地铁车站单跨PBA工法扣拱施工风险控制研究

2018-01-26叶新丰任雪峰

铁道标准设计 2018年2期

叶新丰,任雪峰

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,北京 100068)

1 地铁车站单跨PBA应用现状

PBA法是在传统的浅埋暗挖法的基础上结合了盖挖法的特点，利用小导洞和桩技术在对地层小扰动的情况下，在地下构成桩、梁、拱的横向框架支撑体系，在该体系的保护下进行土体开挖，施作内部结构[1-3]。PBA工法自20世纪90年代应用以来日趋成熟，相对同体量的工程而言，PBA工法造价相对较低、施工速度较快、废弃工程量少而被广泛采用[4-5]。北京地铁复八线首次采用PBA工法以来[6]，为了适应不同的建设环境，结构形式逐渐演变。当暗挖车站附近有桥梁桩体等控制因素影响，部分车站采用单跨PBA工法[7-10]，以适应各类工程实际需要，目前在北京及许多城市地下车站施工应用极为广泛。

随着单跨PBA工法的广泛应用，单跨PBA工法的结构形式演变也趋于丰富，从施工顺序来分可分为逆作法和顺做法，即依据在初支扣拱后二衬的施作顺序不同来区分，另外一种分类是通过边桩形式区分，一类是4导洞单跨PBA工法，另外一类是2导洞单跨PBA工法(部分业内人士称之为洞桩法)，区分在于是否施作下层小导洞及边桩条基[11]。通过对近年北京地铁建设工程的统计，目前采用单跨PBA工法的情况汇总见表1。

表1 单跨PBA工法应用情况汇总

通过表1可以看出，近年来北京地铁单跨PBA工法趋势为流行采用4导洞PBA逆作施工，并且单跨PBA工法的最大跨度有所提高。

在地下结构中，拱的跨度增加势必会带来受力增加、施工难度加大、周边环境影响加剧、管理风险上升等一系列安全风险问题，以目前北京地铁PBA工法跨度最大的8号线二期美术馆站为例(2016年8月数据)，从设计、施工角度分析美术馆站由大跨度带来的风险变化及风险控制措施。

2 地铁车站单跨PBA工法应用案例

中国美术馆站是北京地铁8号线二期工程的终点站，位于美术馆东街、王府井大街、五四大街、东四西大街4条街十字交叉路口处，沿美术馆东街-王府井大街南北向布置，车站总长283.5 m，站台交错布置，车站南端PBA暗挖双层段顶板覆土厚度约为8.47 m，底板埋深约24.07 m，开挖净跨14.2 m。车站施工工序按下层小导洞施工，上层小导洞施工，扣拱导洞施工，二衬扣拱施工，站厅站台施工进行。

车站施工范围内的地质情况由上而下依次为:杂填土①层、粉土③2层、中砂细砂④层、卵石圆砾⑤层、粉质黏土⑥层、砾砂⑧层。主要含两层地下水:第一层上层滞水，含水层为杂填土①层、粉土③层，静止水位埋深2.30～9.0 m。第二层潜水，含水层为细砂⑤层，静止水位埋深16.60～18.00 m。为了进一步了解该车站PBA工法在施工过程中的沉降关系，便于采用合理的风险控制措施，进行了数值计算。车站结构剖面和土层分布见图1。结构参数见表2。

图1 结构剖面和土层分布(单位：mm)

超前加固措施初支参数边桩参数二衬参数上半断面深孔注浆,拱部2m小导管C20喷混凝土、ϕ25mm格栅主筋、0.35m厚初支、双层钢筋网片桩径ϕ1.0m,间距1.5m0.8m厚,C40混凝土

3 单跨PBA工法数值计算

采用Midas-GTS有限元软件进行建模，根据研究需要，模型尺寸选定为100 m×10 m×50 m(横向×纵向×竖向)，见图2。土体及注浆加固体采用实体单元模拟，材料满足摩尔-库伦(M-C)准则，初期支护、二衬采用实体单元模拟，材料按线弹性材料处理，模型不考虑地下水对工程影响[12-15]。模型物理力学参数如表3所示。

图2 有限元计算模型

材料厚度/m重度/(kN/m3)弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比杂填土4.617108100.31粉土3.4191217.2280.24细中砂6.419370350.3卵石圆砾6.121500360.21粉质黏土1.9191729140.24砾砂10.022500420.21注浆体1.52512060460.21初支—2522500——0.20二衬—2533500——0.20

