PBA工法暗挖關鍵步序對黃土地區車站地表沉降影響研究

汪 珂，劉奉銀，李儲軍，高小州，崔靖俞

(1.西安理工大學 土木建筑工程學院, 陜西 西安 710048；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，陜西 西安 710043)

地鐵施工過程中產生的過大地表沉降和變形會對地面建筑物以及地下管線的安全造成巨大威脅[1-3]。地鐵暗挖車站幾乎都處在城市密集區，施工難度大，稍有失誤將會造成不可估量的損失[4]。

洞樁法(Pile Beam Arc Method, PBA工法)指的是工程結構中的三個重要組成部分“柱(樁)”、“梁”、“拱”[5]，即由邊樁、中樁(柱)、頂底梁和頂拱共同承擔施工過程的荷載；其主要思想是將蓋挖及分步暗挖法有機結合起來，發揮各自的優勢，在頂蓋的保護下可以逐層向下開挖土體，施作二次襯砌。PBA工法在應對復雜環境時可以采用順作法和逆作法兩種施工方法，最后形成由初期支護與二次襯砌共同作用組合成的永久承載結構體系。

PBA工法相對于其他暗挖施工方法，諸如中洞法、雙側壁導坑法、中隔壁法等常規暗挖方法而言，斷面利用率高，施工更加安全可靠，并且可以大量減少臨時支撐，減少施工浪費[6-14]，其核心思想是在由邊樁+頂拱組成的支護體系代替傳統的支護結構，以保證后期施工有足夠的安全保障，且有效控制地表沉降。

近年來，國內多位學者對PBA工法的施工特點及對地層變形的影響進行了研究，積累了大量的成果。付春青[15]對比了工程實測數據與數值模擬結果，研究了車站結構斷面周邊地層空間不均勻變形；曹力橋等[16]通過三維有限元分析法，研究了大橋樁基附近車站PBA施工對大橋和地表沉降影響規律；吳精義等[17]的研究表明，PBA工法施工的車站，大于相應地表沉降值的發生概率與地表最大沉降值的關系符合正態分布，可藉由降水量大小預測地表沉降量發生概率。

對比地表沉降的結果，導洞的開挖順序的影響不可忽視，李金奎等[18]的研究表明，地表沉降與導洞施工順序密切相關；李儲軍[19]針對黃土地區的PBA工法進行了改進，認為上部四個小導洞，下部兩個大導洞更適用于黃土地區暗挖車站；張振波等[20]的數值模擬研究表明，開挖上層導洞比下層導洞對既有車站結構變形影響更小。

本文依托三維有限元分析軟件ABAQUS，模擬研究不同導洞開挖順序對地表沉降以及導洞初支、車站最終主體結構的應力影響，以期為類似工程提供相應參考。

1 計算模型的建立與參數的確定

1.1 工程概況

西安地鐵8號線共設37座車站，線路全長約49.896 km，均為地下線，其中換乘站18座，最大站間距2.529 km，位于明光路-范家村區間，最小站間距0.790 km，位于電子正街-東儀路區間，平均站間距1.349 km。

西安地鐵8號線某車站主體為雙層三跨聯拱結構斷面形式，擬建場地地形較平坦，地面高程介于492.24 m～497.55 m，地貌單元屬黃土梁洼。車站洞身主要土層屬第四系上更新統和第四系中更新統，圍巖等級為Ⅴ級。車站可采用天然地基，場地類別為Ⅱ類。地下水埋深41.50 m～50.60 m。結構底板埋深約為32.5 m，車站整體位于地下水位以上，上覆土層厚度11.0 m～14.7 m。結構頂板處土層主要為Q3古土壤、Q2老黃土，車站主體處于風積層和殘積層，主要為Q2老黃土和Q2古土壤，圍巖分級均為Ⅴ級，自穩能力差，施工過程中容易發生坍塌，施工時需要及時支護。地層巖性見表1。

表1 地層巖性一覽表

車站雙層段分8個導洞，自上導洞向下施做圍護樁及中柱，并施做頂拱，下層導洞施做條形基礎；之后開挖上層土至中板，施做中板及側墻；然后開挖站廳層，施做站廳層中板及側墻；最后開挖站臺層，施做底板及站臺層側墻，完成開挖。PBA工法施工步序見圖1。

