PBA工法扣拱施工顺序的合理选择与力学分析

杨德宝，贾帮辉

(1.沈阳地铁集团有限公司 沈阳市 110168； 2.沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168)

0 引言

在沈阳地铁施工中大规模地使用了PBA工法，PBA工法由顶纵梁、底纵梁、中柱、围护桩以及顶拱作为整个受力体系共同承受初期的受力[1]。在这种结构保护下，对下方土体进行开挖。目前有很多学者对PBA工法进行研究，王金明[2]等以北京地铁某车站PBA法施工为案例，系统分析了车站桩柱结构在施工过程中的应力应变分布特点；王亮[3]等以沈阳某地铁作为研究对象，研究了PBA工法下地表沉降的规律，为工程实际提供理论支持；瞿万波[4]等以北京地铁十号线作为研究背景，研究边桩的受力特性和力学特征，并讨论在PBA工法下边桩的稳定性；HU、LIU[5-6]等均采用数值模拟方法，对导洞开挖或顶部扣拱等关键施工环节进行研究与优化。虽然目前对PBA工法的研究较多，但是对于扣拱顺序和力学研究比较少，也缺乏理论和系统的研究。

PBA工法施工多跨结构车站过程中面临着扣拱施工顺序的选择，扣拱过程中受力转换复杂，因此需要选择合理的施工顺序来平衡受力[7]，使在整个地铁车站施工过程中车站受到的扰动最小，PBA工法在多数情况下都是采取逆作法施工，上部的二衬结构要承担土体开挖后所释放的应力，因此需要对二衬进行应力分析。施工过程中保证边跨同步施工，以减小开挖施工过程中产生的不平衡推力，这样就对施工协调是有难度的，因此研究施工过程中错步开挖对结构的影响也是具有意义的。

1 工程概况

该车站位于沈阳市沈河区青年大街，整体呈东西走向布置，全长为211m，车站采用暗挖法作为主要施工方法，主体采用PBA工法施工，车站的结构为两层三跨三联拱结构，主体结构如图1所示[8]。

该车站段的地层由杂填土、中粗砂、砾砂、圆砾、砾砂、圆砾由上至下分布。车站埋在地表以下6.3m到6.6m处，地势较平缓，最大高差为1.98m，地面的标高处于43.70m到45.68m之间，浑河高漫滩及古河道为该地段的地貌类型。赋存在圆砾和砾砂的地下水存在于场区之内，为第四系的孔隙潜水。某些区域因为工业用水、生活用水以及地下管道的水渗透而产生上层滞水。整个场区内的地下水分布是比较稳定的，且含水层的厚度自东向西是逐步增大的，地下水位常年保持稳定大约为2m。

2 模型的建立和方案选取

2.1 模型的建立

(1)小导洞开挖一般为台阶法开挖，而本模拟均采用全断面法开挖，因此循环进尺选择1m，开挖与支护的时空效应考虑为及时支护[9]。

(2)在实际施工中注浆的工作要根据实际情况来做，而且在施工前会对地下水进行处理，因此在施工时地下水对结构的影响相对比较小，本次模拟并未对注浆进行模拟

(3)采用摩尔库伦本构模型模拟土体单元，为了简化模型土体为等厚同标高，地下水的影响不做考虑。

(4)初期支护在模拟过程中采用等效刚度，利用公式将钢格栅与混凝土的刚度等效为混凝土的刚度[10]，公式为：

式中:Sg—钢架横截面积(m2)；

Eg—钢材的弹性模量(MPa)；

Sc—混凝土横截面积(m2)；

E—等效的混凝土弹性模量(MPa)；

E0—混凝土材料的弹性模量(MPa) 。

(5)模型中的荷载只考虑土体的自重和车站上方的荷载，车站上方的荷载为方向向下20kPa的均载。

(6)数值计算模型初支采用板单元，钢管柱为梁单元，其他结构均为实体单元进行模拟。

(7)避免模型的边界条件对计算结果产生较大偏差，需要选取开挖洞径3～4倍左右的范围作为模型的尺寸[11]，因此本文的模型尺寸大小为宽度是120m，高度为72m，车站的纵向宽度取20m。模型模拟参数如表1所示，模型边界条件为上表面为自由约束，其余面都为法向约束。

2.2 方案的选取

施工方案的选取，采用以下四种方案进行对比研究。

表1 模型参数

工况1：先边后中同步开挖；工况2：先中后边同步开挖；工况3：先边后中错步开挖；工况4：先中后边错步开挖。工况1为中跨落后边跨8m开挖，工况2为中跨提前边跨8m开挖，错步开挖为边跨落后另一个边跨4m开挖。导洞初支的拆除同样也是相同的距离。

