地铁车站6导洞及8导洞的PBA工法对地层变形比较分析-付波 许洋

付波 许洋

摘要：针对北京地铁八号线三期木樨园桥北站周边构筑物多、管线复杂，

周边交通繁忙，明挖实施受控因素太多，因此采用PBA洞桩法施工。利用适合模拟地下工程开挖全过程的Midas／GTS软件，采用数值计算的方法，结合工程实例，对比PBA工法6导洞和8导洞施工时对地面沉降的影响，从而选择出能有效控制地面沉降，保证周边建构筑物及地下管线等建（构）筑物安全的方案。

关键词：地铁、PBA工法、地面沉降、导洞、扣拱

1、前言

PBA ( Pile Beam Arch)工法又称为洞桩法,是将传统的地面框架结构和暗挖法有机结合。该工法是由北京城建设计研究总院著名的地下工程专家崔志杰等同志发明的修建大型地下空间的方法,获国家专利。在城市地铁日益发展的今天，由于受到地面建构筑物，交通疏解以及地下重要管线等周边环境条件的制约，地下暗挖车站的应用越来越广泛。PBA工法是有效控制地表建构筑物沉降的可靠工法之一。由于其构思是利用小导洞和桩技术，在对地层不产生大的扰动的情况下，在地下提前暗挖好的导洞内施作围护边桩、中柱、底梁和顶梁、拱顶,共同构成桩、梁、拱(PBA)支撑框架体系,承受施工过程中的外部荷载,然后在拱顶和边桩的保护下,逐层向下开挖土体,施作内部结构,最终形成由外层边桩及拱顶初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。它的特点是把成熟的施工方法进行组合,形成一种新的施工方法。

PBA工法根据车站的规模不同，导洞的数量也不尽相同，下面根据北京地区常见的双柱三跨车站，分别采用6导洞及8导洞进行理论分析，其施工步序见图1、图2。

图1 PBA工法6导洞施工步序图

图2 PBA工法8导洞施工步序图

PBA工法的原理是将明挖框架施工工法和暗挖法进行有机结合，即地面不具备施工基坑围护结构条件时，改在地下导洞内先施工结构的桩、梁、拱、柱，首先形成了主受力的空间框架体系，后面的开挖都是在顶盖的保护下进行，支护转换单一，不但安全，而且大大减少了对地面沉降的影响。相对于一般的中洞法、双侧壁导坑法、中隔壁法等常规暗挖工法而言,横剖面近似矩形,断面利用率高,施工安全度较高,可大量减少临时支撑,造价相对较低,工期较短,是一种值得推广的暗挖施工方法。地铁施工对周围土体及地铁结构的内力影响规律研究一般可以采用现场测试、模型试验以及数值模拟等方法。数值模拟方法是采用计算模型模拟多步开挖过程中土体及结构的变形及内力变化,计算中可以考虑土体的非线性性质,简便易行,在参数选择合理时,可以满足一般的精度要求。

Midas／GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件。以下结合具体工程利用Midas／GTS软件，模拟地铁车站6导洞及8导洞PBA工法施工对地层引起的变形进行比较分析。

2、工程概况

北京地铁木樨园桥北站目前正在初步设计中，车站位于永定门外大街与南三环交叉路口北侧，呈南北向布置。路口南侧为南三环，东西向为永定门外大街。车站东北角为北京市服务管理高级技工学校，东南角为京明窗帘布艺广场，西北角为百荣世贸商城，西南角为木樨园公交汽车站，南端附近有一个快速公交站牌。

车站为地下两层岛式车站，采用暗挖法施工，两端接矿山法区间。车站总长214m，标准段宽度为20.9m，呈南北走向。车站有效站台中心里程处拱顶覆土厚度为6.3m，底板埋深约21.8m。

根据车站的实际情况，车站工法确定为PBA工法，采用6导洞或者8导洞进行比选。施工工序如图1、图2所示，即先开挖上下层导洞,在上层导洞中向下施作围护桩并施作顶拱二衬,之后开挖上层站厅层,施作楼板,最后向下开挖至站台层底,最后施作底板,完成主体结构的施工。

