蔣巋松

（成都軌道交通集團有限公司，成都 610041）

0 引言

PBA工法是利用邊樁、中樁（柱）、頂?shù)琢阂约绊敼肮餐纬沙跗诘氖芰w系，承受施工過程中的荷載。PBA工法在北京地鐵6、7、10號線中廣泛應(yīng)用。張愛軍等[1]介紹北京地鐵10號線蘇州街全暗挖車站的施工技術(shù)；羅富榮等[2]對北京地鐵6號線一期及7號線PBA暗挖車站地表變形的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計分析；劉賈蓬等[3]以北京地鐵6號線東四站為研究對象，分析了開挖順序?qū)π?dǎo)洞和車站拱頂?shù)呢Q向土壓力分布的影響。由于施工靈活，支護結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換單一，安全可靠之外能夠較好地對地面沉降進(jìn)進(jìn)行控制，之后逐漸在北京地鐵后續(xù)線路如8、12、16號線以及大連、西安、沈陽、長春等其他城市采用，已成為一種主流的暗挖車站施工工法：李賀等[4]對北京某富水卵石地層暗挖地鐵車站建造方案進(jìn)行了研究；李金奎等[5]研究了大連某地鐵車站的洞樁法施工時群洞效應(yīng)；趙文強等[6]以數(shù)值計算為手段分析了西安黃土地區(qū)某PBA車站施工方案；朱統(tǒng)步[7]對沈陽地鐵車站采用PBA工法、洞樁法及兩者混合的工法進(jìn)行了對比分析；張海明等[8]以長春地區(qū)的地鐵車站工程為依托，分析了PBA法導(dǎo)洞施工引起地表沉降規(guī)律。以某PBA車站明暗挖結(jié)合的附屬施工為工程背景，結(jié)合風(fēng)險控制措施，建立了三維數(shù)值計算模型，比較加固和不加固工況下車站結(jié)構(gòu)和風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移變化特征，總結(jié)了注漿加固后風(fēng)道結(jié)構(gòu)位移控制效果，研究結(jié)論以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵車站為島式車站，車站總長266.0m，頂板覆土約13.1～14.2m，采用PBA工法（4導(dǎo)洞）施工。車站有效站臺中心里程為K50+481.078，中心里程處軌面標(biāo)高12.885m。車站設(shè)置2個出入口、4個安全出口、2組風(fēng)亭及1處冷卻塔。北端為礦山法區(qū)間，南端為盾構(gòu)區(qū)間，車站南端預(yù)留盾構(gòu)脫殼接收條件。

3號風(fēng)井風(fēng)道位于車站南端，設(shè)一組活塞風(fēng)道及新、排風(fēng)道，根據(jù)風(fēng)道開挖斷面尺寸及結(jié)構(gòu)形式分別采用CRD法或臺階法開挖。出地面風(fēng)井部分與1號安全口及1號無障礙電梯整合設(shè)置，風(fēng)井部分采用蓋挖順做法施工，樁+內(nèi)支撐圍護體系，風(fēng)道部分采用暗挖法施工，根據(jù)斷面尺寸及結(jié)構(gòu)形式選擇相應(yīng)的工法開挖。

風(fēng)井基坑南北方向長27.4m，東西方向?qū)?.4m，深30.869m，采用樁+內(nèi)支撐體系，圍護樁采用1000鉆孔灌注樁，間距1.2～1.5m，支撐體系第一道采用混凝土支撐并設(shè)蓋板作為施工場地的一部分，第二～第六道采用609鋼支撐。風(fēng)井結(jié)構(gòu)持力層為卵石⑦（fak=450kPa），承載力滿足要求。

2 風(fēng)道施工方案

2.1 暗挖施工措施

拱部土體預(yù)加固，盡少擾動圍巖，短進(jìn)尺，盡快施作初期支護，并使每步斷面及早封閉，采用信息化施工，勤量測和反饋以指導(dǎo)施工。嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針。暗挖進(jìn)洞的馬頭門需提前對拱部范圍土體采用超前深孔注漿加固，豎井橫通道破馬頭門向兩側(cè)進(jìn)洞時應(yīng)錯開距離且將橫通道截斷鋼架主筋與馬頭門格柵鋼筋焊接牢固。明挖基坑進(jìn)洞時，需待二襯實施完成后再破除圍護樁，圍護樁范圍內(nèi)需連立三榀通道格柵鋼架（需做好圍護樁破除的應(yīng)急預(yù)案及局部反掏施工措施）。

2.2 暗挖施工技術(shù)要求

（1） 通道結(jié)構(gòu)開挖必須在無水條件下進(jìn)行，嚴(yán)禁帶水作業(yè)。

（2） 超前小導(dǎo)管注漿漿液根據(jù)地層情況確定，漿液配合比應(yīng)由現(xiàn)場試驗確定。

（3） 結(jié)構(gòu)施工前，應(yīng)對臨近的建（構(gòu)）筑物、管線等風(fēng)險源調(diào)查，做好工前現(xiàn)狀建筑物狀態(tài)查詢、拍照記錄，避免非施工原因?qū)е碌慕ǎ?gòu)）筑物裂縫等與本工程施工產(chǎn)生糾紛。

