摘  要: 结合沈阳地铁车站 PBA 洞桩法施工，采用 MIDAS － GTS 岩土数值分析软件模拟 PBA 洞桩法扣拱施工工艺; 通过对数值模拟结果的分析，研究 PBA 洞桩法扣拱施工时地表沉降的规律和特点，为沈阳地区 PBA 洞桩法施工提供参考．

关键词: PBA 洞桩法; 扣拱施工; 地表沉降; 数值分析

 

      目前，城市地铁建设中，PBA 洞桩法在众多的暗挖工法中以其特殊的优势为人们所关注^［1］，在北京、沈阳等城市复杂工程环境中的地铁车站及区间段修建中得到了广泛的应用^［2］． PBA 洞桩法扣拱施工是关键^{［3 －4］}，本文依据沈阳地铁某车站的 PBA 洞桩法施工实例，针对 PBA 洞桩法施工的上部土体开挖和扣拱施工进行数值模拟研究，分析施工过程中地表沉降的规律和特点，以期对施工人员提供参考．

 

      本工程为二层两跨双连拱结构，采用 PBA 洞桩法逆作施工． 拱顶初期支护采用钢格栅和喷射混凝土，二衬采用模筑钢筋混凝土构成，初支与二衬之间设柔性防水层． 边桩支护采用钻孔灌注桩( φ800@ 1200) 加钢支撑( φ609 ×14) ; 导洞及扣拱顶拱均采用大管棚及小导管注浆超前加固地层的施工辅助措施．

 

      计算模型尺寸大小为: 模型轴向长度 30 m，宽度 60 m，高度 60 m，计算模型如图 1 所示．

      结合工程结构实际情况，计算中有如下的假定:

      ( 1) 假定地表和各土层均成层匀质水平分布．

      ( 2) 材料破坏采用摩尔 － 库伦准则．

      ( 3) 地层和材料应力 － 应变均处在弹塑性范围内，地应力场由重力自动生成．

      ( 4) 根据抗压刚度相等的原则，将钢架的弹性模量折算给喷混凝土．

      ( 5) 小导管和管棚超前支护采用改变围岩参数的等效方法进行考虑．

      ( 6) 钻孔灌注桩围护结构可按抗弯刚度相等的原则，把钻孔灌注桩围护结构折算成一定厚度的地下连续墙．

      ( 7) 参照钻孔灌注桩将钢管混凝土组合柱和天梁通过等效的方法折算成混凝土地下连续墙，并得出折算后的综合弹性模量．

      ( 1) 土层材料参数

      本工程所处地层结构主要组成为: 杂填土、砾砂、圆砾． 各土层分布及参数如表 1 所示．

 

      ( 2) 结构用材料参数

     简化后结构用材料参数如表 2 所示．

      ( 3) 边界约束条件

      竖直方向上按土层自重应力确定，模型四周约束各面的法向位移，底面完全约束，顶面为自由面．

 

      由导洞的开挖到隧道上部土体开挖及扣拱施工，其主要开挖步序见表 3．

      从图 2 可知，边导洞开挖的最大沉降发生在导洞的拱顶部位，边导洞底部出现向上隆起． 当导洞开挖完成时，地表最大沉降值在 2． 6 mm 左右，拱顶最大沉降值接近 13 mm．

 

      从图 3 可知，中导洞开挖的最大沉降发生在下部④导洞的拱顶部位，导洞底部出现向上隆起，最大隆起发生在④导洞底部． 开挖完成时，④导洞拱顶最大沉降值接近 31 mm，②导洞位移与边导洞基本一致; 地表最大沉降位于②、④导洞中线处，其值在 5． 75 mm 左右．

      从图 4 可知，上部土体开挖并扣拱过程中，最大垂直沉降发生在两侧扣拱相应的中线部位，并从地面到拱顶沉降值逐渐增大，地表最大沉降值在14． 5 mm 左右，拱顶沉降值介于15． 72～ 23． 05 mm 之间． 底部发生隆起，边桩对内外部土体有明显的隔离作用，使隆起区域基本局限于下部土体范围内．

