不同地層條件下PBA工法中導洞開挖順序的優化

【摘要】PBA工法中導洞開挖階段引起的地表沉降能占到施工地表總沉降的五成以上，同時不同地層條件下引起的地表沉降略有不同。因此，在不同地層條件下合理的確定導洞的開挖順序顯得尤為重要。以北京地鐵達官營站、朝陽門站、東大橋站為典型案例，應用三維有限差分方法（FLAC3D）研究了在不同地層條件下導洞開挖順序下地表沉降變化規律。研究結果表明：在上下導洞均處于卵石層時，先開挖下層導洞產生的地表豎向位移值較小；當上導洞處于砂層，下導洞處于卵石層時，先開挖下層導洞產生的地表豎向位移值較大；在上下導洞均處于黏性土層中，先開挖下部導洞時產生的地表豎向位移值較大。研究的內容將對以后的PBA工法施工具有參考意義。

【關鍵詞】地鐵； 洞樁法； 導洞； 地層； FLAC3D

【中圖分類號】U455.41+1A

0 引言

目前，PBA工法（Pile-Beam-Arch Method）是修建地鐵車站最常用的方法之一。PBA工法的基本原理是在提前施作好的小導洞內施作邊樁、梁與柱，然后共同構成樁、梁、拱的橫向框架空間支撐體系，并在該體系的保護下進行土方開挖，繼而施作內部結構［1-3］。

在洞樁法中，通過以往學者［4-8］對監測數據和理論的分析可以看出，導洞開挖階段是洞樁法施工地鐵車站的重要階段，一般情況下導洞開挖階段引起的地表沉降值能占到施工完成時地表沉降值的較大部分，因此，為了減小由于導洞開挖階段引起的群洞效應和地層沉降，確保周圍建筑物、管線與道路的安全，在PBA工法中的導洞的施工中選擇合理的開挖方案，將對PBA工法的應用起到極大的促進作用。

依托于北京地鐵6號線朝陽門站、東大橋站及7號線達官營站，依托車站結構形式均為雙層三跨的結構斷面形式，車站主體結構均采用PBA工法施工，為8導洞結構形式。按照上下導洞所處的地層條件的不同進行分類研究導洞開挖順序的優化，分類結果如表1所示。

1 計算模型與施工方案的建立

1.1 施工方案的確定

PBA工法中導洞開挖順序從水平方向上可以分為“先邊后中”“先中后邊”與”交叉開挖”；從地鐵車站垂直方向上有“先上后下”和“先下后上”兩種方式。結合施工經驗，本文將對四種開挖順序的進行研究對比。

方案1：先上后下，先邊后中，1-2-3-4-5-6-7-8；

方案2：先下后上，先邊后中，5-6-7-8-1-2-3-4；

方案3：先上后下，先中后邊，3-4-1-2-7-8-5-6；

方案4：先上后下，交叉開挖，1-4-2-3-5-8-6-7。

其中，方案1與方案2做對比，研究在不同地層條件下先上后下與先下后上兩種施工工況下的沉降影響分析；方案1、方案3與方案4作對比，研究在不同地層條件下先邊后中、先中后邊及交叉開挖三種施工工況下的沉降影響分析（圖1）。

1.2 數值模型建立與計算參數選取

數值模擬計算中采用的基本假定與簡化如下：

（1）土體模型破壞準則使用M-C破壞準則，導洞、扣拱初支和縱梁、鋼管柱及側墻中板等使用彈性模型。

（2）假定地表水平和每層土層均勻分布，不考慮地下水的影響。

（3）超前小導管注漿加固主要是提高開挖前小導洞周圍土層的抵抗變形能力，阻止在開挖時導洞周圍土體的體積變形。在模擬計算中通常考慮其等效影響，即對導洞外圍土體的材料性質進行提高，并在本文中，導洞的注漿厚度等效為1 m的加固層。

（4）初期支護的模擬根據等效剛度法［9-10］，即將鋼格柵和噴射混凝土的總剛度等效為混凝土的強度。

（5）而在數值計算中，考慮到導洞開挖斷面較小，在此均采用全斷面法開挖，循環進尺為1 m。

（6）模型中主要考慮地層壓力和車站上方地表活載。不考慮土體構造應力的影響，只考慮由自重產生的初始應力，車站上方活載通過在模型上表面施加20 kPa的豎直向下的地面超載方法實現；模型上表面取自地表，且不施加約束；下表面距結構底板下50 m，且完全約束；同時考慮到施工過程中產生的空間效應影響，故模型縱向長度取為30 m，且限制兩邊邊界的縱向水平位移；寬度上每邊各取結構寬度的3倍，且限制兩邊邊界的橫向水平位移；車站模型見圖2；模型參數見表2。其中為避免邊界條件對車站模型的影響，故以下分析選取車站Y方向15 m處作為研究斷面。

