李储军

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室,西安 710043)

引言

PBA(pile-beam-arch，桩-梁-拱)工法有效结合了浅埋暗挖法与盖挖法的施工理念，在地铁暗挖车站工程中得到广泛应用[1-7]。它是一种在地下同步或分步开挖多个小导洞，在小导洞中施作底梁、边桩、中柱、顶拱等，形成梁、板、柱、拱等空间支撑体系，在该支撑体系保护下挖土施作中板、中柱和边墙等结构物，形成站厅、站台层的地铁车站暗挖法施工工法。

目前国内地铁车站应用PBA工法研究主要集中在导洞开挖顺序对地表沉降以及对邻近建筑物的影响方面。姚君华等[8]依托北京地铁暗挖站工程，采用数值模拟方法开展了8导洞开挖工法、不同开挖顺序对地表沉降影响的研究，提出采用跳跃开挖的方法能有效控制地表沉降。王杨等[9]以北京地铁7号线磁器口站为依托，对小导洞开挖工序进行了数值模拟，结果表明：先跳作上层导洞对于控制地表沉降效果显著。李皓等[10]采用现场监测手段，对PBA工法不同开挖顺序的数值模拟结果进行了验证。徐凌等[11]研究了导洞尺寸对初支及地面沉降力学行为的影响。齐晓明[12]针对PBA工法的导洞开挖技术、导洞钻孔桩技术、主体结构以及扣拱技术等关键技术进行了研究。韦京等[13]采用数值模拟和层次权重决策分析法，进行了北京地铁7号线花园桥站导洞施工的方案优化研究。台启民等[14]研究了PBA侧穿既有建筑物沉降影响及沉降控制措施的效果。曾恕辉等[15]依托北京地铁朝阳公园站，开展了考虑流固耦合效应的PBA工法导洞开挖顺序对地层位移场的数值分析研究。张海明等[16]对PBA双层导洞施工的地表沉降影响规律进行了研究。刘加柱等[17]对洞桩法施工的地层位移变化、塑性区分布及重要围护结构受力进行了研究。叶新丰等[18]依托北京地铁中国美术馆站开展了地铁车站单跨PBA工法扣拱施工风险控制研究。

上述研究成果主要是针对北京地区开展的PBA传统开挖工法的研究。以西安、兰州、太原等城市为代表的黄土地层暗挖地铁车站与砂卵石及岩质地层不同，黄土地层存在地基承载力偏低、软黄土侧压力系数大的问题。针对黄土地层地基承载力偏低问题，郭亮[19]通过计算认为传统的8导洞PBA工法在施工过程中存在地基承载力不足的临时工况，为此进行地基处理必将增加额外投资，且小导洞内施工空间狭小，地基处理难度大，效果不易保证。车站下导洞内浇筑的底板面积较小，相当于条形基础，难以承受暗挖车站上部荷载，易造成地基失稳，进而对周边建(构)筑物造成影响[20]。

PBA工法在黄土地层中应用需要解决黄土地基承载力弱及软黄土侧压力大两个难题，如果不进行针对性的工法改进，可能导致整体沉降与侧墙变形过大、洞室整体稳定性下降等风险；因此，如何对传统PBA工法进行改进，提高施工过程中侧壁的稳定性及地基的承载力，使其完全适用黄土地层暗挖车站的修建，成为亟待解决的技术问题。

以西安地铁在建暗挖车站设计首次采用的三拱双柱PBA工法为依托。基于对黄土地基承载力的分析，并考虑洞身软黄土的影响，对其进行了适应性改进(1)从提高地基承载力、控制沉降角度出发，上部4个小导洞保持不变，下部将4个小导洞优化为两个大导坑，使得原先四导洞形成的条形基础转变为筏板基础，保证施工过程地基承载力满足要求；(2)从控制侧壁变形、保证洞室稳定角度出发，在车站扣拱形成向下开挖过程中，考虑架设侧壁横撑，以有效提高侧壁稳定性。

利用大型数值仿真模拟软件进行分析计算，模型建立了车站的顶纵梁、冠梁、顶拱、桩底拉梁等结构，模型共约24.5万个网格，212个施工步，精细的还原了车站修建的每一道施工工序，通过计算得出地表沉降值及结构变形值，工法断面及车站结构二维模型见图1。探究该改进工法在黄土地层中的应用效果，有利于PBA工法在黄土地层暗挖车站中推广应用奠定理论基础。

