PBA工法横通道及导洞施工对地表沉降的影响

纪文杰，黄 博，姚直书，薛维培

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232000；2.安徽工程大学建筑工程学院，安徽 芜湖 241000)

地下开挖对地下土体产生扰动，引起地应力状态改变，从而引起地面变形和应力重分配，直到达到稳定的平衡状态[1]。浅埋隧道开挖一般会导致大面积地表沉降，开挖引起的沉降可能对附近建筑物造成严重破坏[2]。由于城市隧道处于底覆土、软弱地基的环境中，并且断面大，地表存在敏感建筑，使得城市的地表沉降问题成为设计和施工等各方面的主要问题[3]。为此，在地铁建设中应用PBA(pile-beam-arch)工法，在开挖大断面隧道时，可以先开挖小导洞，形成先期支护后再进行支护内部土体的开挖，尽可能减少对上部土体的扰动[4-8]。

国内对于PBA工法引起地表沉降的研究已有很多， 文献[9]在考虑地下水的情况下， 对双层小导洞的不同开挖顺序进行数值模拟， 得出了最优的开挖方案； 文献[10]200模拟了横通道单层双向开挖小导洞的过程， 对比研究不同的开挖错距及开挖顺序对上部地表沉降的影响， 得出了采用PBA工法暗挖地铁车站时最合理的导洞开挖方案； 文献[11]数值模拟了砂卵石地层中的PBA工法车站的施工过程，分析了不同的开挖顺序对地表沉降的影响；文献[12]通过数值模拟和现场数据监测，对比分析了两种地层条件下的PBA车站对地表沉降的影响。文献[13]通过数值模拟和静力水准监测技术，对PBA工法施工引起的地表沉降的过程进行了研究。文献[14]认为PBA工法的6导洞形式采用“先上后下，先边后中”工序可有效减少由于群洞效应而引起的地表沉降。

已有研究多关注横通道同一侧导洞开挖顺序对地表沉降产生的影响，且未考虑横通道开挖的影响。实际工程中，采用PBA工法施工的车站，导洞通常为上下两层分布，导洞开挖通常是始于横通道的双向开挖，横通道开挖对地表沉降的影响不可忽略。本文以北京地铁7号线的达官营站为背景，针对始于横通道的双层双向小导洞的开挖进行数值模拟分析，横向比较横通道及双层双向小导洞的不同开挖顺序对地表沉降的影响，并分析开挖的各阶段对地表沉降的影响，可以用于指导相似工程的施工。

1 数值模型计算

1.1 工程背景

达官营站为地下双层三跨岛式车站，位于北京市西城区广安门外大街(东西向)与规划三里河路南延(南北向)交汇处，车站总长约为236m，车站顶板平均覆土厚度约为9m。主体施工采用PBA工法，主要由6个横通道(上下两层各3个)进行小导洞施工，其中车站两端的横通道向中间施工，中部的临时横通道则向两侧进行施工，车站上下两层各分布有4个小导洞。

本次数值模拟的研究对象是上下两层中部的临时横通道及自临时横通道向两侧开挖的16个小导洞，横向比较不同的横通道及导洞开挖顺序对地表沉降的影响，分析横通道施工与导洞施工所引起的沉降占总沉降的比例。

1.2 模型的建立

采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟分析。根据实际工程情况与软件特性，建立模型如图1所示，模型沿车站的纵向长度取186.9m，宽度取131.3m，自地面向下的高度取46.3m。

根据勘察报告将地层概化为四个地层，自地面向下分别为：人工填土层厚9m、卵石层①厚4m、卵石层②厚6m、强风化砾岩、泥岩层厚28.3m，具体地层参数见表1。模拟土体时采用摩尔-库伦模型，开挖使用null模型模拟，小导洞的格栅钢架利用shell单元模拟，超前小导管支护通过加强小导洞开挖工作面前3m未开挖土体拱部的参数模拟，依据文献[10]202和文献[15]中的相似工程进行参数取值，具体支护参数取值如表1所示。由于开挖前通过降水将水位降低至车站底板以下，导洞开挖处于无水作业状况，因此不考虑地下水的影响。

