北京地区PBA法施工暗挖地铁车站地表变形分析

罗富荣， 汪玉华

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京　100037； 2. 中铁隧道勘测设计研究院， 河南 洛阳　471009)



北京地区PBA法施工暗挖地铁车站地表变形分析

罗富荣1， 汪玉华2,*

(1. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京100037； 2. 中铁隧道勘测设计研究院， 河南 洛阳471009)

摘要：暗挖法施工的地铁车站大多处在繁华的中心城区，周边环境对变形非常敏感，为了减小施工对周边环境的影响，需对施工引起的地表变形规律进行研究，以便采取针对性的控制变形措施。结合北京地铁6号线一期及7号线PBA法施工暗挖车站，针对北京地区各典型地层条件及PBA工法特点，通过对现场监测数据进行统计分析，得出： 1)PBA法施工暗挖地铁车站所引起的地表沉降主要发生在导洞施工及扣拱施工阶段，所发生的沉降约占总沉降量的90%； 2)不同的地层采用PBA法施工所引起的地表沉降相差较大，根据施工所引起地表沉降由大到小依次为粉细砂及中粗砂层，粉土、粉质黏土层，圆砾-卵石层。

关键词：地铁车站； PBA法； 地表沉降； 监测； 沉降槽； 地层损失率

0引言

PBA法是在浅埋暗挖法的基础上，结合了盖挖法的理念发展起来的，先施工上、下层小导洞，利用小导洞的空间形成由侧壁支撑结构和拱部支护组成的整体支护体系，代替传统的预支护和初期支护结构，以保证在进行洞室主体部分开挖时具有足够的安全度，并有效地控制地层沉降。该工法灵活多变，对周边环境适应性较强，目前已经成为北京地区暗挖地铁车站的主流施工工法，北京地铁6号线一期及7号线暗挖车站基本都采用了该工法。

PBA法施工的地铁车站大多位于繁华城区，周边环境对变形比较敏感。为了减小施工对周边环境的影响，对PBA法施工引起的地表沉降规律进行研究尤其重要，以往学者对PBA法施工引起的地表变形已经进行了一些研究。何海建[1]采用数值模拟辅以现场实测的方法，研究了北京地铁10号线国贸站工程两导洞洞桩法对地层沉降的影响规律，研究认为洞桩法施工导洞开挖支护，边桩、冠梁、拱脚施作和导洞回填，主洞开挖支护以及主洞二次衬砌4个典型阶段引起的地表沉降比例约为3.5∶2∶3∶1.5，地表沉降受扣拱工法和施工质量的影响较大。杜彬等[2]以北京地铁国贸站工程为背景，研究了大跨度分离式地铁车站洞桩法施工对周围地层及邻近桩基的影响，研究认为地表纵向沉降阶段可分为前期沉降区、急剧沉降区和沉降收敛区，影响沉降的主要因素包括桩基与车站结构的最小距离和桩端所处的地层条件。申国奎[3]以苏黄区间大断面施工为背景，运用MIDAS有限元软件结合现场实测数据，研究了PBA法施工时地表沉降的规律特点，研究认为： 1)小跨度断面在导洞开挖时，相互影响较大，地表沉降也比较明显； 2)导洞开挖阶段引起的地表沉降占整个施工阶段引起的总地表沉降的比例相对较小，主要引起地表沉降的阶段是扣拱和结构施作阶段。刘维宁等[4]等通过有限元计算和实测数据的对比分析，研究了北京地铁复八线天安门西车站暗挖施工对地层沉降以及管线变形的影响。此外，还有很多学者也对PBA法施工引起的周边环境变形进行了研究[5-13]。

以往的研究基本上都是针对单个工点，采用有限元结合现场监测数据对施工引起的地表沉降规律进行了研究，研究的对象比较孤立，不能体现沉降与地层间的关系，缺乏系统性及代表性。北京地铁6号线一期及7号线横贯北京东西，线路穿越的地层差异较大，在不同地层中采用PBA法施工引起的地表沉降差异较大，本文通过对北京地铁6号线一期及7号线PBA法暗挖车站工程地质情况及现场监测数据进行综合分析，对不同地层条件、不同施工阶段PBA法施工引起的地表变形规律进行研究。

