PBA工法暗挖关键步序对黄土地区车站地表沉降影响研究

汪 珂，刘奉银，李储军，高小州，崔靖俞

(1.西安理工大学 土木建筑工程学院, 陕西 西安 710048；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；3.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，陕西 西安 710043)

地铁施工过程中产生的过大地表沉降和变形会对地面建筑物以及地下管线的安全造成巨大威胁[1-3]。地铁暗挖车站几乎都处在城市密集区，施工难度大，稍有失误将会造成不可估量的损失[4]。

洞桩法(Pile Beam Arc Method, PBA工法)指的是工程结构中的三个重要组成部分“柱(桩)”、“梁”、“拱”[5]，即由边桩、中桩(柱)、顶底梁和顶拱共同承担施工过程的荷载；其主要思想是将盖挖及分步暗挖法有机结合起来，发挥各自的优势，在顶盖的保护下可以逐层向下开挖土体，施作二次衬砌。PBA工法在应对复杂环境时可以采用顺作法和逆作法两种施工方法，最后形成由初期支护与二次衬砌共同作用组合成的永久承载结构体系。

PBA工法相对于其他暗挖施工方法，诸如中洞法、双侧壁导坑法、中隔壁法等常规暗挖方法而言，断面利用率高，施工更加安全可靠，并且可以大量减少临时支撑，减少施工浪费[6-14]，其核心思想是在由边桩+顶拱组成的支护体系代替传统的支护结构，以保证后期施工有足够的安全保障，且有效控制地表沉降。

近年来，国内多位学者对PBA工法的施工特点及对地层变形的影响进行了研究，积累了大量的成果。付春青[15]对比了工程实测数据与数值模拟结果，研究了车站结构断面周边地层空间不均匀变形；曹力桥等[16]通过三维有限元分析法，研究了大桥桩基附近车站PBA施工对大桥和地表沉降影响规律；吴精义等[17]的研究表明，PBA工法施工的车站，大于相应地表沉降值的发生概率与地表最大沉降值的关系符合正态分布，可藉由降水量大小预测地表沉降量发生概率。

对比地表沉降的结果，导洞的开挖顺序的影响不可忽视，李金奎等[18]的研究表明，地表沉降与导洞施工顺序密切相关；李储军[19]针对黄土地区的PBA工法进行了改进，认为上部四个小导洞，下部两个大导洞更适用于黄土地区暗挖车站；张振波等[20]的数值模拟研究表明，开挖上层导洞比下层导洞对既有车站结构变形影响更小。

本文依托三维有限元分析软件ABAQUS，模拟研究不同导洞开挖顺序对地表沉降以及导洞初支、车站最终主体结构的应力影响，以期为类似工程提供相应参考。

1 计算模型的建立与参数的确定

1.1 工程概况

西安地铁8号线共设37座车站，线路全长约49.896 km，均为地下线，其中换乘站18座，最大站间距2.529 km，位于明光路-范家村区间，最小站间距0.790 km，位于电子正街-东仪路区间，平均站间距1.349 km。

西安地铁8号线某车站主体为双层三跨联拱结构断面形式，拟建场地地形较平坦，地面高程介于492.24 m～497.55 m，地貌单元属黄土梁洼。车站洞身主要土层属第四系上更新统和第四系中更新统，围岩等级为Ⅴ级。车站可采用天然地基，场地类别为Ⅱ类。地下水埋深41.50 m～50.60 m。结构底板埋深约为32.5 m，车站整体位于地下水位以上，上覆土层厚度11.0 m～14.7 m。结构顶板处土层主要为Q3古土壤、Q2老黄土，车站主体处于风积层和残积层，主要为Q2老黄土和Q2古土壤，围岩分级均为Ⅴ级，自稳能力差，施工过程中容易发生坍塌，施工时需要及时支护。地层岩性见表1。

表1 地层岩性一览表

车站双层段分8个导洞，自上导洞向下施做围护桩及中柱，并施做顶拱，下层导洞施做条形基础；之后开挖上层土至中板，施做中板及侧墙；然后开挖站厅层，施做站厅层中板及侧墙；最后开挖站台层，施做底板及站台层侧墙，完成开挖。PBA工法施工步序见图1。