（4） 暗挖結(jié)構(gòu)開挖允許最大超挖量為150mm，平均超挖量為100mm，不允許欠挖。確定開挖輪廓時，應(yīng)預(yù)留圍巖變形量為50mm，在施工過程中通過施工監(jiān)測及時加以調(diào)整此值。

（5） 施工過程中，加強對掌子面和側(cè)墻面地層觀察和記錄，隨時掌握土層的濕度情況，判斷其穩(wěn)定性，預(yù)報開挖面前方的地質(zhì)情況，以指導(dǎo)施工。若發(fā)現(xiàn)地層潮濕，隨即打設(shè)超前探管進(jìn)行探測，探測深度不小于5m，如有殘余水（由管線滲漏、降水盲區(qū)或地層中水囊所致）則通過探管引排；同時根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適漿液進(jìn)行注漿堵水，防止流砂；必要時封閉掌子面。

（6） 施工過程中在各受力轉(zhuǎn)換處（如豎井進(jìn)通道、通道轉(zhuǎn)角開挖），應(yīng)遵循“先替代，后轉(zhuǎn)換”的原則，所有受力轉(zhuǎn)換的承力結(jié)構(gòu)必須施工完成，并有足夠強度后，方可進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入下一道施工過程。

（7） 應(yīng)對施工影響范圍內(nèi)（平面范圍為結(jié)構(gòu)外輪廓外放一倍底板埋置深度）的所有建筑物和地下管線施工詳查并制定詳細(xì)的保護措施與應(yīng)急預(yù)案，同時應(yīng)有完備的預(yù)警機制。

2.3 超前支護措施

（1） 超前小導(dǎo)管采用DN32×2.75（卵石層DN25×2.75）焊接鋼管。

（2） 樁底注漿管DN32×2.75焊接鋼管。

（3） 注漿漿液：水泥-水玻璃雙液漿、單液水泥漿；漿液種類、配合比及注漿壓力應(yīng)由施工單位在現(xiàn)場根據(jù)土層情況及加固效果經(jīng)注漿試驗確定，在保證注漿效果及安全的前提下，盡量選用費用較低的漿液，以降低工程造價?，F(xiàn)場施工時應(yīng)根據(jù)實際地層條件選擇注漿漿液。

圖1 暗挖通道注漿加固斷面

3 數(shù)值計算分析

3.1 模型概況

計算分析軟件采用midas GTSNX軟件，三維有限元計算模型及模型中車站結(jié)構(gòu)、風(fēng)井、活塞風(fēng)道、排風(fēng)道、新風(fēng)道等不同結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系如圖3所示。計算模型尺寸參數(shù)：123.7m（X方向）×107.85m（Y方向）×50m（Z方向）。邊界約束：底部X、Y、Z方向位移約束，四面約束X方向或Y方向水平位移。土體、風(fēng)道二次襯砌采用實體單元模擬，車站結(jié)構(gòu)（頂板、中板、底板、側(cè)墻）、風(fēng)道初支、風(fēng)井連續(xù)墻均采用板單元模擬，車站中柱、風(fēng)井支撐采用梁單元模擬。分析不考慮地下水的影響，土體本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型，地面超載大小取20kPa。

在分析中，加固是通過在模擬中改變土體的屬性即土體參數(shù)的方式實現(xiàn)，即加固工程和不加固工況加固范圍內(nèi)土體參數(shù)不同。

圖2 三維有限元計算模型及模型中不同結(jié)構(gòu)相互關(guān)系

3.2 計算參數(shù)

三維有限元模型中土層有7層，根據(jù)地勘報告計取物理力學(xué)參數(shù)，層號、巖土名稱、層厚、天然重度、彈性模量、粘聚力內(nèi)摩擦角具體數(shù)值列于表1中。其中地勘報告只提供了壓縮模量，按照W彈性模量一般為3～5倍壓縮模量的經(jīng)驗，計算彈性模量取壓縮模量的5倍。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計算工況與施工步

計算分析了不加固和加固兩種工況，不加固工況即在模擬過程中不考慮深孔注漿的影響，其他措施正常實施。3個風(fēng)道的施工順序為排風(fēng)道兩種工況下，活塞風(fēng)道、排風(fēng)道、新風(fēng)道施工均采用了分段方式模擬，風(fēng)道長度23.45m，按照4m一段進(jìn)行分段，分段尺寸分別為4、4、4、4、4、3.45m。