1工程概述

1.1线路情况

北京地铁6号线一期工程呈东西走向，线路始于五路居站，止于草房站，全长约29 km，全部为地下线。全线共有车站19座(不含慈寿寺站和白石桥南站)，其中全暗挖车站6座，除车公庄西站单层段采用CRD法、东大桥站单层段采用柱洞法外，其他全部采用PBA法施工，明暗结合车站2座，暗挖部分采用PBA法。北京地铁7号线位于北京南城地区，线路总体呈东西走向，起于北京西站，止于焦化厂站，全长约23.67 km，全为地下线。全线共设车站20座(不含北京西站)，其中暗挖车站9座，全部采用PBA法施工。

线路位于永定河冲洪积扇古金沟河古道，全线地势总体西高东低，地形较平坦，无明显起伏。沿线地层主要为第四系永定河山前冲洪积层和河流相的沉积层，地层的特点为西部以厚层砂土和卵、砾石地层为主，向东于城市中心区大部分范围内地层过渡为黏性土、粉土与砂土、卵砾石土互层，再向东则以厚层黏性土、粉土为主。

1.2工程基本情况

6号线一期及7号线PBA法施工地铁车站资料汇总如表1所示。

表1　北京地铁6号线一期与7号线PBA法施工车站资料汇总

结合设计施工情况，对2条线PBA法施工的车站进行统计如下：

1)车站穿越的地层主要包括粉细砂、中粗砂、粉土、粉质黏土、黏性土和卵石砂砾等地层；

2)车站开挖都采用了地表深井降水施工，但部份车站由于降水末达到预期效果，施工期间受地下水影响较大，给施工带来了很大的困难；

3)在小导洞施工时，除车公庄西站和磁器口站采用先下后上外，其他各车站小导洞开挖均采用了先上后下的开挖顺序。

2地表沉降分析

2.1监测数据统计及分析

浅埋暗挖法施工引起地表沉降特征与地层条件、施工方法、隧道埋置深度及施工水平等因素密切相关。现对车站主体上方的地表沉降测点(去除损坏、遮拦、数据不全)进行数据统计，各车站地表累计沉降平均值及累计沉降最大值如表2所示。

表2地表累计沉降值汇总表

Table 2Summary of the ground surface settlement in Line No. 7 and Phase 1 of Line No. 6 of Beijing Metro

线路车站名称累计沉降平均值/mm上导洞主要地层受地下水影响7号线达官营站35.93圆砾-卵石层无广安门内站64.28粉细砂、中粗砂层无虎坊桥站70.77粉细砂、中粗砂层无珠市口站63.14粉细砂、中粗砂层无崇文三里河站67.41粉细砂、中粗砂层无磁器口站107.95粉细砂、中粗砂层 层间滞水较为严重广渠门内站36.41粉质黏土层无双井站121.10粉细砂、粉质黏土互层 上层拱腰部位层间渗漏水情况较严重九龙山站148.14粉细砂、中粗砂层 下层导洞上断面层间漏水情况较为严重6号线一期花园桥站18.15圆砾-卵石层无车公庄西站38.67圆砾-卵石层无车公庄站34.07中粗砂、圆砾卵石层无北海北站63.83粉土层、粉质黏土层 层间滞水较为严重东四站84.02粉细砂、中粗砂层 层间滞水较为严重朝阳门站77.60粉细砂、中粗砂层无东大桥站79.08粉土、粉质黏土层 层间滞水较为严重

结合表1和表2，按上导洞所处的不同地层，对现场的监测数据进行统计，如图1所示。

图1　各典型地层PBA法施工引起的地表变形统计

Fig. 1Ground surface settlement of different strata using PBA method

1)在无水的情况下，在圆砾-卵石层中施工引起的地表沉降最小，其沉降值大多在30～40 mm； 粉土、粉质黏土层次之，其沉降值基本在35～50 mm； 粉细砂及中粗砂层最大，其沉降值为60～70 mm。

