北京地铁16号线马连洼车站 PBA法施工地表沉降控制关键技术

陈廷涛

（中铁二局集团有限公司，成都 610031）

1 工程概况

北京地铁16号线工程马连洼站为地下2层三跨连拱直墙结构，总长 282.1m，宽 21.6m，站台宽度 12m。车站主体采用洞桩法（PBA）施工，顶板覆土厚 9.87m。车站主体主体小导洞开挖支护标准段采用6导洞开挖施工，设备区段采用8导洞开挖施工。

车站开挖范围内地层分别为：①1 杂填土、①素填土、②2黏土、②1 粉质黏土、③1 粉质黏土、③粉土、⑤2 细砂、⑤卵石、⑥粉质黏土。地下水的类型分别是潜水（二）：含水层主要为⑤卵石层，稳定水位深度 18.0～20.5m，层间水～层间～承压水（三）：含水层主要为⑥3 细中砂层、⑦卵石层和⑦2 粉细砂层，稳定水位深度 21.0～23.3m。

2 车站施工数值模拟

根据马连洼站 PBA 法施工设计情况，对8导洞开挖过程施工采用 ANSYS 有限元软件进行模拟，导洞位置如图1所示。为此本次计算将工况分为：（1）开挖顺序为（1）、（4）→（2）、（3）→A、D→B、C；（2）开挖顺序为（2）、（3）→（1）、（4）→B、C→A、D；（3）挖顺序为 A、D→B、C→（1）、（4）→（2）、（3）。最终计算得出沉降曲线如图 2～图4所示。

图1 导洞位置图

图2 工况 1( z=0m处) 地表沉降曲线图

图3 工况 2( z=0m处) 地表沉降曲线图

图4 工况 3( z=0m处) 地表沉降曲线图

通过对工况1和工况2的对比可以看出，先开挖外侧导洞在上部导洞开挖过程中有利于降低地表沉降，而对比工况1 和工况3发现，虽然先开挖下部导洞，初期沉降较小，但随着后续上部导洞的开挖，由群洞效应引起地表沉降叠加使地表沉降迅速增大，不利于沉降控制措施的实施，同时，在施工开挖完成后，工况1的最终位移值最小，所以，建议采用工况 1：（1）、（4）→（2）、（3）→A、D→B、C 的顺序进行导洞开挖。

3 马连洼车站 PBA法施工关键技术

3.1 马头门施工

PBA 工法马头门施工是结构受力转换的重要环节，是控制沉降的重要工序。关键技术措施为：

1）导洞马头门钢筋混凝土破除时，应提前对临时仰拱采取换撑措施。换撑采用双拼 I22a 门式架型钢支撑临时仰拱，另增设一道 I22a 横撑于导洞洞口处，与临时仰拱焊接相连，用于平衡导洞开洞处横通道侧壁土体造成的偏压[1]。

2）马头门开洞前，在起拱线上沿开挖轮廓线外打设双排超前小导管，水平打设，管长 4m。

3）破除导洞洞门格栅，安装首榀格栅钢架上半部分，在拱脚处迅速焊接一根 I22“a 卡口撑”将拱架迅速临时封闭成环，并打设锁脚锚杆与拱架牢固焊接。导洞洞口格栅采用双主筋3 榀连立加强支护。

4）主体小导洞上半断面钢筋混凝土破除完毕之后，继续向前开挖掘进 3～5m，方可破除下半部分钢筋混凝土[2]。

3.2 导洞施工

导洞施工顺序采用前述模拟计算比选的推荐方案。关键技术措施如下：

1）导 洞 开 挖时 为 避 免 群 洞 效 应 ，同 层 前 后 错 开 不 小 于10m，上下层导洞错开不小于 15m，横通道相对导洞错开不小于 15m。

2）主体导洞内土方采用两台阶预留核心土环形开挖法施工，人工开挖，遇到砂夹石，硬质黏土等紧密坚硬围岩时，可使用风镐等小型机具配合开挖。洞内台阶长度以 4.5～5m 为宜。开挖后及时架设格栅挂网喷射混凝土，完成初支封闭[3]。

3）导洞开挖过程中采用 φ42mm×3.25mm 小导管超前注浆加固地层，小导管长 2m，纵向每榀钢架打设一环，环向间距0.3m，与垂直线夹角为 10°～15°，采用单液水泥浆。若遇到细砂层，间距可适当加密，浆液选用双液浆[4]。

