葉新豐,任雪峰

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,北京 100068)

1 地鐵車站單跨PBA應(yīng)用現(xiàn)狀

PBA法是在傳統(tǒng)的淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上結(jié)合了蓋挖法的特點，利用小導(dǎo)洞和樁技術(shù)在對地層小擾動的情況下，在地下構(gòu)成樁、梁、拱的橫向框架支撐體系，在該體系的保護下進行土體開挖，施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1-3]。PBA工法自20世紀(jì)90年代應(yīng)用以來日趨成熟，相對同體量的工程而言，PBA工法造價相對較低、施工速度較快、廢棄工程量少而被廣泛采用[4-5]。北京地鐵復(fù)八線首次采用PBA工法以來[6]，為了適應(yīng)不同的建設(shè)環(huán)境，結(jié)構(gòu)形式逐漸演變。當(dāng)暗挖車站附近有橋梁樁體等控制因素影響，部分車站采用單跨PBA工法[7-10]，以適應(yīng)各類工程實際需要，目前在北京及許多城市地下車站施工應(yīng)用極為廣泛。

隨著單跨PBA工法的廣泛應(yīng)用，單跨PBA工法的結(jié)構(gòu)形式演變也趨于豐富，從施工順序來分可分為逆作法和順做法，即依據(jù)在初支扣拱后二襯的施作順序不同來區(qū)分，另外一種分類是通過邊樁形式區(qū)分，一類是4導(dǎo)洞單跨PBA工法，另外一類是2導(dǎo)洞單跨PBA工法(部分業(yè)內(nèi)人士稱之為洞樁法)，區(qū)分在于是否施作下層小導(dǎo)洞及邊樁條基[11]。通過對近年北京地鐵建設(shè)工程的統(tǒng)計，目前采用單跨PBA工法的情況匯總見表1。

表1 單跨PBA工法應(yīng)用情況匯總

通過表1可以看出，近年來北京地鐵單跨PBA工法趨勢為流行采用4導(dǎo)洞PBA逆作施工，并且單跨PBA工法的最大跨度有所提高。

在地下結(jié)構(gòu)中，拱的跨度增加勢必會帶來受力增加、施工難度加大、周邊環(huán)境影響加劇、管理風(fēng)險上升等一系列安全風(fēng)險問題，以目前北京地鐵PBA工法跨度最大的8號線二期美術(shù)館站為例(2016年8月數(shù)據(jù))，從設(shè)計、施工角度分析美術(shù)館站由大跨度帶來的風(fēng)險變化及風(fēng)險控制措施。

2 地鐵車站單跨PBA工法應(yīng)用案例

中國美術(shù)館站是北京地鐵8號線二期工程的終點站，位于美術(shù)館東街、王府井大街、五四大街、東四西大街4條街十字交叉路口處，沿美術(shù)館東街-王府井大街南北向布置，車站總長283.5 m，站臺交錯布置，車站南端PBA暗挖雙層段頂板覆土厚度約為8.47 m，底板埋深約24.07 m，開挖凈跨14.2 m。車站施工工序按下層小導(dǎo)洞施工，上層小導(dǎo)洞施工，扣拱導(dǎo)洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺施工進行。

車站施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況由上而下依次為:雜填土①層、粉土③2層、中砂細砂④層、卵石圓礫⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、礫砂⑧層。主要含兩層地下水:第一層上層滯水，含水層為雜填土①層、粉土③層，靜止水位埋深2.30～9.0 m。第二層潛水，含水層為細砂⑤層，靜止水位埋深16.60～18.00 m。為了進一步了解該車站PBA工法在施工過程中的沉降關(guān)系，便于采用合理的風(fēng)險控制措施，進行了數(shù)值計算。車站結(jié)構(gòu)剖面和土層分布見圖1。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面和土層分布(單位：mm)

超前加固措施初支參數(shù)邊樁參數(shù)二襯參數(shù)上半斷面深孔注漿,拱部2m小導(dǎo)管C20噴混凝土、?25mm格柵主筋、0.35m厚初支、雙層鋼筋網(wǎng)片樁徑?1.0m,間距1.5m0.8m厚,C40混凝土

3 單跨PBA工法數(shù)值計算

采用Midas-GTS有限元軟件進行建模，根據(jù)研究需要，模型尺寸選定為100 m×10 m×50 m(橫向×縱向×豎向)，見圖2。土體及注漿加固體采用實體單元模擬，材料滿足摩爾-庫倫(M-C)準(zhǔn)則，初期支護、二襯采用實體單元模擬，材料按線彈性材料處理，模型不考慮地下水對工程影響[12-15]。模型物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖2 有限元計算模型

材料厚度/m重度/(kN/m3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比雜填土4.617108100.31粉土3.4191217.2280.24細中砂6.419370350.3卵石圓礫6.121500360.21粉質(zhì)黏土1.9191729140.24礫砂10.022500420.21注漿體1.52512060460.21初支—2522500——0.20二襯—2533500——0.20

依據(jù)車站施工產(chǎn)生沉降5個主要階段[10，16]進行計算，依次為：下層小導(dǎo)洞施工，上層小導(dǎo)洞施工，扣拱導(dǎo)洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺施工。