图1 车站主体结构二维模型

1 工程概况

1.1 车站概况

以西安地铁在建三拱双柱暗挖岛式车站为依托，车站主体结构标准段宽22.3 m，拱顶覆土厚度约14 m，轨面埋深约24 m，结构底板埋深约26 m。对传统PBA工法进行改进：上部四小导洞均采用台阶法开挖，下部两大导坑采用双侧壁导坑法开挖。格栅间距0.5 m，开挖前均采用小导管注浆超前支护，小导管直径42 mm，壁厚3.5 mm，长度3.0 m，纵向间距1 m，注水泥浆加固。主体初期支护设计参数见表1，支护结构物理力学参数见表2。

表1 车站主体初期支护参数

表2 车站主体结构物理力学参数

1.2 围岩概况

拟建场地地形平坦，地面高程介于492.24～497.55 m，地貌单元属黄土梁洼。主要地层特征自上而下分为：人工填土由粉质黏土与砖瓦碎片组成，结构杂乱，土质不均。水上新黄土于填土底面至地下水位以上，可塑，虫孔及大孔隙发育，具有湿陷性。水下黄土土质均匀，可塑，含少量蜗牛壳碎片，不具湿陷性，属中压缩性土。饱和软黄土土质均匀，软塑～流塑状态，钻探过程中有缩孔现象，局部具高压缩性。古土壤具针孔状孔隙，含钙质条纹及钙质结核，硬塑状态，属中压缩性土。老黄土(水下)(软)土质均匀，含少量蜗牛壳碎片，可塑～软塑状态，钻探过程中有缩孔现象，属中压缩性土。

为更好研究PBA工法对黄土地层的适用性，软黄土地层的不利影响需充分考虑，因此将车站结构置于3-1-3、3-2、4-1-3地层中，除古土壤外其余两层均为软黄土，尤其是3-1-3饱和软黄土具有压缩性高、侧压力系数大的显著特点。土层物理力学参数见表3。

表3 土层物理力学参数

1.3 开挖工序

PBA工法工序繁多，此处分为6个阶段对改进工法进行介绍。

第1阶段：超前小导管注浆加固地层，并开挖下部两个大导坑。

第2阶段：在下部大导坑内施作底纵梁及底板。

第3阶段：开挖支护上方4个小导洞，自上而下施作边桩及桩顶冠梁，随后施作中间钢管桩，并与底纵梁连接。

2、3阶段分两种工况：上述工序为工况1，工况2—先开挖下导坑，然后进行上导洞开挖，继而打设边桩及钢管桩并浇筑底板。

第4阶段：上方进行扣拱初支施工，连接上方4个导洞，并浇筑扣拱二衬。

第5阶段：向下开挖，施作站厅层侧墙及中板结构，由于开挖跨度较大，分两种工况：开挖设置横撑(工况A：设置横撑，改善水平方向受力)、开挖不设置横撑(工况B：不设置横撑，节省工期)。

第6阶段：向下开挖土体，破除下导洞初期支护，开挖至设计高程，施作剩余底板及内部结构。

图2 施工工艺步骤

2 数值模拟计算

2.1 模型概况

根据上述开挖工序及工况设置，通过计算分析回答两个问题:(1)是否需要提前施做下导坑内底板结构，以提高地基承载力、减小地层沉降？(2)洞身存在软黄土时，是否需要在车站整体向下开挖的过程中设置横撑，以减少侧壁变形、提高洞室整体稳定性？上述问题既关系到洞室结构稳定与周边环境安全，又与工程进度及造价密切相关。对此建立二维模型，探究不同施工步序下结构的稳定性。工况设置如下：1-A:有横撑底板先成环；1-B:无横撑底板先成环；2-A:有横撑底板后成环；2-B:无横撑底板后成环。横向比较寻求最佳的施工步序，对最佳的施工步序，进行三维建模，探究改进PBA车站修建工法在黄土地层中的适用性。模型中土层选用修正莫尔-库伦本构平面应变单元；二次衬砌及注浆加固区域采用弹性本构平面应变单元；地下车站结构墙体，楼板，结构的梁、柱采用梁单元模拟，弹性本构；锚杆采用植入式桁架单元模拟，弹性本构。边界采用固定端约束，施加重力荷载。

依托MADIS-GTS有限元软件计算平台，考虑边界效应的影响，根据圣维南原理，模型计算选取范围为80 m(长)×30 m(宽)×60 m(高)，整体三维计算模型如图3、图4所示。

图3 车站主体结构模型

图4 整体三维模型(单位：m)