2)施工过程中地下水对地表沉降影响非常大，特别是在粉细砂及中粗砂层中，地下水更容易造成砂的细小颗粒大量流失，从而造成地表沉降急剧增大，如在7号线九龙山站施工过程中，因受层间滞水影响比较大，该站最终累计沉降均值达到了148.14 mm，而在无水的同等地层条件其他车站，其累计沉降均值基本都在60～70 mm。

3)在同种地层当中，不论导洞采用先上后下，还是先下后上的施工顺序，对累计沉降影响不明显。

2.2地表沉降历程分析

根据PBA法施工工序，可以将PBA法施工分为4个典型施工阶段： 小导洞施工阶段(Ⅰ)，梁、柱(桩)体系施工阶段(Ⅱ)，扣拱施工阶段(Ⅲ)，剩余土体开挖及主体施工阶段(Ⅳ)。根据现场监测数据及各车站所处的地层条件，选择具有代表性的测点，绘出其典型沉降历时曲线如图2—4所示。

结合施工进度，对6号线一期和7号线的所有PBA法车站地表累计沉降量按4个典型施工阶段进行分析统计，如表3所示。

图2　7号线达官营站典型测点沉降历时曲线图(圆砾-卵石层)

Fig. 2Time-history curves of settlement of Daguanying Station of Line No. 7 (in sandy-cobble strata)

图36号线一期朝阳门站典型测点沉降历时曲线图(粉细砂及中粗砂层)

Fig. 3Time-history curves of settlement of Chaoyangmen Station of Phase 1 of Line No. 6 (in fine-silt and medium-coarse sandy strata)

图46号线一期东大桥站典型测点沉降历时曲线图(粉土、粉质黏土层)

Fig. 4Time-history curves of settlement of Dongdaqiao Station of Phase 1 of Line No. 6 (in silt and silty clay strata)

表3　PBA法施工车站各典型施工阶段地表沉降统计

由现场的数据统计情况可知：

1)PBA车站施工引起的地表沉降主要发生在导洞施工及扣拱施工阶段，所发生的沉降占总沉降量的90%左右，在梁、柱(桩)体系和土方开挖、主体二次衬砌施工阶段所引起的地表沉降所占比例则相对较小，所发生的沉降占总沉降量的10%左右； 因此应合理安排导洞及扣拱开挖顺序，以减小群洞施工效应。

2)不同地层在各个施工阶段所引起的地表沉降具有一定的差异，如表4所示。

对于8导洞PBA法施工的车站，粉土、粉质黏土层在导洞施工过程中所引起的地表沉降所占比例最大，圆砾-卵石层最小。

表4　不同地层各阶段施工所引起的地表沉降占比统计

注： “边-中”为相邻的边导洞与中导洞间距离； “中-中”为2相邻的中导洞间距离。

3)地表沉降与施工工期关系密切，开挖支护施工工期越长，地层应力释放越充分，变形越大，变形的时空效应越明显。6号线一期的东四站和7号线的磁器口站施工工期都比较长，其地表沉降明显要大于同种地层条件。因此，必须严格执行浅埋暗挖法 “管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测” 十八字方针，突出时空效应对防塌的重要作用，加强在软弱地层的快速施工。

2.3地表沉降槽宽度参数与地层损失率

隧道开挖引起的地表横向沉降槽可以用高斯分布函数S=Smaxexp(-y2/2i2)表示，式中：y为地表与隧道中线的水平距离；S为距离隧道中线距离y处的地表沉降；Smax为最大地表沉降(y=0处)；i是隧道中线到沉降槽反弯点的水平距离，反映开挖对地表影响的范围。

由于拟合数据较多，且离散性也比较大，为了减小拟合误差，将同一车站全部有效测线的监测数据统一进行拟合，其中最大沉降的初值采用各测线的均值，i的初值采用等效轴线埋深的一半。各地铁车站沉降槽曲线拟合结果如图5—7所示。

(a)达官营站(Smax=-93.18 mm，i=10.947 m)(b)花园桥站(Smax=-27.47 mm，i=10.51 m)