圖1 PBA工法施工步序

1.2 數值模擬

西安地鐵8號線某車站主體為雙層三跨聯拱結構斷面形式，采用8導洞PBA工法開挖。依照彈塑性計算一般影響范圍，模型寬度取為5倍洞徑，約為158 m;模型豎向上至地表、下至2倍洞徑處為78 m，呈對稱分布；模型沿車站軸向取為25 m，模型的各土層均采用摩爾-庫侖本構模型[21-26]。由于車站位于地下水位以上，故不考慮地下水滲流的影響。依據實際工程背景，對擬建車站開挖進行全過程模擬，車站上覆土層12 m，車站高度17 m，模型橫截面寬度158 m，隧道軸線方向取14 m；整個模型實體單元62 609個，241 613個節點，土的本構模型采用摩爾-庫侖模型。在此基礎上對不同工況下的施工情況進行模擬分析，圖2為土層三維數值計算模型，圖3為車站主體結構三維數值計算模型。模型選用的參數主要來源于地質勘察報告及西安地區黃土地層參數，具體地層及支護材料的各力學參數指標如表2、表3所示。

圖2 土層三維數值計算模型

圖3 車站主體結構三維數值計算模型

表2 地層參數表

表3 支護材料參數表

模擬將導洞開挖過程分為6種工況[27-28]，見表4。

表4 各工況開挖順序表

1.3 數值模擬結果分析

根據數值模擬結果，導洞開挖完成時垂直方向沉降量及其云圖如圖4、圖5所示。

(1) 小導洞開挖完成時，通過對各工況下地面沉降情況分析得出：

①工況1—工況3先行開挖上層導洞，在導洞施工完成時產生的沉降較工況4—工況6先開挖下層導洞的施工方法產生的沉降小，上層導洞先行開挖產生的沉降在6.88 mm～8.84 mm，下層導洞先行開挖產生的沉降在13.09 mm～14.76 mm。分析這種現象是因為在先行開挖下層導洞時，下層導洞上方土體因下層的先行開挖受到擾動，使得在開挖上層導洞時對周圍土體產生的沉降變大。

②工況2較工況1在導洞開挖完成時產生的沉降略大，即中部導洞(2、3和6、7)先行開挖較邊部導洞(1、4和5、8)先行開挖產生的沉降要大，這是因為中部導洞距離較近，容易引發群洞效應所致。工況4和工況5情況相似。

③工況3較工況1在導洞開挖完成時，頂部地表產生的沉降要小，工況1在導洞完成時產生沉降為8.42 mm，工況3為6.88 mm。工況1在導洞開挖階段產生的沉降占總沉降的46.97%，工況2為48.28%，工況3最小僅為41.09%。工況3選擇的是先行開挖上層跳挖導洞1、3，錯開導洞開挖，減小導洞開挖時的相互干擾，把導洞開挖對周圍土體的擾動降到最小，這種開挖方案在導洞開挖階段產生的沉降是六種工況中最小的。

經分析，在導洞開挖階段，工況1優于工況2，工況3優于工況1，上層導洞先行開挖優于下層導洞先行開挖，即“先上后下，交錯開挖”的施工方案為最優開挖方案。

圖4 導洞開挖完成時垂直方向沉降量云圖

圖5 導洞開挖完成時各工況地表沉降曲線

(2) 扣拱階段，各工況地面垂直方向沉降量云圖如圖6、圖7所示。均采用先施工中跨后施工邊跨的扣拱順序。

該施工階段對導洞部分初支進行了拆除，對結構受力的整體性有一定的影響，存在受力轉換。

由圖6、圖7分析得出：

圖6 扣拱完成時垂直方向沉降量云圖

圖7 扣拱階段完成時各工況地表沉降曲線

①此階段地表累積沉降較大為工況4—工況6(先行開挖下層導洞)發生在地面中央，沉降值為18.40 mm～18.80 mm；而工況1—工況3(先行開挖上導洞)在該階段累積沉降為13.60 mm～14.68 mm，工況3累積的沉降為最小，累積沉降值為13.60 mm。工況2較工況1在該階段累積的沉降值差異不大，分別為14.27 mm、14.68 mm，這與導洞階段分析規律一致。

②各工況累積沉降值占比為：工況1累積沉降占比79.63%，工況2累積沉降占比80.20%，工況3累積沉降占比81.25%，工況4累積沉降占比88.98%，工況5累積沉降占比82.66%，工況6累積沉降占比83.52%，可以看出，在車站前期開挖施工階段，導洞開挖與扣拱施工占了車站總體沉降的比例較大，各工況累積沉降值占比在79.63%～88.98%。因此，對于PBA工法施工的暗挖地鐵車站，科學合理地安排導洞及扣拱開挖順序是降低地表沉降的重點。

