单层洞桩法较PBA优势及合理开挖顺序模拟分析

孙玉辉 李晓萌 陈昌彦 白朝旭 王金明

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

城市地铁建设高速发展，地铁施工穿越邻近建（构）筑物、既有地铁、铁路等风险较高的周边环境已成常态，地铁施工过程中，因开挖扰动、地层损失、固结沉降等因素造成地层产生变形，导致周边环境随之发生变化。由于建（构）筑物、既有地铁、铁路等风险较高的周边环境均有自身刚度的限制，对变形控制较为严格，另外，北京等城市对地下水资源保护意识逐步增强，目前地铁施工普遍限制降水，对于在地下水丰富的地层进行地铁施工是巨大挑战。如不能正确选择施工工法将会给周边环境造成事故，带来的经济损失及社会影响难以估计。因此，在周边环境复杂的城市中心如何选择暗挖车站施工工法以确保自身结构及周边环境安全已成为地铁施工必须探索和研究的课题。为解决上述问题，目前城市中心等环境复杂地方车站或隧道多采用单层洞桩法暗挖修建，单层洞桩法首次在北京大屯路隧道试验，后期在北京地铁10号线二期进一步尝试，在北京地铁16号线得到推广应用[1-3]。单层洞桩法作为新型施工工艺，目前针对其优势及合理施工顺序的理论研究偏少。基于此，以北京地铁16号线8座暗挖车站为例，分析单层洞桩法施工较传统PBA工法优势，并对单层洞桩法施工工艺进行数值模拟，总结分析出合理开挖顺序，为设计、施工及理论研究提供参考。

1 洞桩法原理及施工步序简介

洞桩法施工即是先进行车站局部开挖，形成桩柱拱竖向直撑体系后，再在直撑体系的保护下进行逐层土方大开挖、施做车站结构的一种施工方法。目前常用的洞桩法为传统PBA工法和单层导洞洞桩法，传统PBA工法施工步骤为：开挖上下两层导洞-施做边桩、中桩、条基、顶底纵梁等初支扣拱形成拱支护-土方开挖-施做结构。单层导洞洞桩法施工步骤为：上层导洞开挖-施做边桩、中桩、中柱、冠梁、顶纵梁、初支扣拱形成拱支护-土方开挖-施做结构。两种施工工艺最大区别为是否进行下导洞开挖[4-8]。具体步骤见图1、图2。

图1 传统PBA工法施工工序

图2 单层导洞洞桩法工法施工工序

2 单层导洞洞桩法优势分析

2.1 对周边环境的影响

根据相关统计资料显示，传统PBA工法施工对周边地层及环境影响较大[4-8]；单层导洞洞桩法施工因只开挖上层导洞及边桩，对周边环境起到隔离保护等作用，对周边地层及环境影响较少。本文以北京某地铁线路相邻暗挖车站进行实例分析，各车站基本情况及对应地表沉降量统计见表1。

从表1可看出在车站结构尺寸、埋深、地层条件等相似的情况下，传统PBA工法施工造成地表沉降平均值为-113 mm，单层导洞洞桩法施工造成地表沉降量平均值为-62 mm，减少了45%。

表1 各车站基本情况及对应地表沉降量统计表

总之，单层导洞洞桩法工艺减少导洞开挖数量，特别是取消了下层导洞开挖环节，从而减少暗挖施工对周边环境的影响。另外，边桩的施做起到隔离桩的作用，亦可实现对临近风险源的隔离保护作用。

2.2 对地下水处理手段

传统PBA工法施工下层导洞一般在水位以下作业，对地下水的处理难度较大，风险较高。遇到地下水时一般采用地面管井降水+导洞内真空降水的综合处理方法，下层导洞内的结构是整座车站结构体系的基础，要提前将地下水降至下层导洞底板以下，才可施工主体下层导洞，这导致降水周期过长，对地下水造成极大浪费，并且如遇降水效果不好或地层存在层间滞水等情况，往往出现带水作业现象，极大地增加施工风险。目前，北京等城市限制地铁施工降水，即使允许降水，降水井打设困难已是常态，传统PBA工法施工难度不断加大。

单层导洞洞桩法为上导洞内边桩施工，通过调整缩小边桩间距，减少桩间土体裸露面积，或者直接施做止水帷幕，为后期在“桩柱拱”支撑保护下的土方开挖进行桩间止水创造有利条件。站厅站台土方开挖期间，配合采用深孔注浆的方式对桩间土体进行加固止水，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，加固区域相对集中，可达到快速止水的效果，地下水得到有效控制，避免桩间土流失、坍塌及桩外空洞的形成。

总之，单层导洞洞桩法工艺可利用上层导洞不涉及地下水的有利条件，实现车站三分之二时间在无水条件下作业，并可于洞内进行地下水综合治理，可有效避免因长期降水导致的地表沉降，改变有水施工环境，提高施工环境安全性，降低投资成本，有利于保护水资源和提高工程经济效益。

2.3 其它方面

单层洞桩法可以提高作业机械化程度和工程施工质量，从而提高施工效率、降低工程风险。

3 单层导洞洞桩法合理开挖顺序研究

本次计算使用通用有限差分程序FLAC3D，采用地层-结构模型，按照平面应变处理，以北京某地铁单层导洞洞桩法暗挖车站为例进行模拟，主要分析单层导洞洞桩法导洞开挖、初支扣拱、二衬扣拱的合理顺序。