图5圆砾卵石层沉降槽拟合曲线

Fig. 5Fitting curves of the settlement in sandy-cobble strata

3结论与建议

通过对北京地铁6号线一期及7号线PBA法车站施工所引起的地表沉降进行分析，得出如下结论：

表5　北京地区PBA法施工地铁车站地表沉降规律

注： 在本表统计的地层中，下层导洞底板均处于地下水位以下，可认为本表揭示的是地层含水条件下地表沉降规律。

1)不同地层采用PBA法施工所引起的地表沉降相差较大，在无水情况下根据施工所引起地表沉降由大到小依次为粉细砂及中粗砂层，粉土、粉质黏土层，圆砾-卵石层； 但在有水情况下，特别是在粉细砂及中粗砂层中，地下水容易造成砂层中的细小颗粒大量流失，从而造成地表沉降急剧增大。因此在施工过程中，应加强对地下水的控制，尽量做到无水施工，以减小地表沉降。

2)PBA法车站施工引起的地表沉降主要发生在导洞施工及扣拱施工阶段，所发生的沉降占总沉降量的90%左右，在梁、柱(桩)体系和土方开挖、主体二次衬砌施工阶段所引起的地表沉降所占比例则相对较小，所发生的沉降占总沉降量的10%左右； 因此应合理安排导洞及扣拱开挖顺序，以减小群洞施工效应。

3)地表沉降与施工工期关系密切，开挖支护施工工期越长，地层应力释放越充分，变形越大，变形的时空效应越明显。因此，必须严格执行浅埋暗挖法 “管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针，突出时空效应对防塌的重要作用，加强在软弱地层的快速施工。

4)不同地层的沉降槽宽度系数i与隧道轴线埋深h之间的关系参数K的取值各不相同，其中圆砾-卵石层，K=0.61～0.68，地层损失率V1平均值为1.35%； 粉细砂及中粗砂层，K=0.56～0.60，地层损失率V1平均值为1.49%； 粉土、粉质黏土层，K=0.65～0.70，地层损失率V1平均值为1.29%。

5)地层损失率均小于1.74%，相比国外经验值要小。其主要原因是： ①相对于其他地区(伦敦等)的软土地层，北京的地质条件较好，隧道开挖引起的地层损失相应较小； ②统计地铁车站的开挖面积较大，一般为200～450 m2。

6)本次未对地下水对PBA法施工的影响进行研究，下一阶段应结合渗流-应力耦合分析，研究PBA法施工过程中渗流场的变化规律及对应力场产生的影响。

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Analysis on Ground Surface Deformation of Mined Metro

Station Constructed by PBA Method in Beijing

LUO Furong1, WANG Yuhua2,*

(1.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100037,China;

2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:Metro stations are basically located in urban centers, thus the surrounding environments of the project is significantly complicated. In this context, ground surface settlement induced by construction of the Metro station is studied with respect to its influence on the surrounding environments, in order to select a rational settlement-control method. The monitoring data of mined Metro stations of Line No. 7 and Phase 1 of Line No. 6 of Beijing Metro are obtained for detailed analyses. The results show that: 1) The ground surface settlement induced by construction of heading and tunnel arch is of a large magnitude, accounting for 90% of the total settlement; 2) The settlement of different strata excavated by PBA method significantly varies. The settlement of fine-silt and medium-coarse sand strata is the largest, followed by that of silt and silty clay strata, and that of sandy-cobble strata is the smallest.

Keywords:Metro station; PBA method; ground surface settlement; monitoring; settlement troughs; ground loss rate

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0020-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.003

作者简介：第一 罗富荣(1968—)，男，江西临川人，2011年毕业于北京交通大学，桥梁及隧道工程专业，博士，教授级高级工程师，长期主持北京地铁建设的技术、设计与科研工作。*通讯作者： 汪玉华， E-mail: yieziwang@sina.com。

基金项目：北京市国有资本经营预算项目“深层空间地铁工程建设科技创新团队”资助

收稿日期：2015-07-20; 修回日期： 2015-11-17