PBA工法、洞桩法的对比分析和改进措施

朱统步

摘 要：根据沈阳地铁二号线崇山路站的设计及现场施工情况，将PBA工法与洞桩法混合施工的双柱三跨式暗挖地铁车站施工技术方案进行了简单介绍，并对PBA法、洞桩法及两者混合工法的技术方案进行了较为详细的对比和分析，并根据该工程的实际施工经验，提出了崭新的改进性意见。

关键词：PBA工法；洞桩法；混合工法；小导洞

中图分类号：U455.4 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0088-04

Abstract： In terms of the design and construction of the Chongshan Road Station of Shenyang Metro Line 2， the combination of PBA and cavern-pile method which was applied to the underground excavation of the two-column-three-span metro station was introduced. The analysis and comparison of PBA and cavern-pile method and the combination method were conducted， and suggestions on improvement were proposed based on experience from the project.

Key words： PBA method； cavern-pile method； combination method； small pilot hole

0 引 言

随着城市轨道交通的蓬勃发展，目前大跨度车站的浅埋暗挖法施工已经得到广泛应用， PBA工法（Pile Beam Arch，又称为“洞、桩、墙”暗挖逆作法）、洞桩法及两者的混合工法（下称混合工法）得到了不断的发展和完善[1-2]。PBA工法、洞桩法及混合工法与传统的中隔墙法（CD）、交叉占隔墙法（CRD）、双侧壁导坑法等相比，减小了因施工工序引起的地表沉降量的叠加，受力明确，简化了力的多次转换过程[3]。其核心思想在于设法形成由小导洞的桩、梁、拱部初期支护及钢管柱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[4]。

沈阳地铁二号线四标段崇山路站采用PBA工法与洞桩法的混合工法进行施工，本文结合该工程施工及设计情况，将PBA工法、洞桩法及混合工法施工技术进行介绍和对比，并根据现场施工经验，提出相关意见，希望能对类似工程的设计及施工起到一定的借鉴作用。

1 工程概况

沈阳地铁二号线四标段崇山路站总长度为173.2 m，标准段宽20.8 m，高14.16 m，结构埋深为8.5～9.5 m，其主体结构标准断面如图1所示。车站主体采用暗挖洞桩法与PBA法的混合工法进行施工，共设6个主体小导洞，施工期间风道作为施工通道使用。车站拱顶主要处于中密或密实状态的砾砂层，土层含水量丰富。整个车站施工期间在结构外设降水井进行区域降水，保证暗挖无水施工条件。

2 PBA工法、洞桩法及混合工法工艺

2.1 洞桩法

本标段施工的崇山路—岐山路区间盾构吊出井横通道设计方案为比较简单的单跨洞桩法，具体如图2所示。

洞桩法在暗挖车站施工中有广泛的应用，但暗挖车站施工一般为双跨或三跨的结构形式，导洞和桩基施工更为复杂一些。洞桩法的基本施工方案是：首先开挖小导洞，然后在小导洞进行钻孔灌注桩和冠梁的施工，接着架设导洞之间的初支格栅，在拱部形成整体的初期支护，使拱部的荷载通过初期支护传递到桩基上，最后在拱部初支的保护下进行下部的土体开挖和二衬施工。

2.2 PBA工法

PBA工法由北京城建设计研究院首创，在北京地铁天安门西站首次成功应用，后来得到广泛推广，并取得了良好效果。

该工法首先开挖上层和下层的小导洞（一般为6～8导洞），在上层导洞内进行钻孔灌注桩或人工挖孔桩和冠梁的施工，然后施作桩顶初期支护，回填外侧混凝土，在下层导洞内架设底梁。对拱部地层进行必要的预加固处理后进行拱部开挖和支护，把拱部初支和原来的小导洞连成一体，然后在拱部初支结构的保护下进行洞室主体部分开挖，并同时由上向下进行主体结构施工[5]。图3为8导洞的PBA工法施工步序。

在北京地铁海淀黄庄站的施工中，为了缩短施工工期，减小施工缝数量，提高施工质量，根据中跨跨度较大、2个侧跨跨度较小的特点，对小导洞的大小进行了改进，改为上下各2个大导洞的方式进行施工，并取得很好的效果。其施工步序如图4所示。