圖3 下層小導(dǎo)洞施工完成沉降云圖

通過計算分析得出，PBA工法跨中對應(yīng)地表沉降量：下層小導(dǎo)洞施工階段為7.7 mm；上層小導(dǎo)洞施工階段16.1 mm；扣拱導(dǎo)洞施工階段為16.4 mm；二襯扣拱施工階段18.1 mm；站廳站臺施工階段0.9 mm。具體見圖3～圖7。車站完成后沉降總量在59.2 mm，控制在60 mm規(guī)范控制值以內(nèi)，通過數(shù)值計算可以得出，車站二襯施工沉降大于各階段土方開挖沉降，因此需對扣拱施工階段風(fēng)險控制加以重視。

圖4 上層導(dǎo)洞完成沉降云圖

圖5 初支扣拱完成沉降云圖

圖6 二襯扣拱完成沉降云圖

圖7 車站二襯完成沉降云圖

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果對比分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況，選取中國美術(shù)館站拱頂對應(yīng)地表監(jiān)測點，監(jiān)測時程曲線如圖8所示，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比對見表4。

圖8 地表沉降時程曲線

從數(shù)值模擬的各階段沉降量及趨勢來看，整體呈現(xiàn)一致趨勢，驗證了模型及參數(shù)的正確性，以及現(xiàn)場施工與設(shè)計的吻合程度。

表4 監(jiān)測值與數(shù)值計算值對比

通過對美術(shù)館站的沉降實測數(shù)據(jù)分析，單跨PBA工法跨中對應(yīng)地表沉降量控制在平均58.8 mm，結(jié)合時程曲線得出：

(1)初支扣拱及二襯扣拱總沉降達36.2 mm，扣拱階段占總沉降量的61.6%；

(2)扣拱導(dǎo)洞拆除豎向中隔壁期間，一周內(nèi)沉降為13.4 mm，平均速率1.91 mm/d，為各概況最大沉降速率，扣拱導(dǎo)洞施工期間，一周內(nèi)沉降12.3 mm，平均速率1.76 mm/d；

(3)二襯扣拱完成，沉降發(fā)生持續(xù)時間達1個多月。

通過以上數(shù)據(jù)分析，可初步判斷中國美術(shù)館站單跨PBA工法在扣拱跨度為14.2 m的條件下，二襯扣拱施工風(fēng)險較導(dǎo)洞施工風(fēng)險高，為單跨PBA工法施工工序風(fēng)險管控關(guān)鍵步驟，必須從多方面對該項工序進行技術(shù)管控。

5 單跨PBA工法施工關(guān)鍵部位風(fēng)險控制措施

5.1 設(shè)計措施

(1)扣拱豎向中隔壁采用鋼筋格柵與型鋼格柵間隔設(shè)計，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定拆除中隔壁長度及方法，通過留設(shè)豎撐加強結(jié)構(gòu)可靠度，降低風(fēng)險事件的發(fā)生概率；

(2)由于扣拱跨度大，節(jié)點連接質(zhì)量尤其關(guān)鍵，扣拱拱腳及節(jié)點板采用幫焊方式進行連接，保證連接強度。

5.2 施工措施

(1)施工導(dǎo)洞拆撐步距建議不大于4 m，同時應(yīng)形成連續(xù)的作業(yè)條件，避免在拆除臨時豎撐后，長時間不進行二襯施工。

(2)在扣拱拆除豎撐階段，需配合監(jiān)測同步進行，當(dāng)監(jiān)測較多預(yù)警，沉降控制趨勢未收斂的情況下，拆撐應(yīng)及時停止，必要時進行支頂。

(3)加強導(dǎo)洞超前地質(zhì)探查，避免因局部不良地質(zhì)造成土體及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

(4)二襯模板施作前，可留部分導(dǎo)洞初支作為二襯施工模板支撐點，既增加工效，同時保障模板支撐穩(wěn)定性，降低風(fēng)險事件的發(fā)生概率。

通過設(shè)計及施工措施的雙重保障，中國美術(shù)館站在施工中風(fēng)險可控。

6 結(jié)語

(1)依據(jù)中國美術(shù)館站沉降監(jiān)測分析，單跨PBA車站扣拱階段沉降占總沉降61.6%，二襯施工拆除豎向中隔壁階段周平均沉降速率1.91 mm/d，扣拱導(dǎo)洞施工階段周平均沉降速率達1.76 mm/d，在當(dāng)跨度達到一定程度，二襯施工階段拆除豎向中隔壁的風(fēng)險將大于導(dǎo)洞開挖風(fēng)險；數(shù)值模擬計算結(jié)果同樣表明，二襯扣拱施工沉降量為18.1 mm，大于扣拱導(dǎo)洞開挖沉降16.4 mm，因此需重點關(guān)注二襯施工階段風(fēng)險控制；

(2)通過前期優(yōu)化設(shè)計扣拱豎撐及節(jié)點連接進行風(fēng)險控制，可確保施工階段降低風(fēng)險事件的發(fā)生概率；

(3)施工二襯前期小導(dǎo)洞拆除過程通過監(jiān)測情況配合，可確定風(fēng)險可控的拆撐方案，在嚴(yán)格控制拆撐長度的條件下，可降低風(fēng)險；

(4)利用扣拱導(dǎo)洞仰拱及部分小導(dǎo)洞側(cè)墻施作二襯可提高模板穩(wěn)定性，提高拆撐時效，減少初支扣拱因拆撐及二襯施作時間過長的垮塌風(fēng)險。

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