      开挖施工阶段地表沉降槽曲线如图 5 所示． 从图中可以看出:

      ( 1) 随着左右两侧①、③导洞的开挖，地表沉降不断加大，地表沉降的范围向两侧导洞上方扩大． 两侧小导洞开挖完毕，沉降槽曲线成两个“弓”形连接状分布，最大值在两侧小导洞正上方，模拟地表沉降累积最大值为 2． 61 mm．

      ( 2) 中部下层④号导洞先开挖，超前②号导洞 8 m． 随着开挖的进行，在车站结构范围内地表沉降值扩大，向②号导洞上方扩展，车站结构外围地表沉降基本不变． 中部上下两导洞开挖完毕，沉降槽曲线基本成“弓”字形分布，最大值在中部导洞上方附近，模拟地表沉降累积最大值为 5． 75 mm．

      ( 3) 导洞开挖沉降槽曲线与普通单个隧道上方土体的沉降不同，先开挖两侧导洞时，地表沉降最大值发生在两侧导洞的正上方附近，开挖中部导洞时，地表沉降最大值向中部导洞上方扩展，逐渐向单个隧道开挖时地表沉降槽曲线形态发展，所以进行施工监测时，重要测点应放在所有开挖导洞正上方地表处位置．

      ( 4) 上层站厅层土体开挖和扣拱初支施工阶段，计算显示地表沉降最大值发生在两侧扣拱中线附近，扣拱初支施工完毕时计算最大沉降累积值 14． 52 mm．

      上述图中三阶段地表沉降位移场分布及沉降槽曲线显示站厅层土体开挖和扣拱初支施工阶段地表沉降增加比较显著，说明浅埋暗挖 PBA 洞桩法施工中扣拱阶段是控制地表沉降的关键．

 

      结合以上三阶段施工过程的分析，得出以下结论，供施工人员参考:

      ( 1) 边导洞和中导洞施工时，最大地表沉降均发生在导洞中线处; 中导洞施工时，下导洞拱顶沉降较大． 小导洞开挖时初期支护应尽快封闭成环，降低地层沉降． 扣拱施工阶段，最大地表沉降发生在扣拱中线处．

      ( 2) 最大地表沉降位置随着三阶段施工顺序不断发生相应的变化，施工中地表沉降监测应按该规律在地表布设测点: 边导洞拱顶 － 中导洞拱顶 － 扣拱拱顶．

      ( 3) 扣拱施工阶段地表沉降值在三阶段中最大，在 PBA 洞桩法施工中对地表沉降起控制作用，应重点对待． 扣拱施工应及时快速，及时封闭，缩短循环周期; 加强扣拱与边墙的交接部位，大弧扣拱的拱脚拱架连接应可靠、有效，确保施工质量． 施工中建议做好超前支护，扣拱初支中格栅拱或钢拱应设置稳固的临时支座或打锁脚锚杆，避免拱脚出现悬空引起拱顶下沉，从而引起过大地表沉降． 同时，严格按照要求施工边桩，保证边桩承载力．

      ( 4) 地表沉降与地层位移具有一定的关联，沉降值从地表沿地层深度逐渐增大，施工中应做好拱顶沉降的监测反馈工作． 对于地表沉降与地层沉降之间的关联应做进一步研究．

 

［1］ 高成雷，罗书学，朱永全． 浅埋暗挖洞桩法的三维有限元模拟分析［J］． 石家庄铁道学院学报，2002，15( 3) : 44 －47．

［2］ 王亮，袁东． 城市地铁车站 PBA 洞桩法施工及地表沉降研究［J］． 赤峰学院学报: 自然科学版，2011，27( 10) : 128 － 130．

［3］ 陈涛，董小龙． 暗挖大型换乘地铁车站施工关键技术及对策［J］． 隧道建设，2007，27( 3) : 71 －74．

［4］ 裘湘波． 城市地下车站工法扣拱施工技术［J］． 山西建筑，2011，37( 7) : 83 －84．