2.3 混合工法

沈阳地铁二号线崇山路站采用了PBA工法与洞桩法的混合工法施工。其主要指导思想为：利用小导洞的空间（上层4个，下层2个），边导洞内采用钻孔灌注桩和冠梁进行施工；中间下层小导洞内架设底纵梁，然后在中间上下层小导洞之间进行人工挖孔施工，安装钢管柱，架设顶纵梁；上述工序完成后中跨和边跨初支扣拱，将上述小导洞连接成一个整体，从而形成了侧跨依靠边桩、中跨依靠钢管柱和底纵梁的传力体系，在拱部支撑体系的保护下进行后续结构施工[6]。这种工法结合了洞桩法和PBA工法的施工指导思想，是2种工法的结合体。这种工法在沈阳地铁施工中得到了广泛应用，沈阳地铁一号线青年大街站、沈阳站站及沈阳地铁二号线沈阳北站站也采用了这种施工工法，并取得不错的效果。具体施工步序如图5所示。

3 三种工法的对比分析

3.1 共同点

（1）初支施工都是化整为零，导洞先行，并最终在拱部形成一个整体。

由于车站结构跨度都比较大，不可能一次开挖成型，因此无论是几个导洞施工，目的只有一个，就是化整为零，先进行小导洞施工，并在小导洞内搭建传力支撑体系，然后进行扣拱施工，将上层小导洞连接成一个整体。在导洞掘进和扣拱施工中均遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的方针。

（2）传力体系明确可靠。3种工法均是在已支护好的导洞内施作钻孔桩或挖孔桩，桩底深埋于土层中或坐落在条形基础之上，并在桩顶以纵梁进行连接，中柱部位导洞内架设底、顶纵梁，然后再进行初支及二衬扣拱施工，将拱部土压力传递到基底。这种顶梁、柱（桩）和底梁的传力体系，受力明确，刚度大，安全可靠，能够较好地控制拱顶和地面沉降。

（3）大部分主体结构施工均在拱部衬砌的保护下进行，安全、可靠，施工进度较快。

拱部衬砌施工完成后即可进行剩余的大跨度主体土方开挖和二衬施工，二衬结构根据需要可采用顺作法、逆作法或两者相结合的方式进行。拱部在整个施工过程中都有成型的衬砌，边墙部位有桩作为保护体系，施工过程安全，作业空间大，适合采用大型机械设备，便于进行流水作业，施工进度也较快。

3.2 不同点

3.2.1 小导洞施工

严格意义上的洞桩法无论是进行几跨施工，均为几个小导洞打几排桩，只有上层导洞，没有下层导洞，传力体系是通过桩基传递。PBA及混合工法则需要有上下2层导洞，并且PBA工法的上下层导洞数量应该是一样多，上下位置一致；混合工法两侧没有下层导洞，中间有下层导洞。因此，从小导洞施工的角度来对比，洞桩法施工小导洞数量较少，对地层扰动较小，群洞效应不明显，而另外2种工法在施工过程中均要考虑群洞效应，避免上下层导洞间的施工干扰和累计沉降等因素的影响。

3.2.2 洞内桩施工

洞桩法必须要进行洞内桩施工，由于桩基施工深度较深，考虑到施工安全，一般不宜采用人工挖孔桩，而采用钻孔灌注桩，PBA工法一般采用人工挖孔桩，而混合工法一般2种成桩方法都要用到。因此从桩（柱）施工的角度考虑，如果地层比较适宜，3种工法都可以采用钻孔灌注桩，但是当采用钻孔灌注桩施工难度较大时，PBA工法有一定优势。

3.2.3 围护结构稳定性

洞桩法主要采用围护桩和钢支撑组成的围护体系，PBA工法主要采用围护桩和条形基础组成的围护体系，混合工法两者都有。因此混合工法在同等条件下受力最为稳定，对限制周边地层变形最为有效。

3.2.4 钢支撑施工工程量

洞桩法需要层层架设钢支撑，PBA工法一般不需要架设钢支撑，混合工法需要在中板下安装一道钢支撑。由于地下进行钢支撑施工在运输、安装等方面存在诸多困难，并且影响施工空间，所以从钢支撑施工的角度考虑，PBA工法具有较大优势，洞桩法最为不利。

3.2.5 废弃工程量

导洞越多需要破除处理的工程量就越大，因此从需要破除和废弃工程量的角度考虑，洞桩法破除量最小，PBA工法最大，混合工法适中。

4 改进措施

4.1 小导洞之间扣拱节点连接问题的改进

为了让导洞间的初支扣拱和小导洞连接牢固，目前的设计方案中大部分是在小导洞对应的扣拱位置预留法兰节点。根据现场施工的实际情况，在小导洞之间进行扣拱施工时，两侧的小导洞如果进尺、标高、垂直度等相关参数中的任何一个不能达到理想状态，都会导致初支扣拱位置的法兰连接点质量不能达标，往往会出现法兰盘不能很好地对接、螺栓孔对不上等情况。鉴于以上原因，建议采用小导洞预留钢板，扣拱格栅的拱脚位置采用“L”型筋与之焊接，这种连接方式虽然存在焊接施工时间较长的缺点，但是却能较好地解决此重要接点的施工质量，提高了后期导洞破除时的安全性。