模型中土层选用修正莫尔-库伦弹塑性本构模型，单元类型为六面体单元；二次衬砌及注浆加固区域采用实体单元弹性本构；地下车站结构墙体，楼板，采用板单元模拟，弹性本构；结构的梁、柱采用梁单元模拟，弹性本构；锚杆采用植入式桁架单元模拟，弹性本构。边界采用固定端约束，施加重力荷载。模型参数以及施工步骤同表2、表3，施工步骤同实际工程开挖工序，共212步。车站结构较为复杂，模型按照实际工程1∶1建造出了车站的各个结构。最终三维模型单元数量约24.5万个，通过计算机工作站运算240多个小时，得出了完整的施工阶段模拟结果。

2.2 地表及车站结构变形控制标准

地表沉降与车站支护结构变形值控制标准参照《城市轨道交通工程监测技术规范》[21]，结合黄土地区暗挖修建经验，暗挖车站地表沉降、支护结构变形监测项目控制值分别如表4、表5所示。

表4 暗挖车站地表沉降监测项目控制值

表5 暗挖车站支护结构变形监测项目控制值

3 数值模拟结果分析

3.1 二维平面应变单元模拟结果分析

3.1.1 整体沉降分析

二维平面应变单元，由于其运算速度快，方便对模型进行多次修改对比计算，因此初始分析中，常采用二维平面应变单元对不同施工方案进行对比分析。

为了探究是否需要提前将下导坑封闭成环，在车站向下开挖的时候是否需要设置横撑提高结构的稳定性，设置了4个工况进行对比分析。本节所用的结构物变形值为结构单元最终变形值减去结构物施作之前的变形值。

运算最终结果见图5，通过对比云图5(a)、图5(b)可知：在加横撑先成环的情况下，地表沉降值最大为54 mm，拱顶沉降最大值为16.9 mm，底板隆起最大值为9.3 mm，均符合变形要求。在加横撑后成环的情况下，地表沉降值最大为66.1 mm，拱顶沉降最大值为27.2 mm，底板隆起最大值为18.7 mm，地表沉降值、底板隆起值超出变形要求。无横撑底板先成环的工况下，地表沉降值最大为104.3 mm，拱顶沉降最大值为35.5 mm，底板隆起最大值为24.6 mm，均不符合变形要求，拱顶沉降值超限较大。无横撑底板后成环的工况下，同样均不符合变形要求。仅有加横撑底板先成环的工况满足结构的变形要求。通过对比云图图5(a)、图5(b)可知：在加横撑的工况下，先成环工况地表沉降值为后成环工况的81.8%。在不加横撑的情况下，先成环工况地表沉降值为后成环工况的91.8%。在先成环的工况下，加横撑工况地表沉降值仅为不加横撑工况的51.8%；在后成环的工况下，地表沉降加横撑工况仅为不加横撑工况的58.2%。分析可知：洞身处于软黄土地层时，车站整体开挖过程中施加横撑对于侧壁稳定及控制地表沉降具有重要的意义。下部开挖先成环，对于整个施工过程的稳定具有较为积极的意义。因此，最终方案确定要下导坑先封闭成环，在车站开挖过程中设置横撑。

图5 各工况下最终整体沉降云图

3.1.2 围岩周边收敛特征分析(图6)

图6 有无支撑周边收敛云图

横撑设置的目的，是降低软黄土地层较大侧向土压力引起的侧壁变形，提高车站洞室整体稳定；对比加支撑底板先成环工况以及不加支撑底板先成环工况下围岩的横向变化情况，探究横撑的作用效果。

从围岩横向变形云图可知：围岩的横向变形表现为向车站内部收敛，横向变形最大处集中在车站上方地表两侧以及车站两侧侧壁。加支撑底板先成环工况下围岩周边收敛最大值为9.76 mm(左右侧侧壁收敛值相加)，不加支撑底板先成环工况下围岩周边收敛最大值为39.2 mm。加支撑底板先成环工况下周边收敛变形值符合变形要求，且在设置横撑支护的工况下，周边收敛变形值仅为不设置横撑支护的工况下的24.9%。横撑能够充分发挥预期效果，在洞身处于软黄土地层中时，该工法施作有必要设置横撑。

