设要求：
1.沉降控制与环境保护：分块开挖支护造成土体多次扰动，断面较大，开挖暴露时间长，不利于快速封闭成环和整体沉降控制。衬砌过程中需拆除临时支撑，导致发生二次沉降。此对周边管线、城市交通主干道和重要建构筑物都有较大不利影响。
2.工期控制：临近省级文物鼓楼，不宜进行长周期大规模爆破作业，中洞法方案允许机械开挖的空间不足，土石方开挖这一环节工效较低，且各洞必须前后错开一定距离开挖，施工周期较长。影响整体工期（该站同时作为铺轨基地，暗挖段影响向小里程方向铺轨作业）。
针对中洞法以上问题，车站暗挖段改采用PBA工法（洞柱法）施工，PBA工法为单层三跨三连拱结构，采用逆作法施工，顶拱由钢格栅＋喷射混凝土的初期支护和模筑钢筋混凝土的二次衬砌构成，初支与二衬之间设柔性防水层；基坑采用人工挖孔灌注桩加钢支撑支护，此桩兼做承载力桩基，承受暗挖逆筑法顶拱脚竖向压力；导洞及主体顶拱初期支护采用大管棚及小导管注浆超前加固地层等施工辅助措施。
3 PBA工法建议
结合此站工程实际及国内工程实例、科研成果，建议在如下方面对PBA工法进行深入研究并融入工程设计方案和过程管控。
3.1根据南京实际开展中导洞尺寸优化分析
PBA工法首先要开挖导洞，为竖向支撑体系的施工提供施工作业面，其结构形式、尺寸与边桩、中柱施工密切相关。PBA工法导洞形状一般为拱顶直墙形式。
如果导洞过小会造成施工不便，甚至难以施工，设计时除应充分考虑边桩、中柱的开挖、运输、吊装等施工方法及施工机械对导洞净空的要求外，同时还应考虑顶（底）纵梁的钢筋绑扎及混凝土浇筑；导洞过大，不仅会引起初支的变形过大，从而侵入二衬范围，造成二衬厚度减少，给二衬的永久受力构成安全隐患。
国内同行通过对北京地区PBA工法实例的数值模拟分析，发现若加大导洞尺寸，一是所引起的地面沉降和影响范围会随之扩大，二是导洞初支与拱部初支所承受的弯曲应力加大，引发施工安全隐患；三是建议北京地区最大导洞的跨度不宜超过5m，以4m为最佳。
3.2科学组织施工导洞、扣供施工开挖顺序
在洞桩法中，导洞开挖阶段是洞桩法施工地铁车站的重要阶段，通过以往有关学者对监测数据和理论的分析可知，一般情况下导洞开挖阶段引起的地表沉降值能占到施工完成时地表沉降值的较大部分，因此，为了减小由于导洞开挖阶段引起的群洞效应和地层沉降，确保周围建筑物、管线与道路的安全，在洞桩法施工中选择合理的导洞开挖顺序，减小地层变形显得尤为重要。
用PBA工法施工大跨度的地铁车站，常见设计方案为单柱双跨的结构形式和双柱三跨的结构形式。此站为双柱三跨车站，然会面临扣拱施工顺序的选择问题，特别是在扣拱施工尤其是二衬扣拱施工时，必须要处理好施工过程中的力学转换及平衡问题和防止桩柱梁的变形及失稳的问题；PBA工法施工通常采用逆作法施作.二衬结构很大程度上会承受开挖释放的应力，所以对二衬进行应力分析也尤其重要。
国内科研针对中跨与边跨跨度比较、中跨与边跨扣供先后顺序进行数值模拟分析，发现中跨跨度小于边跨跨度时，同时，“先中后边”产生的最大主拉应力值要大于“先边后中”的最大主拉应力值，中柱柱顶的位移最大值均发生在中跨二衬扣拱阶段，并且初支扣拱时对中柱柱顶的影响均较小；而“先中后边”中柱柱顶位移最大值与稳定阶段时的位移值均大于“先边后中”。这对于PBA工法施工来说更为关键，故“先边后中”对控制中柱的位移较为合理。此站案例中暗挖三连拱设计为边跨跨度（6600mm）大于中跨跨度（5800mm），扣供顺序为先边后中。
4总结建议
PBA工法（洞桩法）是在浅埋暗挖法的基础上创新吸收盖挖法的技术成果形成的新工法，由我国在1992年首次提出并最早在1997年于北京地铁十号线东单站应用。此站在南京地铁建设历程中首次采用PBA工法施工暗挖三连拱结构，针对地层情况、周边建构筑物保护要求合理设计方案，最终有效控制地面沉降及文物变形、降低工序转换风险。
论文作者:乐晨
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/16
标签：工法论文; 结构论文; 拱顶论文; 断面论文; 地层论文; 跨度论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第30期论文;