2 計算結果與分析

2.1 上下導洞均處于卵石層時地層沉降分析

對上下導洞均處于卵石層的達官營站進行四種施工豎向方案的模擬計算研究，結果統計如表3、圖3所示。

由表3可知，先下后上的開挖次序下產生的地表豎向位移值為17.01 mm，而先上后下開挖次序下引起的地表豎向位移值為17.88 mm，故而先下后上的開挖次序下相應的豎向位移值稍小于先上后下時相應的豎向位移值。故先下后上的先后次序更為有利。

先邊后中的開挖次序下得到的地表豎向位移值為17.88 mm，先中后邊的開挖次序下產生的地表豎向位移值為14.75 mm，而交叉開挖的開挖次序下引起的地表豎向位移值為16.54 mm，由此可知，先中后邊的開挖次序下相應的地表豎向位移值要小于交叉開挖時相應的地表豎向位移值，且先邊后中的開挖次序下產生的豎向位移最大。故先中后邊的先后次序最為合理。

2.2 上導洞處于砂層，下導洞處于卵石層時地層沉降分析

對上導洞處于砂層，下導洞處于卵石層的朝陽門站進行四種施工豎向方案的模擬計算研究，結果統計見表4。

由表4和圖4可知，先下后上的先后次序下產生的地表豎向位移值為59.43 mm，先上后下的先后次序下產生的地表豎向位移值為52.59 mm，故先下后上的開挖次序下產生的地表豎向位移值累計效應比先上后下的開挖次序下引起的更顯著，故向上后下的先后次序最為合理。

先邊后中的先后次序下引起的地表豎向位移值為52.59 mm，先中后邊的先后次序下引起的地表豎向位移值為61.61 mm，而交叉開挖的先后次序下引起的地表豎向位移值為53.81 mm，因此，先邊后中的先后次序下引起的地表豎向位移值要小于先邊后中時引起的地表豎向位移，且交叉開挖的先后次序下引起的豎向位移介乎上兩種順序之間。故先邊后中的先后次序最為合理。

2.3 上下導洞均處于黏性土層中時地層沉降分析

對上下導洞均處于黏性土層中的東大橋站進行四種施工豎向方案的模擬計算研究，結果統計如表5和圖5所示。

由表5可知，先下后上的先后次序下產生的地表豎向位移值為77.79 mm，先上后下的先后次序下產生的地表豎向位移值為67.14 mm，故先下后上的先后次序下產生的地表豎向位移值相互疊加效應比先上后下的先后次序下更顯著，故先上后下的先后次序最為合理。

先邊后中的先后次序下產生的的地表豎向位移值為67.14 mm，先中后邊的先后次序下得到的地表豎向位移值為75.29 mm，而交叉開挖的先后次序下引起的地表豎向位移值為68.69 mm，由此可知，先邊后中的先后次序下引起的地表豎向位移值要小于先邊后中時引起的地表豎向位移值，且交叉開挖的先后次序下引起的豎向位移介乎兩種順序之間。故先邊后中的先后次序最為合理。

3 結論

本文以北京地鐵達官營站、朝陽門站、東大橋站為例，分析研究了不同地層條件下PBA工法中導洞開挖順序的陳建規律，得出幾點結論與建議，以期該研究結果對PBA工法中導洞施工順序的選取提供理論基礎：

（1）在上下導洞均處于卵石層時，先開挖下層導洞產生的地表豎向位移值相對于先開挖上層導洞稍大；而先邊后中的先后次序和交叉開挖的先后次序得到的地表豎向位移值大于先中后邊先后次序時相應的值。故考慮到諸多因素建議，建議在上下導洞均處于卵石土層中，先后次序為“先下后上，先中后邊”。

（2）當上導洞處于砂層，下導洞處于卵石層時，先開挖下層導洞產生的地表豎向位移值均大于先開挖上層導洞時所產生的豎向位移值。綜合各個因素考慮，建議當上導洞處于砂層，下導洞處于卵石層時，采用的先后次序為“先上后下，先邊后中”。

（3）在上下導洞均處于黏性土層中，先開挖下部導洞時產生的地表豎向位移值相互疊加效應大于先開挖上部導洞時的影響；先開挖中間導洞產生的地表豎向位移值最大。考慮到諸多因素，建議在上下導洞均處于黏性土層中，先后次序為“先上后下，先邊后中”。

對于導洞的先后次序而言，PBA工法中導洞的先后次序與土層性質有密切的關系，然而在實際工程中，應綜合考慮各種因素的影響，例如，在目前導洞的先后次序上，如果有地下水的標高超過了下導洞的設計高度時，常常為了考慮施工工期等的影響，會先選擇先上導洞的開挖方式，這樣也就節約了施工工期。故在實際施工的工程中，在本文得出的結論下，還應考慮其他有影響的因素，從而選擇最佳的導洞先后次序。

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