3.2 三维实体单元模拟结果

3.2.1 地表沉降分析

通过建立二维平面应变单元模拟结果显示，加横撑底板先成环的施工方法地层位移最小，但是二维平面应变分析中未考虑施工步序之间的纵向效应，因此选择加横撑底板先成环的施工工况开展三维分析；三维模型可以充分考虑开挖的纵向效应，不同工序间在纵向的间隔，仿真程度更高。三维模型土体竖向位移云图见图7。开挖最终结果，土体最大位移为55 mm，最大隆起值为22.5 mm。在地表提取了3根线上图，呈对称分布，表现为一个沉降槽，沉降最大值位于车站中心部位上方，地表沉降最大值为50.5 mm，符合规范要求。另外，在黄土地层中修建车站，隆起值达到了22.47 mm，在施做结构时，及时将下导坑封闭成环十分有必要。

图7 三维模型土体竖向位移云图

3.2.2 洞身变形分析

(1)车站结构沉降分析

从车站结构上方开始施作二衬扣拱到模型运算结束期间产生的沉降值认定为结构的沉降值，并进行了阶段间的加减计算。结果见图8，从有限元云图来看，车站结构沉降主要集中于车站上部导洞的顶部，整体结构最大沉降值为28.03 mm，略小于规范所要求的30 mm。在同一个横断面上，对三个导洞顶部分别取值可知：中间导洞顶部沉降量最大，旁边导洞顶部沉降值仅为中间导洞顶部的60%。在结构施作过程中，要注意中间导洞扣拱的施作质量，以及两侧顶纵梁的施作质量。从数值模拟结果分析可知：车站结构第二导洞顶部结构沉降值较大，接近规范限定值。另一方面从模型步序来看，中间导洞顶部扣拱结构后于两侧导洞顶部扣拱施作，模型输出的沉降值偏大。

图8 车站结构从施作扣拱到车站完工的沉降云图

(2)车站结构周边收敛分析

施作完扣拱之后，对车站下部进行开挖，同时布设测点在边桩上，直至施作好侧墙及中板之后。这一阶段侧墙的收敛值可对比实际工程中要求的警戒值。通过阶段之间的加减运算，得出这一阶段车站的收敛值。从图9云图趋势来看，车站中间向下开挖之后，边桩向车站中间发生了位移。从数值分析来看，车站上部开挖两侧边桩并未产生较大的水平收敛值。当车站下部开挖时，同时拆除了下方导洞支护结构，下方边桩向中间水平收敛值较大，左侧边桩向右方收敛值达4.87 mm，右侧边桩向左侧收敛值达4.85 mm，累计周边收敛值9.72 mm，略小于规范要求的10 mm。相较于上部车站土体的开挖，车站下方在开挖土体的同时，拆除了下方导洞支撑，下侧土体开挖过程中，边桩周边收敛值太大，对于这一工序，车站下部土体开挖应进行细化。

图9 车站结构从施作侧墙到车站中板完工水平收敛云图

(3)车站结构底板隆起分析

车站结构底部隆起值，测点在拱底回填施作结构后进行打设，直至车站施工完成。运用阶段的加减运算提出结构从施作下方导洞底板结构到车站完工隆起值。云图结果见图10，隆起值集中在两侧导洞的底纵梁位置，另外两侧导洞底板中部隆起值也相对较大。在相应位置制定了4根线上图，底纵梁位置隆起最大值为7.23 mm，两侧导洞底板中部隆起最大值为4.3 mm左右。底纵梁位置应注意结构隆起，在车站施作过程中，下部导坑先封闭成环是有必要的。采用PBA工法，下方四导洞开挖改为双侧壁导坑法施工，增大了车站底部基底的面积，即使在这种工法下，底板隆起最大值仍高达9.1 mm，进一步说明了下方导洞先成环的重要性。

图10 车站结构底板隆起值

3.2.3 横向支撑轴力分析

车站向下开挖过程中，等间距打设横向支撑。开挖完成后，横向支撑轴力云图见图11。横撑承受了较大的压力，从整体变化趋势分析，每一根横向支撑轴力基本相同。下部横撑轴力值普遍大于上部横撑的轴力值，可见下部围岩侧向土压力更大。上部横向支撑轴力最大值为1 500 kN，为下部横向支撑轴力最大值的78.5%。

图11 车站开挖后横向支撑轴力

3.2.4 塑性区分析

图12云图中隧道围岩及支护结构红色区域表示处于其塑性破坏状态，蓝色区域表示其处于塑性松动状态，绿色区域表示其处于张拉破坏，无色区域表示其处于弹性状态。车站开挖，应力重分布周围围岩以蓝色为主。但是车站上方土体出现了塑性破坏，从中间导洞上方向两侧向上延伸至地表。车站结构中间导洞位置，仍然是沉降控制最困难的部位。另外，车站结构两侧土体出现小部分塑性破坏，并向车站下方侧墙延伸。在车站下方开挖时应进行进一步优化，避免边桩出现较大的水平位移。