图1 PBA工法施工步序

1.2 数值模拟

西安地铁8号线某车站主体为双层三跨联拱结构断面形式，采用8导洞PBA工法开挖。依照弹塑性计算一般影响范围，模型宽度取为5倍洞径，约为158 m;模型竖向上至地表、下至2倍洞径处为78 m，呈对称分布；模型沿车站轴向取为25 m，模型的各土层均采用摩尔-库仑本构模型[21-26]。由于车站位于地下水位以上，故不考虑地下水渗流的影响。依据实际工程背景，对拟建车站开挖进行全过程模拟，车站上覆土层12 m，车站高度17 m，模型横截面宽度158 m，隧道轴线方向取14 m；整个模型实体单元62 609个，241 613个节点，土的本构模型采用摩尔-库仑模型。在此基础上对不同工况下的施工情况进行模拟分析，图2为土层三维数值计算模型，图3为车站主体结构三维数值计算模型。模型选用的参数主要来源于地质勘察报告及西安地区黄土地层参数，具体地层及支护材料的各力学参数指标如表2、表3所示。

图2 土层三维数值计算模型

图3 车站主体结构三维数值计算模型

表2 地层参数表

表3 支护材料参数表

模拟将导洞开挖过程分为6种工况[27-28]，见表4。

表4 各工况开挖顺序表

1.3 数值模拟结果分析

根据数值模拟结果，导洞开挖完成时垂直方向沉降量及其云图如图4、图5所示。

(1) 小导洞开挖完成时，通过对各工况下地面沉降情况分析得出：

①工况1—工况3先行开挖上层导洞，在导洞施工完成时产生的沉降较工况4—工况6先开挖下层导洞的施工方法产生的沉降小，上层导洞先行开挖产生的沉降在6.88 mm～8.84 mm，下层导洞先行开挖产生的沉降在13.09 mm～14.76 mm。分析这种现象是因为在先行开挖下层导洞时，下层导洞上方土体因下层的先行开挖受到扰动，使得在开挖上层导洞时对周围土体产生的沉降变大。

②工况2较工况1在导洞开挖完成时产生的沉降略大，即中部导洞(2、3和6、7)先行开挖较边部导洞(1、4和5、8)先行开挖产生的沉降要大，这是因为中部导洞距离较近，容易引发群洞效应所致。工况4和工况5情况相似。

③工况3较工况1在导洞开挖完成时，顶部地表产生的沉降要小，工况1在导洞完成时产生沉降为8.42 mm，工况3为6.88 mm。工况1在导洞开挖阶段产生的沉降占总沉降的46.97%，工况2为48.28%，工况3最小仅为41.09%。工况3选择的是先行开挖上层跳挖导洞1、3，错开导洞开挖，减小导洞开挖时的相互干扰，把导洞开挖对周围土体的扰动降到最小，这种开挖方案在导洞开挖阶段产生的沉降是六种工况中最小的。

经分析，在导洞开挖阶段，工况1优于工况2，工况3优于工况1，上层导洞先行开挖优于下层导洞先行开挖，即“先上后下，交错开挖”的施工方案为最优开挖方案。

图4 导洞开挖完成时垂直方向沉降量云图

图5 导洞开挖完成时各工况地表沉降曲线

(2) 扣拱阶段，各工况地面垂直方向沉降量云图如图6、图7所示。均采用先施工中跨后施工边跨的扣拱顺序。

该施工阶段对导洞部分初支进行了拆除，对结构受力的整体性有一定的影响，存在受力转换。

由图6、图7分析得出：

图6 扣拱完成时垂直方向沉降量云图

图7 扣拱阶段完成时各工况地表沉降曲线

①此阶段地表累积沉降较大为工况4—工况6(先行开挖下层导洞)发生在地面中央，沉降值为18.40 mm～18.80 mm；而工况1—工况3(先行开挖上导洞)在该阶段累积沉降为13.60 mm～14.68 mm，工况3累积的沉降为最小，累积沉降值为13.60 mm。工况2较工况1在该阶段累积的沉降值差异不大，分别为14.27 mm、14.68 mm，这与导洞阶段分析规律一致。

②各工况累积沉降值占比为：工况1累积沉降占比79.63%，工况2累积沉降占比80.20%，工况3累积沉降占比81.25%，工况4累积沉降占比88.98%，工况5累积沉降占比82.66%，工况6累积沉降占比83.52%，可以看出，在车站前期开挖施工阶段，导洞开挖与扣拱施工占了车站总体沉降的比例较大，各工况累积沉降值占比在79.63%～88.98%。因此，对于PBA工法施工的暗挖地铁车站，科学合理地安排导洞及扣拱开挖顺序是降低地表沉降的重点。