4.2 中跨顶纵梁混凝土灌注问题的改进

中跨顶纵梁施工空间较小，同时顶纵梁钢筋又较密，如果混凝土从侧面模板中进行灌入，往往会出现混凝土的石子被钢筋阻挡的情况，并导致管道堵塞，从而影响顶纵梁的施工质量。因此，适当调整小导洞的高度，在顶纵梁的上部预留一定的空间，让混凝土从顶部进行灌入，能够较好地解决顶纵梁混凝土的灌注问题，并且顶纵梁钢筋施工也较为容易。

4.3 侧跨桩顶冠梁影响出入口暗挖进洞的改进

一般情况下，3种工法均需要进行桩顶冠梁施工，而破除该冠梁的工程量大，且施工空间狭小，需要花费较大的人力、物力，施工工期也得不到保证，并且在冠梁破除过程中对周围的土体扰动较大，增加了暗挖施工的风险。建议在保证结构安全的前提下，此位置应当尽可能减少配筋，降低混凝土标号，加入其他易于破除的填充物，从而降低进洞施工难度。

4.4 风道破除马头门进车站主体的改进

暗挖车站的设计方案一般要求风道二衬施工完成后方可进行车站主体导洞和初支扣拱的施工，但是暗挖风道在车站相交位置的结构高度和宽度都较大，二衬施工周期太长，无法满足工期要求。为了尽快进行车站主体施工，需要在风道二衬施工前进行车站小导洞施工，甚至是初支扣拱施工，因此可在进洞位置设置套拱对进洞门位置进行加强。通过套拱层层将洞门位置拱部受力传递至基底，确保进洞安全，实现风道和车站主体的初支及二衬平行施工，缩短施工工期，提高经济效益。

4.5 混合工法中减少或取消中板下层钢支撑

在混合工法中，施作中板下钢支撑会带来如下问题。

（1）钢支撑和钢围檩加工需要花费大量的人力、物力和财力。

（2）在地下进行钢支撑施工存在较多困难，比如钢支撑的运输问题，超过20 m的钢支撑安装问题等。

（3）钢支撑安装和拆除需要较长的施工周期，增加了车站的整体施工工期。

（4）钢支撑的安装导致施工空间减小，不便采用大型机械设备进行土方的开挖和运输，无法采用大型运输工具进行钢筋的运输，极大地限制了底板二衬的施工进度。

因此在设计过程中可通过适当增加桩体的嵌入深度、增大桩径等方法增加围护结构的强度；如果地质情况较差，还可以考虑在桩基施工过程中预埋从桩顶到桩底的注浆管，对桩底进行后压浆处理等改善桩端持力层条件；在中板下土方开挖过程中，可以考虑在桩间打设注浆管对桩基背后土体进行注浆加固等技术措施。

4.6 对盾构加宽段相关问题的改进

如果暗挖车站接盾构区间，往往需要在车站端头位置设置加宽段，在加宽段的设计和施工过程中应注意以下问题。

（1）适当增加加宽段的初支长度，给加宽段堵头位置的桩基施工提供较大空间。加宽段导洞虽然较大，但是一般情况下在宽度方向仍无法正常摆放钻机，无限加宽导洞宽度又会带来施工风险，因此应从外侧长度方向增加加宽段长度，给钻机施工提供空间，保证加宽段端头位置桩基能正常施工。

（2）在风道初支与加宽段相交位置影响桩基施工的侧向超前小导管及锁脚锚管应取消，否则在桩基施工位置从上到下会有很多钢管在桩位上，导致此处的围护桩无法钻进。

5 结 语

根据上述对比分析，以上3种工法各有优缺点，因此在工法的选择上一定要根据地质、工期等方面的具体情况，合理选择工法，并进行优化和改进，在确保安全和质量的前提下，尽量缩短施工工期，获取更大的经济和社会效益。

参考文献：

[1] 施仲衡，冯爱军.城市轨道交通技术发展战略探讨[J].都市快轨交通，2004，17（4）：4-8.

[2] 王梦恕.我国城市交通的发展方向[J].铁道工程学报，2003，20（1）：43-47.

[3] 高成雷.浅埋暗挖洞桩法应用理论研究[D].成都：西南交通大学，2002.

[4] 李 围，何 川.地铁车站施工方法综述[J].西部探矿工程，2004（7）：109-111.

[5] 秦晓英.城市地铁车站PBA工法施工力学效应的数值模拟研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[6] 刘国生.沈阳某地铁车站浅埋暗挖洞桩法三维数值模拟[D].北京：中国地质大学，2008.[责任编辑：党卓钰]