图1 数值模拟模型

表1 参数汇总表

1.3 模型验证

为便于分析，对上下两层16个导洞进行编号，并将不同开挖部分分为6个区，如图2所示，沿横通道中心线的上方地表处设置竖向位移监测点，监测点分布如图3所示，在实际施工过程中对5号、8号、16号和20号监测点处的沉降进行了监测，其余监测点是为更好地分析沉降规律，而在数值模拟过程中新设的监测点。

实际开挖方案为：首先完成上层横通道开挖，然后同时开挖1号和4号导洞，完成15m后，同步开挖2 号、5号和8号小导洞，待其完成15m后，继续开挖3号和6号小导洞，同样是15m后，最后开挖7号小导洞，下层的开挖顺序与上层相同，将该方案简记为：①→③④→②→⑤⑥。

图2 横通道与小导洞分布及导洞编号

图3 模型横通道中心线处剖面图及监测点分布

通过对原施工方案进行数值模拟，获得的5号、8号、16号和20号监测点处沉降值与实际沉降值进行对比，如表2所示。由于在数值模拟过程中对地层参数与支护进行了简化，模拟结果与实际结果存在微小误差，误差均小于3%，故本次模拟可以很好的反映实际开挖对地表沉降的影响。

表2 监测点实际沉降与模拟沉降对比表

1.4 导洞开挖方案

本文模拟了四种开挖方案，每种开挖方案可分为六个部分，分别为上层横通道、下层横通道、上层东侧导洞、上层西侧导洞、下层东侧导洞和下层西侧导洞，如图2所示。上下层横通道的开挖均会开挖至设计位置，然后自横通道内向两侧开挖小导洞。导洞开挖错距为15m，即导洞开挖至15m时，本导洞不停止开挖，同时开始开挖其他导洞，所有导洞均开挖30m后停止开挖。

1)模拟方案1：采用先上层后下层，同层的导洞双向交错开挖的方案，该方案为实际开挖方案，具体开挖步骤如上节所述。

2)模拟方案2：先完成上层横通道的开挖，紧接完成下横通道的开挖，完成两个横通道开挖后，首先开挖东侧的上下两层小导洞，在该侧采用“先开挖同侧，上下交错开挖”的方案[8]。具体开挖方案为：6号和8号导洞首先开挖15m，再同时开挖13号和15号导洞，以开挖错距为15m，紧接依次开挖上层5号和7号导洞、下层14号和16号导洞、上层1号和3号导洞、下层10号和12号导洞、10号和12号导洞、上层2号和4号导洞和下层9号和11号导洞。可简记为：①→②→③⑤→④⑥。

3)模拟方案3：首先完成两个横通道的开挖，采用先东侧上层导洞与西侧下层导洞同时交错开挖，然后西侧上层导洞与东侧下层导洞交错开挖的方案。以错距为15m依次开挖顺序为：上层6号和8号导洞、下层9号和11号导洞、上层5号和7号导洞、下层10号和12号导洞、上层1号和3号导洞、下层14号和16号导洞、上层2号和4号导洞和下层13号和15号导洞。简记为：①→②→③⑥→④⑤。

4)模拟方案4：采用先下层后上层，同层导洞双向交错开挖的方案，该方案仅将模拟方案1上下顺序颠倒，同层导洞开挖顺序与模拟方案1相同，简记为：②→⑤⑥→①→③④。

2 数值模拟分析

2.1 地表沉降分析

根据模拟结果，提取横通道中心线处各监测点的沉降值，绘制了四种方案的横通道中心线横截面上的地表沉降槽曲线，如图4所示。

图4 横通道中心线沉降槽曲线

从图4中发现，四种方案的沉降槽差别较小，其中方案四在横通道始挖部分引起的沉降对比另外三种方案所引起的该部分沉降较小，数值模拟的最大地表沉降均发生在车站中心区域，故选取中心区域的部分监测点(如图3中监测点红色标记处)所得的沉降值，利用软件，按照Peck法[16]拟合数据，拟合公式为

(1)