3 计算结果与分析

主要研究的内容为不同扣拱顺序下地面的变形分析、结构的内力分析以及对中柱的影响这三方面，车站的模型结构如图2所示。

3.1 不同扣拱顺序下地面的变形分析

由表2可以清楚看到先边后中的开挖顺序在初支扣拱阶段对地面的扰动较小，先中后边最大的地表沉降量为6.83mm，先边后中的最大沉降量为6.52mm。先中后边的开挖顺序在二衬扣拱完成阶段对地面的扰动较小，先中后边最大的地表沉降量为11.61mm，先边后中的最大沉降量为12.39mm。总体上来讲先中后边的开挖方式对地表的影响范围要小，其中累计沉降值先中后边最大值为18.44mm，先边后中最大值为18.90mm，这种差别并不是很大。无论是先边后中还是先中后边的开挖顺序，以及对应方式的同步开挖与错步开挖对地表的影响差别不大[12]。

表2 不同扣拱顺序下地表沉降量

3.2 不同扣拱顺序下结构的内力分析

由图3至图6可知这四种施工顺序下，二衬的受力特点都有着相似之处，首先无论是边衬还是中衬最大的主应力均发生在中拱和顶纵梁交接处，并且表现为拉应力。其次对于二衬拱底的应力要高于拱顶，而且由表3可以看出同步开挖的应力值都小于相应的错步开挖。但不同处是对于先边后中的开挖顺序无论是同步开挖还是错步开挖最大的应力都发生在边衬上，而先中后边的最大应力值发生在中衬上。在整个施工阶段中工况1中衬最大的主应力(1.07MPa)小于其他施工顺序，边衬的最大应力(1.16 MPa)同样也是小于其余施工顺序，对于同步开挖先中后边的开挖方式比先边后中的开挖方式中衬产生的内力值多26.0%，边衬产生的内力值多2.5%，对于错步开挖先中后边的开挖方式比先边后中的开挖方式中衬产生的内力值多30%，边衬产生的内力值多7.5%。同样是先中后边开挖方式错步开挖的中衬产生的应力值比同步开挖的应力值高8.1%，边衬产生的内力值多2.5%，先边后中的开挖方式错步开挖中衬产生的应力值比同步开挖中衬产生的应力值高4.6%，边衬产生的内力值多7.5%，因此可知先边后中的开挖方式产生的内力更小，所以从结构内力考虑工况1是最好的选择[13-14]。

表3 不同扣拱顺序下二衬扣拱最大主应力统计表

3.3 不同扣拱顺序下对中柱的影响分析

由图7、图8可以看出扣拱二衬完成时中柱的水平位移，是属于一个对称的形状，即均同时指向或背离车站长轴，未出现向同一侧倾斜的现象，这样车站结构不易失稳。取第二排中柱为研究对象，各个阶段下中柱的水平位移如图所示，明显可以看出四种施工顺序均会随着施工的进行，中柱不断向一侧偏移，但在边衬施工时会明显变小。这因为在边衬施工时，洞内的二衬结构随着边衬一起施工，这样与中柱共同承担受力，使中柱的变形量减小，在实际工程中也可以施加刚拉杆以控制中柱变形。从表4的水平位移数值来看，先中后边中柱的水平位移在稳定阶段的最大位移为1.61mm是高于先边后中水平位移0.89mm。先中后边的开挖方式错步开挖的最大水平位移也要大于同步开挖，这就需要施工的时候保持两侧同步跟进。因此对于此工程，在考虑中柱水平位移时，先边后中的开挖方式更合理。实际工作中为了施工安全，还可采取扣拱结构间增设横向预应力拉杆或横向拉压构件的方式施工，这样可以大大降低施工过程中的风险[15]。

表4 不同扣拱顺序下柱顶位移值统计表

施工顺序位置初支扣拱完成时位移(mm)二衬扣拱完成时位移(mm)工况1左侧中柱0.600.89 右侧中柱-0.61 -0.97 工况2左侧中柱0.64 1.61 右侧中柱-0.79 -1.62 工况3左侧中柱0.62 0.90 右侧中柱-0.63 -0.92 工况4左侧中柱0.67 1.92 右侧中柱-0.79 -1.96

4 结论

以沈阳某浅埋暗挖施工的地铁车站为例，从地表沉降，结构内力与中柱的水平位移三个方面进行考虑，可以得到以下的结论，为PBA工法的扣拱施工提供理论上的参考。

(1)对地表沉降的影响，先中后边的开挖方式，地表的沉降值更小，而先边后中的开挖方式在初支阶段对地表的扰动小，且错步开挖与同步开挖并没有明显的区别。

(2)对结构内力的分析，无论哪一种开挖方式，最大的主应力均发生在中拱和顶纵梁交接处，并且表现为拉应力，但先边后中的开挖方式产生的内力值更小。

(3)对中柱的水平位移进行分析，先边后中的开挖顺序比先中后边的开挖顺序能够更好控制拱脚对中柱的推力，进而使柱顶的位移更小。

(4)先边后中的开挖方式无需考虑两侧同步跟进，但先中后边的开挖方式需要两侧跟进，以防止边拱拱脚对中柱产生不对称推力而导致其发生扭转。

故综上所述，虽然使用先边后中的施工顺序对地表的沉降量大，但是差距不明显，而且先边后中的施工顺序柱顶位移更小，产生的应力值更小，柱顶位移的变化对于PBA工法的施工更为关键。先边后中的开挖顺序错步开挖与同步开挖的差别不大，这样就无需严格保证两侧边拱的跟进，也可以大大降低施工协调的难度，提高工作效率。