为了进一步了解该车站采用6导洞或者8导洞的PBA工法对地层变形的影响，便于选择合理的施工方案及结构设计参数，采用Midas／GTS软件对该2种工法的

施工阶段进行数值模拟分析。

该车站的地质情况如下表所示：

表1 车站土层情况（自地面向下） 深度 压缩模量 重度（天侧压力系（地面为0） Es-100Mpa 然） 数 0~-0.8 -0.8~-2.4 -2.4~-7.5 -7.5~-13.5 -13.5~-15.0 -15.0~-15.5 -15.5~-28.8 -28.8~-30.9 -30.9~-31.4 ＜-31.4 4.5 5 5.67 28 9.81 30 45 13.61 30 50 16.5 17.5 19.6 19.8 19.1 20 20.2 19.8 20.2 20.5 0.5 0.5 0.49 0.41 0.46 0.37 0.27 0.39 0.39 0.25 C (KPa) 0 8 25.4 0 25 0 0 30 0 0 φ (°) 8 10 8.52 28 15 30 40 15 30 45 土质 杂填土① 粉土填土① 3 粉质粘土③ 粉细砂③ 3 粉质粘土④ 粉细砂⑤ 3 卵石⑤ 粉质粘土⑥ 粉细砂⑦ 3 卵石⑦ 3、PBA工法数值模拟 3.1数值模拟

根据拟定的该车站结构尺寸，采用Midas／GTS软件建立下图所示的地层—结构模型，动态模拟两种方案施工的全过程。

图3 PBA工法6导洞计算模型 图4 PBA工法8导洞计算模型

在模型中土层两侧施加水平方向的位移约束,下侧施加竖直方向的位移约束。

3.2计算参数

混凝土初支,按线弹性材料考虑,计算参数为:弹性模量E = 2. 3×104Mpa，密度ρ= 2500Kg/m3；混凝土二衬，按弹性材料考虑计算参数：E = 3.25×104Mpa，密度ρ= 2500Kg/m3；边桩按等效刚度换算为每延米的薄墙厚度为0.732m，E = 3.0×104Mpa，密度ρ= 2500Kg/m3；中柱按等效刚度换算为每延米的薄墙厚度为0.3m，E = 5.6×104Mpa，密度ρ= 3022Kg/m3；岩土介质,采用摩尔-库仑本构关系,计算参数按照表1选取。

3. 3 计算方案

为了较真实的模拟地铁车站的开挖过程,整个计算过程分为10步: ( a)超前注浆小导管加固地层;

( b)开挖导洞，施作格栅喷混凝土支护;

( c)施作底纵梁，下导洞内回填，施作围护桩及中柱； ( d)施作冠梁、顶纵梁；

( e)上导洞内回填及施作拱部洞内初支；

( f)边跨拱部超前注浆加固地层，开挖边跨拱部土体并施作边跨初支； ( g)中跨拱部超前注浆加固地层，开挖中跨拱部土体并施作中跨初支； ( h)拱部二衬扣拱；

( i)开挖站厅层土体并施作侧墙及站厅层楼板; ( j)开挖站台层土体,施作侧墙及底板,完成开挖。

4、计算结果及分析

图5 PBA工法6导洞地层竖向位移云图 图6 PBA工法8导洞地层竖向位移云图

图7 PBA工法6导洞地表沉降曲线

图8 PBA工法8导洞地表沉降曲线

PBA工法6导洞和8导洞在开挖模拟时对地表沉降的影响详见下表 序号 1 2 3 4 施工阶段 下导洞开挖完成 上导洞开挖完成 边桩与顶底梁完成 扣拱完成 地表沉降（mm） 6导洞PBA工法 4.9 28.6 43.2 47.8 8导洞PBA工法 6.0 30.2 47.6 52.6 5、结论

(1)无论是采用PBA工法6导洞还是8导洞地表沉降曲线基本类似，沉降最大值均出现在施工阶段扣拱完成时。

(2) 采用PBA工法6导洞开挖时由于边桩嵌固较深，对两侧起到较好的隔离效果，对周边管线或建构筑物的影响相对采用8导洞开挖时较小。

(3) PBA工法6导洞和8导洞相比，采用6导洞开挖在施工的各个阶段引起的地表沉降均低于采用8导洞开挖，但由于6导洞边桩较长需要采用机械成孔，需要解决在小空间内钻孔机械改造的问题，另如果边桩范围内存在周边建筑物基坑围护结构锚索的障碍物时，6导洞的使用存在一定的困难，因此目前该种工法的实际应用较少。

参考文献：

[ 1 ] 王余良、许景昭. 地铁车站PBA工法施工技术及沉降分析，2009. [ 2 ] 李晓霖. 地铁车站PBA工法的数值模拟研究，2007. [ 3 ] 苏会锋、刘维宁 、彭智勇.北京地铁6号线朝阳门站导洞暗挖施工数值模拟研究，2011. [ 4 ] 朱泽民. 地铁暗挖车站洞桩法（PBA）施工技术，2006. [ 5 ] 史玉鹏. 地铁沈阳站站位PBA工法施工技术，2011.