3.4 車站結(jié)構(gòu)影響分析

加固工況下風(fēng)井、風(fēng)道施工完成后車站主體結(jié)構(gòu)X方向水平位移、Y方向水平位移和豎向位移云圖如圖3所示。由圖3可看出，①風(fēng)井、風(fēng)道施工對車站主體結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在豎向位移和Y方向水平位移，而X方向水平位移較其他兩向位移要小，其中豎向位移整體上大于Y方向水平位移；②對于豎向位移，側(cè)墻開洞上方為沉降，開洞下方為隆起，是由風(fēng)道開挖引起的頂部沉降和底部隆起導(dǎo)致；③Y方向水平位移計算結(jié)果表明車站側(cè)墻整體上發(fā)生向風(fēng)井方向的水平位移，風(fēng)井、風(fēng)道施工完成后，最大Y方向水平位移發(fā)生在中板位置。頂板和開洞上方部分區(qū)域的頂板發(fā)生遠(yuǎn)離風(fēng)井的水平位移，但位移較小。不加固工況車站主體結(jié)構(gòu)X方向水平位移、Y方向水平位移和豎向位移分布特征與加固工況相似。

圖3 加固工況下施工完成后車站結(jié)構(gòu)位移云圖

加固和不加固兩種工況下車站側(cè)墻X方向水平位移、Y方向水平位移和豎向位移隨不同施工步變化曲線如圖4所示。由圖4可知，加固和不加固兩種工況下，X方向水平位移和豎向位移基本一致，Y方向水平位移在活塞風(fēng)道施工前基本一致，活塞風(fēng)道施工后出現(xiàn)明顯一定的差異，不加固工況與加固工況Y方向水平位移最大差異達(dá)到20.5%；車站側(cè)墻破除時，側(cè)墻X方向水平位移和豎向位移出現(xiàn)明顯變化，主要是由于結(jié)構(gòu)破除施工產(chǎn)生的空間效應(yīng)導(dǎo)致；施工完成后，車站側(cè)墻的豎向位移和Y方向水平位移相差不大，但施工過程中豎向位移小于Y方向水平位移，表明風(fēng)井、風(fēng)道施工對車站側(cè)墻主要產(chǎn)生水平位移影響。

圖4 車站側(cè)墻位移隨不同施工步變化曲線

3.5 風(fēng)道初支計算結(jié)果與分析

加固工況下和不加固工況下施工完成后風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移云圖如圖5、圖6所示，兩種工況下風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移統(tǒng)計結(jié)果列于表2中。

圖5 加固工況下施工完成后風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移云圖

圖6 不加固工況下施工完成后風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移云圖

表2 兩種工況下風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)位移統(tǒng)計

通過圖5、圖6可知，對于豎向位移，兩種工況下初支頂部發(fā)生沉降，底部則是隆起。相對于不加固工況，加固工況下頂部沉降得到明顯改善，沉降值減小約49%，底部隆起則有所增大，從9.433mm增至10.147mm，變化幅度約為1.54%；對于Y方向水平位移，兩種工況下臨近風(fēng)井側(cè)的初支結(jié)構(gòu)發(fā)生向風(fēng)井側(cè)的正向位移，初支頂部則發(fā)生向主體結(jié)構(gòu)方向的負(fù)向位移。相對于不加固工況，加固工況下最大正向位移和最大負(fù)向位移均有一定的減小，分別減小約7.02%、36.89%；對于X方向水平位移，兩種工況下活塞風(fēng)道、排風(fēng)道和新風(fēng)道的初支結(jié)構(gòu)均發(fā)生向洞內(nèi)的X方向水平位移。相對于不加固工況，加固工況下最大正向位移和最大負(fù)向位移均有一定的減小，分別減小約23.43%、38.11%。

3.6 結(jié)構(gòu)安全性分析

根據(jù)城市軌道交通安全保護規(guī)范，已建地鐵車站變形控制指標(biāo)為：車站主體結(jié)構(gòu)10mm。結(jié)合工程的重要性程度，設(shè)定地鐵車站變形允許值設(shè)定為5mm，控制根據(jù)主體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，加固和不加固工況下，車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形最大值分別為1.746、1.832mm，水平變形最大分別為1.485、1.586mm，主體結(jié)構(gòu)變形均在允許范圍內(nèi)，并由較大的安全余量，加固主要是改善了風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)變形。

4 結(jié)語

（1） 風(fēng)道施工時，車站主體結(jié)構(gòu)變形滿足已建地鐵結(jié)構(gòu)變形允許值，也尚有一部分余量，表明風(fēng)道施工影響可控。加固工況對車站主體結(jié)構(gòu)位移控制有一定的效果，但差異較小。

（2） 豎井、風(fēng)道施工對車站主體結(jié)構(gòu)影響主要體現(xiàn)在豎向位移和向風(fēng)井風(fēng)道一側(cè)的橫向水平位移上，縱向水平位移相對較小。

（3） 風(fēng)道頂部注漿加固對車站主體結(jié)構(gòu)橫向水平位移有一定的影響，差異值約為20%左右，不加固與加固工況下豎向位移和縱向水平位移差異不大。

（4） 車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)破除時，豎向位移發(fā)生明顯變化，對于車站主體結(jié)構(gòu)來說，破除施工是關(guān)鍵階段，需要重點監(jiān)測。

（5） 風(fēng)道頂部加固于風(fēng)道周邊土體變形和風(fēng)道支護結(jié)構(gòu)位移有較好的控制效果，加固后，風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)頂部沉降減小約49%，風(fēng)道初支結(jié)構(gòu)水平位移也得到較好控制，最大減小超過38%。