3.2.5 现场实测对比分析

西安在建的三拱双柱暗挖车站目前最快施工进展仅完成了上下导洞开挖，从车站主体地表沉降监测点中选取纵向3条监测线及1个监测横断面，监测点布置见图13，各测线及监测断面在主体导洞施工期间的地表沉降曲线见图14。

图14(a)表示的是车站主体一侧导洞上方的地表沉降监测曲线，从曲线可以看出，随着时间推移从导洞开挖到导洞贯通，沉降有明显发展，导洞贯通后的沉降最大值接近24 mm。

图14(b)、图14(c)表示的是车站主体中导洞上方的地表沉降监测曲线，两条测线的沉降趋势与最大值基本一致，沉降最大值均发生在施工横通道处(约36 mm)。这是由于横通道先行开挖、继而在侧壁开主体导洞马头门，工序多次转换，地层反复扰动所致。但在施工横通道范围之外的主体地表沉降点最大沉降值仍在24 mm左右。

图14(d)表示的是施工横通道上方的地表沉降监测曲线，可以看出，靠近施工竖井附近的沉降值最大(接近40 mm)；接近横通道端头处地表沉降明显减小。

由于现场施工进度仅完成了上下导洞开挖，因此选取数值模拟中相应的步序，提取地表沉降曲线，见图15。

图15 上下导洞开挖后地层竖向位移云图

从图15可以看出，上下导洞开挖后，车站主体结构地表最大沉降发生在中导洞上方(32.7 mm)，这与实际监测情况符合度较高。说明数值仿真计算可以较好地模拟分析实际工程施工工况。

3.2.6 同其他地区类似工程比较

北京地区很多地铁车站修建使用了PBA工法，且结构形式多为三拱双柱。如表6所示，统计了北京采用PBA工法修建的三拱双柱双层地铁车站的拱顶覆土厚度以及地表最大沉降值。覆土厚度在10 m以下的车站，地表最大沉降集中在28.50～123.91 mm；覆土厚度在10 m以上的车站，地表最大沉降集中在46.91～84.02 mm。通过对北京地区PBA工法应用于三拱双柱双层地铁暗挖车站工程的总结，对PBA工法进行了黄土地层适应性改进，根据数值模拟计算结果可知：车站埋深14m的工况下，地表最大沉降值为50.5 mm，符合规范要求，在近似埋深工程中，地表沉降值不大。因此上部四小导洞、下部两大导坑施工的PBA改进工法应用于黄土地区暗挖地铁车站的修建是可行的，且地表沉降控制较好。

表6 北京地区PBA工法施作的三拱双柱双层地铁车站地表最大沉降统计

4 结论

通过建立数值模型，探究了适用黄土暗挖车站的改进PBA工法。对不同模型结果综合分析得出如下结论。

(1)通过采用改进的PBA工法，将下部的4个小导洞优化为两个大导坑提升施工期间的稳定性，下导洞先封闭成环可减少地表沉降值。从模拟计算数据得出，采用下导坑先闭环可以减少19.2%的地表沉降值，车站底部隆起值达到了22.47 mm，及时施作底板后，结构底板隆起值明显减小。在黄土地层中运用改进PBA工法，不仅降低了地表沉降值，也提升了施工期间的洞室稳定性。因此，在黄土地区采用改进PBA工法是必要的。

(2)通过二维模型对比分析，在设置横撑支护的工况下，周边收敛最大值仅为不设置横撑支护工况下的24.9%。横撑承受较大的侧向土压力，尤其是下方横撑，轴力最大值高达1 900 kN。即便如此，下方边桩累计周边收敛值仍然高达9.72 mm。因此，在洞身处于软黄土地层(侧压力系数较大)时，车站向下开挖设置横撑是必要的。

(3)通过数值模拟及现场监测数据分析可知，改进PBA工法修建地铁暗挖车站适用于黄土地层，地表沉降值、结构变形值可控制在规范要求以内。同北京地区PBA工法修建的三拱双柱双层车站相比，地表沉降水平有所降低。

通过分析传统PBA工法在黄土地层中的问题，对PBA工法进行了改进，提出了适应于黄土地区的暗挖地铁车站PBA改进工法，并对其适用性进行了研究，对推动黄土地区地铁暗挖技术进步、加快黄土地区地铁工程建设有积极的推动作用。