式中：S为地表任意一点的沉降值；Smax为地表沉降最大值，位于沉降曲线的对称中心线上；y为距车站中心线(车站中心线位置如图3所示)的距离，自车站中心线向横通道始挖处为负，反之为正；yc为从车站中心线到地表沉降值最大处的水平距离；i为从沉降曲线的对称中心线到曲线反弯点的水平距离，简记为反弯点距离。

通过拟合得到车站中心区域处的各方案横通道中心线上的模拟地表沉降槽拟合曲线，如图5所示。

(a)方案一 (b)方案二

(c)方案三 (d)方案四图5 各方案沉降槽拟合曲线

根据拟合结果，不同开挖顺序所引起的最大沉降值差别较小，是由于横通道与小导洞的开挖对横通道中心线处地表的重复多次扰动一致，因此引起的沉降值较接近。方案2即“先开挖东侧导洞再开挖西侧导洞”的方案所引起的反弯点距离最小，由于该方案先形成了一侧的支护体系，该体系的形成增加了该侧土体的稳定性，减小了另外一侧土体开挖时对土体的影响范围。各方案的最大沉降位置位于横轴的副半轴，该位置处于车站中心线偏向横通道始挖处，这是由于横通道的开挖而导致车站中心线偏向横通道始挖处的土体受到更大扰动，如图6所示为方案2东侧导洞开挖完成后的沉降云图，上层导洞上部土体浅蓝色区域表示该处土体沉降较大，且该区域偏离车站中心区域向右，故车站中心线偏右侧处地表沉降较大，由于土体的开挖，下部土体应力卸载，导致隧道下部土体出现隆起，如图中红色和橘黄色区域，通过观察还可发现车站中心线右侧(即15号导洞下部)竖直方向的隆起更为明显，产生的竖向位移通过衬砌结构和上部的土体的传递，减小了该侧地表的沉降。

2.2 不同开挖阶段沉降比例分析

本文所选取的四种方案，每一种方案的施工均可分为上层横通道开挖、下层横通道开挖和导洞开挖，在yc=-2.3m处即第13号监测点处，各方案施工中上述三部分的开挖所引起的地表沉降值及其占比如表2所示。

图6 方案二东侧导洞开挖完成后的沉降云图

通过对表2的分析可知，小导洞的开挖所引起的地表沉降是引起地表沉降的主要因素，占总沉降约60%，横通道的开挖引起的地表沉降约占40%，故实际工程中需在小导洞开挖过程中施加沉降控制措施；就横通道的开挖，先开挖上层横通道后开挖下层横通道对比先开挖下横通道后开挖上横通道差别较大，方案1、方案2和方案3都是先开挖上横通道，方案4先开挖下横通道，通过对比四种方案地表沉降的占比发现，先开挖下横通道使下横通道引起地表沉降的占比较大，这是因为先开挖上层横通道，会在上部先形成支护结构，再开挖下横通道时上部土体相对稳定，有利于降低沉降产生速率，使沉降产生的速度更平缓，故先开挖并支护上部土体有利于对地表沉降的控制。

表2 不同开挖部分所引起的地表沉降值及其占比

3 结论

(1)由于PBA工法横通道及导洞的开挖对横通道中心线处的多次重复扰动一致，导致不同的开挖顺序对最终的地表沉降的影响差别较小。PBA工法施工的车站，小导洞的开挖是引起地表沉降的主要因素，小导洞引起的地表沉降占地表总沉降的60%左右，横通道开挖所引起的沉降占总沉降的40%左右，故需要在小导洞开挖过程中施以沉降控制措施。

(2)对于需要双向开挖导洞，若先在一侧形成完整的支护体系，在另外一侧开挖前提高了土体的稳定性，减小完成开挖后的反弯点距离，减小开挖对土体的扰动程度。先开挖下层横通道会使开挖下层横通道所引起的地表沉降占总沉降的比例较大，先开挖上层横通道会先形成支护体系，增加了上部土体的稳定性，有利于对地表沉降的控制。

(3)由于车站中心线两侧横通道的开挖长度不同，以及开挖所产生的应力卸载而产生的隆起不同，导致地表最大的沉降位置偏离车站中心点，偏向横通道的始挖方向。