依据车站施工产生沉降5个主要阶段[10，16]进行计算，依次为：下层小导洞施工，上层小导洞施工，扣拱导洞施工，二衬扣拱施工，站厅站台施工。

图3 下层小导洞施工完成沉降云图

通过计算分析得出，PBA工法跨中对应地表沉降量：下层小导洞施工阶段为7.7 mm；上层小导洞施工阶段16.1 mm；扣拱导洞施工阶段为16.4 mm；二衬扣拱施工阶段18.1 mm；站厅站台施工阶段0.9 mm。具体见图3～图7。车站完成后沉降总量在59.2 mm，控制在60 mm规范控制值以内，通过数值计算可以得出，车站二衬施工沉降大于各阶段土方开挖沉降，因此需对扣拱施工阶段风险控制加以重视。

图4 上层导洞完成沉降云图

图5 初支扣拱完成沉降云图

图6 二衬扣拱完成沉降云图

图7 车站二衬完成沉降云图

4 现场实测数据与数值计算结果对比分析

根据现场监测情况，选取中国美术馆站拱顶对应地表监测点，监测时程曲线如图8所示，数值计算结果与现场实测数据比对见表4。

图8 地表沉降时程曲线

从数值模拟的各阶段沉降量及趋势来看，整体呈现一致趋势，验证了模型及参数的正确性，以及现场施工与设计的吻合程度。

表4 监测值与数值计算值对比

通过对美术馆站的沉降实测数据分析，单跨PBA工法跨中对应地表沉降量控制在平均58.8 mm，结合时程曲线得出：

(1)初支扣拱及二衬扣拱总沉降达36.2 mm，扣拱阶段占总沉降量的61.6%；

(2)扣拱导洞拆除竖向中隔壁期间，一周内沉降为13.4 mm，平均速率1.91 mm/d，为各概况最大沉降速率，扣拱导洞施工期间，一周内沉降12.3 mm，平均速率1.76 mm/d；

(3)二衬扣拱完成，沉降发生持续时间达1个多月。

通过以上数据分析，可初步判断中国美术馆站单跨PBA工法在扣拱跨度为14.2 m的条件下，二衬扣拱施工风险较导洞施工风险高，为单跨PBA工法施工工序风险管控关键步骤，必须从多方面对该项工序进行技术管控。

5 单跨PBA工法施工关键部位风险控制措施

5.1 设计措施

(1)扣拱竖向中隔壁采用钢筋格栅与型钢格栅间隔设计，依据监测结果确定拆除中隔壁长度及方法，通过留设竖撑加强结构可靠度，降低风险事件的发生概率；

(2)由于扣拱跨度大，节点连接质量尤其关键，扣拱拱脚及节点板采用帮焊方式进行连接，保证连接强度。

5.2 施工措施

(1)施工导洞拆撑步距建议不大于4 m，同时应形成连续的作业条件，避免在拆除临时竖撑后，长时间不进行二衬施工。

(2)在扣拱拆除竖撑阶段，需配合监测同步进行，当监测较多预警，沉降控制趋势未收敛的情况下，拆撑应及时停止，必要时进行支顶。

(3)加强导洞超前地质探查，避免因局部不良地质造成土体及结构失稳。

(4)二衬模板施作前，可留部分导洞初支作为二衬施工模板支撑点，既增加工效，同时保障模板支撑稳定性，降低风险事件的发生概率。

通过设计及施工措施的双重保障，中国美术馆站在施工中风险可控。

6 结语

(1)依据中国美术馆站沉降监测分析，单跨PBA车站扣拱阶段沉降占总沉降61.6%，二衬施工拆除竖向中隔壁阶段周平均沉降速率1.91 mm/d，扣拱导洞施工阶段周平均沉降速率达1.76 mm/d，在当跨度达到一定程度，二衬施工阶段拆除竖向中隔壁的风险将大于导洞开挖风险；数值模拟计算结果同样表明，二衬扣拱施工沉降量为18.1 mm，大于扣拱导洞开挖沉降16.4 mm，因此需重点关注二衬施工阶段风险控制；

(2)通过前期优化设计扣拱竖撑及节点连接进行风险控制，可确保施工阶段降低风险事件的发生概率；

(3)施工二衬前期小导洞拆除过程通过监测情况配合，可确定风险可控的拆撑方案，在严格控制拆撑长度的条件下，可降低风险；

(4)利用扣拱导洞仰拱及部分小导洞侧墙施作二衬可提高模板稳定性，提高拆撑时效，减少初支扣拱因拆撑及二衬施作时间过长的垮塌风险。

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