3.1 模型说明

本次模型假定如下[9-10]：

（1）地层材料采用理想弹塑性模型，Mohr-Coulomb屈服准则，大应变变形模式，结构材料均采用线弹性本构模型；

（2）假定地表面和各土层均呈均质水平层状分布；

（3）不考虑岩体的构造应力场，只考虑自重应力场，并假设侧压力系数为1/3；

（4）不考虑地下水渗流在车站开挖过程的影响。

根据本工程情况，本模拟中地层划分情况及各地层参数见表2。模拟中初支及二衬均采用实体单位进行模拟，边桩根据式（1）、式（2）等效为连续墙，中柱采用实体单位[11-17]。具体模型网格图见图3。

图3 模拟网格图

表2 地层划分及其参数统计

式中：D为桩直径，m；T为桩间净距，m；H为等效后墙厚度，m。

3.2 导洞合理开挖顺序

根据本暗挖车站的形式，导洞自左向右依次编号为1、2、3、4，初支扣拱自左向右依次编号为a、b、c，二衬扣拱自左向右依次编号为A、B、C（见图4）。

图4 导洞、初支扣拱、二衬扣拱开挖顺序图

根据单层导洞洞桩法施工特点，对导洞开挖顺序13-24、23-14、14-23、14-2-3、1-4-3-2、1-4-2-3、2-3-14等7种情况进行模拟，具体不同导洞开挖顺序对地表竖向位移及水平位移影响统计见表3，不同导洞开挖顺序施工造成的地表沉降槽见图5。

表3 导洞开挖对地表影响统计

图5 导洞开挖对地表影响沉降槽

根据表3及图5可得出：

（1）1-4-2-3、1-4-3-2导洞开挖顺序施工对车站横向地表影响范围较大，14-23导洞开挖顺序施工对车站横向地表影响范围较小。14-23、23-14导洞开挖顺序（即中间两导洞同时开挖）施工对地层竖向变形影响较大，其余导洞开挖顺序影响较小。

（2）边导洞开挖后，中间2个导洞开挖先后顺序对地表竖向变形无影响，例如1-4-2-3和1-4-3-2导洞开挖顺序。但中间两导洞开挖过程中要确保合理错距，如无错距或不合理将对地表竖向变形影响很大，例如1-4-2-3和1-4-23导洞开挖顺序。

（3）总体来看13-24导洞开挖顺序性价比较高，在合理控制地表竖向变形及车站横向影响范围的情况下，有利于缩短工期，为单层洞桩法施工首推导洞开挖顺序。

3.3 初支扣拱合理开挖顺序

根据3.2节结果，在13-24导洞开挖顺序上进行初支扣拱ac-b、b-ac、a-b-c、a-c-b、ba-c等五种情况模拟。具体不同初支扣拱顺序对地表竖向位移及水平位移影响统计见表4，不同初支扣拱顺序施工造成的地表沉降槽见图6。

表4 初支扣拱对地表影响统计

图6 初支扣拱对地表影响沉降槽

根据表4及图6可得出：

（1）不同初支扣拱顺序对地层竖向变形及车站横向水平影响均不大，竖向变形最大值与最小值相差仅为2.7%，水平影响范围最大值与最小值相差为4.6%。

（2）考虑到工期及现场施工条件，首推ac-b初支扣拱顺序进行现场施工。

3.4 二衬扣拱合理开挖顺序

根据3.3节结果，在ac-b初支扣拱顺序的结果上进行二衬扣拱AC-B、A-B-C、A-C-B、BA-C、B-AC等五种情况模拟。具体不同二衬扣拱顺序对地表竖向位移及水平位移影响统计见表5，不同二衬扣拱顺序施工造成的地表沉降槽见图7。

根据表5及图7可得出：

图7 二衬扣拱对地表影响沉降槽

表5 二衬扣拱对地表影响统计

（1）二衬扣拱期间地层竖向变形阶段量较少，不同二衬扣拱顺序对地层竖向变形量影响适中，竖向变形最大值与最小值相差仅为15.2%；不同二衬扣拱顺序对车站水平影响范围最大值与最小值相差为2.6%，相差较小。

（2）考虑到工期及现场施工条件，首推B-AC二衬扣拱顺序进行现场施工。

4 结论

（1）作为地铁车站结构施工方法，传统PBA工法和单层导洞洞桩法均是先进行车站局部开挖，形成桩柱拱竖向直撑体系后，再在直撑体系的保护下进行逐层土方大开挖，两者最大区别是后者无需进行下导洞开挖。

（2）与传统PBA工法相比，单层导洞洞桩法对周边环境影响较小，可采用综合手段治理地下水，更有利于保护地下水资源、提高作业机械化程度、降低工程风险。

（3）为实现施工便捷，并能降低地表竖向变形及车站横向影响范围等不利影响，导洞开挖顺序首推隔洞同时开挖的方法，杜绝相邻导洞同时开挖或不满足错距要求的情况下同时开挖。

（4）不同初支扣拱顺序、二衬扣拱顺序对地层竖向变形及车站横向水平影响均不大，建议按照先边后中的顺序进行初支扣拱，按照先中后边的顺序进行二衬扣拱。