(3) 车站主体结构施工完成时，各工况地面垂直方向沉降量云图如图8、图9所示。

图8 主体结构施工完成后土层沉降量云图

图9 车站主体完成时各工况地表沉降曲线

由以上数据分析得出：

①工况1—工况3(先行开挖上层导洞)在导洞施工完成时产生的沉降较工况4—工况6(先开挖下层导洞)产生的沉降小，上层导洞先行开挖产生的累积沉降值在16.73 mm～18.30 mm，下层导洞先行开挖产生的沉降在18.53 mm～22.42 mm。工况1—工况3(上层导洞先行开挖)产生的累积沉降值较工况4—工况6产生的累积沉降值小，在车站主体完成时产生的累积沉降值最大为18.30 mm，而下层导洞先行开挖的产生的累积沉降值，在车站主体施工完成时最大为22.42 mm，比工况2产生的累积沉降多了4.12 mm，接近占比22.51%。比工况3产生的累积沉降多了5.69 mm，接近占比34.0%。

②工况1较工况2在车站主体完成时产生的累积沉降差异不大，这是由于车站在扣拱完成时，已形成土体在框架结构的“棚户作用”下受扰动较小，而主体结构拱顶覆土埋深较浅(约12 m)，对土体的卸载回弹作用较为敏感，两者相互影响，从而该阶段的地面沉降较小。

1.4 各工况结构应力分析

考察车站中部结构横断面，分析六种开挖方案在导洞开挖完成时初支结构应力以及整体施工完成时结构应力，各工况应力云图如图10和图11所示。

由图10和图11各工况导洞主应力云图可以看出，导洞开挖施工完成时，导洞初支结构最大主应力以压应力为主，受导洞土体卸载和初支混凝土浇筑的影响，导洞内初支底部上表面出现拉应力区。下层导洞底部出现的拉应力值较上层导洞初支结构的拉应力值大，在下层大导洞拱顶下表面也出现拉应力区。下层导洞中隔壁与初支结构连接部位出现压应力集中区，导洞的拱脚以及导洞拱顶也出现压应力区。由表5知，各工况导洞初支结构拉、压应力数值相差不大，说明不同开挖顺序对导洞初支结构最终受力影响较小。方案五导洞初支出现较大拉应力值为1.38 MPa，导洞初支受到最大压应力为6.17 MPa，其余开挖方案在导洞开挖阶段出现的拉压应力均小于导洞初支混凝土抗拉、抗压强度设计标准。

各工况车站结构主应力云图可以看出，车站主体结构施工完成时，车站整体呈受压状态，且在冠梁与扣拱二衬接触部位、中板与梁搭接处、中柱底部以及侧墙与底板交接部位出现压应力集中区域。由于车站土体开挖卸载，中柱和边桩承受土层上部传递的荷载，车站底部隆起，在侧墙与底板交接处出现的压应力最大，同时在车站底板上表面出现拉应力集中区。通过对比表6中方案一—方案六车站结构拉、压应力值，车站结构受到最大拉应力为2.54 MPa，车站结构受到最大压应力为7.83 MPa，小于C35混凝土抗压强设计值。开挖顺序对导洞初支压应力影响较明显，车站结构受导洞开挖顺序的影响并不大。

图10 各工况最大主应力云图(单位：Pa)

表5 各方案导洞初支主应力值

图11 各工况最小主应力云图(单位：Pa)

表6 各方案车站结构主应力值

2 结 论

通过对西安地铁8号线某车站PBA工法小导洞开挖施工方案的数值模拟研究，建立了ABAQUS有限元模型，确定了小导洞的最优施工方案，并得到以下结论。

(1) 上层导洞先行开挖引起的地表沉降小于先行开挖下层导洞。这是由于先行开挖下层导洞对上层土体产生了较大的扰动，引发土体松弛，待开挖的上层导洞处于扰动区以内，故产生了较大的地表和拱顶沉降。

(2) 在选择先行开挖上层导洞的情况下，选择跳洞开挖(先行开挖上层1、3或2、4)产生的沉降要略小于先开挖两边间或先开挖中间导洞产生的沉降，这是由于中间导洞距离较近，在开挖中间导洞时，周围的土体扰动较大，造成较大沉降。即工况3先开挖上层导洞并错洞开挖的方案为最优方案。

(3) PBA工法施工的暗挖地铁车站，在导洞开挖阶段与扣拱完成时累积的沉降量均在80%左右，这两阶段占比较大，应加强对导洞开挖和扣拱施工的沉降监测并控制沉降，及时反馈沉降变化。科学合理地安排导洞及扣拱开挖顺序是降低地表沉降的重点。

(4) 多导洞PBA工法施工，导洞开挖顺序对初支压应力影响较明显，车站结构受导洞开挖顺序的影响并不大。同层导洞开挖，方案一和方案二受到的拉、压应力较其他方案偏大，其余各工况车站最终应力值均未超出混凝土抗压强度设计值。车站在前期施工时应针对应力集中的位置进行必要的加固，减小拉、压应力，避免车站支护结构出现超出混凝土抗拉、压强度设计值情况发生。