(3) 車站主體結構施工完成時，各工況地面垂直方向沉降量云圖如圖8、圖9所示。

圖8 主體結構施工完成后土層沉降量云圖

圖9 車站主體完成時各工況地表沉降曲線

由以上數據分析得出：

①工況1—工況3(先行開挖上層導洞)在導洞施工完成時產生的沉降較工況4—工況6(先開挖下層導洞)產生的沉降小，上層導洞先行開挖產生的累積沉降值在16.73 mm～18.30 mm，下層導洞先行開挖產生的沉降在18.53 mm～22.42 mm。工況1—工況3(上層導洞先行開挖)產生的累積沉降值較工況4—工況6產生的累積沉降值小，在車站主體完成時產生的累積沉降值最大為18.30 mm，而下層導洞先行開挖的產生的累積沉降值，在車站主體施工完成時最大為22.42 mm，比工況2產生的累積沉降多了4.12 mm，接近占比22.51%。比工況3產生的累積沉降多了5.69 mm，接近占比34.0%。

②工況1較工況2在車站主體完成時產生的累積沉降差異不大，這是由于車站在扣拱完成時，已形成土體在框架結構的“棚戶作用”下受擾動較小，而主體結構拱頂覆土埋深較淺(約12 m)，對土體的卸載回彈作用較為敏感，兩者相互影響，從而該階段的地面沉降較小。

1.4 各工況結構應力分析

考察車站中部結構橫斷面，分析六種開挖方案在導洞開挖完成時初支結構應力以及整體施工完成時結構應力，各工況應力云圖如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11各工況導洞主應力云圖可以看出，導洞開挖施工完成時，導洞初支結構最大主應力以壓應力為主，受導洞土體卸載和初支混凝土澆筑的影響，導洞內初支底部上表面出現拉應力區。下層導洞底部出現的拉應力值較上層導洞初支結構的拉應力值大，在下層大導洞拱頂下表面也出現拉應力區。下層導洞中隔壁與初支結構連接部位出現壓應力集中區，導洞的拱腳以及導洞拱頂也出現壓應力區。由表5知，各工況導洞初支結構拉、壓應力數值相差不大，說明不同開挖順序對導洞初支結構最終受力影響較小。方案五導洞初支出現較大拉應力值為1.38 MPa，導洞初支受到最大壓應力為6.17 MPa，其余開挖方案在導洞開挖階段出現的拉壓應力均小于導洞初支混凝土抗拉、抗壓強度設計標準。

各工況車站結構主應力云圖可以看出，車站主體結構施工完成時，車站整體呈受壓狀態，且在冠梁與扣拱二襯接觸部位、中板與梁搭接處、中柱底部以及側墻與底板交接部位出現壓應力集中區域。由于車站土體開挖卸載，中柱和邊樁承受土層上部傳遞的荷載，車站底部隆起，在側墻與底板交接處出現的壓應力最大，同時在車站底板上表面出現拉應力集中區。通過對比表6中方案一—方案六車站結構拉、壓應力值，車站結構受到最大拉應力為2.54 MPa，車站結構受到最大壓應力為7.83 MPa，小于C35混凝土抗壓強設計值。開挖順序對導洞初支壓應力影響較明顯，車站結構受導洞開挖順序的影響并不大。

圖10 各工況最大主應力云圖(單位：Pa)

表5 各方案導洞初支主應力值

圖11 各工況最小主應力云圖(單位：Pa)

表6 各方案車站結構主應力值

2 結 論

通過對西安地鐵8號線某車站PBA工法小導洞開挖施工方案的數值模擬研究，建立了ABAQUS有限元模型，確定了小導洞的最優施工方案，并得到以下結論。

(1) 上層導洞先行開挖引起的地表沉降小于先行開挖下層導洞。這是由于先行開挖下層導洞對上層土體產生了較大的擾動，引發土體松弛，待開挖的上層導洞處于擾動區以內，故產生了較大的地表和拱頂沉降。

(2) 在選擇先行開挖上層導洞的情況下，選擇跳洞開挖(先行開挖上層1、3或2、4)產生的沉降要略小于先開挖兩邊間或先開挖中間導洞產生的沉降，這是由于中間導洞距離較近，在開挖中間導洞時，周圍的土體擾動較大，造成較大沉降。即工況3先開挖上層導洞并錯洞開挖的方案為最優方案。

(3) PBA工法施工的暗挖地鐵車站，在導洞開挖階段與扣拱完成時累積的沉降量均在80%左右，這兩階段占比較大，應加強對導洞開挖和扣拱施工的沉降監測并控制沉降，及時反饋沉降變化?？茖W合理地安排導洞及扣拱開挖順序是降低地表沉降的重點。

(4) 多導洞PBA工法施工，導洞開挖順序對初支壓應力影響較明顯，車站結構受導洞開挖順序的影響并不大。同層導洞開挖，方案一和方案二受到的拉、壓應力較其他方案偏大，其余各工況車站最終應力值均未超出混凝土抗壓強度設計值。車站在前期施工時應針對應力集中的位置進行必要的加固，減小拉、壓應力，避免車站支護結構出現超出混凝土抗拉、壓強度設計值情況發生。