4）在进行小导洞开挖支护施工时，严格控制上层导洞格栅间距和安装精度，减少误差，保证两侧边导洞、中导洞横向同排格栅在同一断面上，以确保后续施工的扣拱格栅和小导洞格栅能良好连接。

3.3 初支扣拱施工

车站主体边桩顶冠梁施工时，进行边导洞内扣拱；拱顶间扣拱随车站大断面土方开挖进行，每 0.5m 为一个循环，同时严格按照“管超前，严注浆；短进尺，强支护；早封闭，勤量测”的施工原则做好支护工作。关键施工技术措施如下：

1）边导洞内扣拱由导洞里侧向导洞外，在边导洞开挖、初支完成后，随边桩顶冠梁施工进度进行。扣拱时，在桩顶冠梁处预埋钢筋。扣拱时，若出现螺栓孔眼对接困难的现象，可将格栅连接钢板满焊。

2）导洞间格栅扣拱采用的大拱格栅端头一端为螺栓连接，一端采用角钢与预埋钢板焊接，做到格栅可调，保证在因施工误差导致导洞格栅出现错位的情况下扣拱成功。

3）导洞边桩及洞内扣拱施工完毕后，边桩、扣拱与导洞之间的初支间隙应填充密实，以保证初支所收的土压力能顺利的传到车站的整个支撑体系[5]。

3.4 二衬扣拱施工

二次衬砌扣拱施工需拆除初期支护，完成结构受力转换，是 PBA 工法中最为关键的工序，也是风险较高的工序。施工关键工序及相关措施如下：

1）施工前，首先完成边导洞内侧拱和侧拱背后回填。

2）初支拆除前需提前测取拱顶沉降初始数据，破除首段9m 初支混凝土，测取拱顶沉降监测数据（不小于1次/d），后续其余段初支每次拆除不大于一个柱跨（6m），破除时监测数据按1次/d 测取。

3）中跨先扣，边跨初支扣拱滞后 12m 对称施工；初支扣拱完成后进行边跨二衬扣拱。

4）顶纵梁及二衬扣拱施工时应预埋钢拉杆，待二衬扣拱混凝土浇筑完成后，即时将钢拉杆通过套筒或焊接连成整体。顶纵梁与二衬扣拱整体浇注。

4 实际监测数据分析

选取车站一典型横断面（8 导洞处），选取该断面在8个小导洞同时施工时，各点的累计沉降数据统计，地表累计沉降曲线如图5和表1所示。

图5 典型断面测点沉降图

表1 典型断面测点沉降值

选取上述断面中地表特征监测点位（ML1）DB30-04 全过程累计沉降数据整理分析，得出该点历时沉降曲线（见图 6）。

图6 （ML1）DB30-04点沉降时程曲线

通过图5和图6的分析可以看出：

1）图5显示，车站在8个导洞同时开挖时，沉降槽曲线与前述模拟计算沉降规律、形状相似，数值结果接近，说明本次模拟选型合理，效果较好。

2）实测数据与模拟计算结果有偏差，且实测数据较模拟计算结果偏大。主要原因是在模拟计算过程中未考虑降水因素，以及实际过程中注浆因素的影响。

3）图6显示，PBA 工法在车站施工过程中，不同工序对地表沉降的贡献各有不同，其中，小导洞施工对地表沉降影响最大，依次是初支扣拱、二衬扣拱，桩梁体系施工对地表沉降影响最小。二衬扣拱完成后，基本趋于平稳，在后续车站内土方大开挖对地表沉降几乎没有影响。

4）在群洞效应的影响下，测点受到的小导洞影响越多，沉降越大，距离越近，影响越大。在下层小导洞的施工过程中，对测点的沉降影响尤为明显。

5 结论

通过本文的分析，得到以下结论：

1）通过建模和数值分析以及实践证明，PBA 工法在车站小导洞施工顺序上选用先上后下，先边后中对沉降的控制的是合理的。

2）PBA 工法施工过程中，对沉降贡献较大的工序分别为小导洞施工、初支扣拱施工、二衬扣拱施工。小导洞施工过程中，马头门的破除顺序、临时仰拱的换撑、施工步序以及导洞施工格栅的安装精度是控制沉降的关键；初支扣拱中格栅的安装精度是控制沉降的关键；二衬扣拱中，格栅的拆除顺序和长度是控制沉降的关键。

3）本文以马连洼车站为例，进行施工技术分析总结，提出的技术方法有针对性，但无普适性，仅对类似工程有借鉴意义。