超深埋六导洞 PBA 法开挖阶段数值分析

周刚 冯辉

中电建铁路建设投资集团有限公司，北京， 100070

摘要：面对城市人口的膨胀,城市化进程的加快、加深,从地面走向地下, 为城市地铁建设带来更多的机遇和挑战。城市施工无小事，城市地铁施工更是不能出任何纰漏。城市地铁车站施工,从工期、成本及施工质量等方面考虑,常采用明挖法。当受地面交通、建筑物等各种条件限制,不能采用明挖法或盖挖法施工时,PBA工法就突显了其施工的优势，本文主要以西安地铁2号线南延段超深埋何家营站暗挖PBA洞桩法导洞施工阶段为研究对象，对施工过程中可能产生的竖向及水平位置数据进行分析，最后明确了本工程导洞开挖与初支阶段的施工质量管控与监测重点。

关键词：超深埋；地铁车站；PBA洞桩法；数值分析

Numerical Analysis of Super Deep Buried Six Pilot Tunnel with PBA Method on Excavation Stage

Zhou Gang Feng Hui

（Power China Railway Construction investment Group CO.,LTD, Beijing, 100070）

Abstract: In the face of the expansion of urban population, the acceleration and deepening of urbanization process, from the ground to the underground, bring more opportunities and challenges for the construction of urban subway. There are no trivial matters in urban construction, and no mistakes can be made in urban subway construction. The open cut method is often used in the construction of urban subway station from the aspects of construction period, cost and construction quality. When the open cut method or cover cut method cannot be used due to the restrictions of ground traffic, buildings and other conditions, PBA construction method highlights the advantages of its construction, this paper mainly takes the construction stage of super deep buried hejiaying station in the South extension section of Xi'an Metro Line 2 as the research object, analyzes the possible vertical and horizontal position data in the construction process, and finally defines the construction quality control and monitoring key points in the excavation and initial support stage of the pilot tunnel.

Key words: super deep buried；subway station；PBA method；numerical analysis

1 引言

近年来，城市人口增多，城市现代化进程加快、加深，明挖法不能适应所有城市复杂环境，暗挖法和盖挖法逐渐成为地铁施工的常用工法，由于PBA工法兼备暗挖法和盖挖法的优点，在实际施工中得到越来越多的应用。李冰^[1]，张卫业^[2]分别以北京地铁车站为例，通过数值分析，给出了“上四下四”、“上三下三”PBA工法施工中的风险控制措施。姚君华等^[3]通过FLAC3D 数值模拟，认为导洞“先下后上，先两边后中间”的开挖方法能有效控制地表沉降。马林林^[4]对四导洞与六导洞施工施工工序及操作要点进行了较详细的描述。刘旭全等^[5]对浅埋暗挖车站提出了中跨先行扣拱法施工方案。

2

工程概况

何家营站为站台岛式车站，三跨双柱地下二层现浇直墙三连拱结构，结构标准段宽度21.9m，总高16.5m，车站主体结构拱部埋深13.3m～24.8m，总长230.3m，见图1。自然地形高差大，导致车站埋深大，其中，轨面埋深38m，考虑到埋深大，从功能、工程可实施性及经济性角度，本站主体采用上4下2 PBA法施工，见图2，上导洞开挖宽度4m，开挖高度5m，采用台阶法施工；下导洞开挖宽度11.4m，开挖高度6m，采用CD法施工；下部横导洞开挖宽度3m，开挖高度3m，采用台阶法施工；围护桩采用@1400mm人工挖孔桩。何家营站所处地质条件如下图3所示。

图1 何家营站平面及BIM示意图

图2 何家营站导洞设置横断面示意图

图3 何家营站地层纵断面示意图

拟建场地3-2、4-2-1层古土壤膨胀潜势为弱，拟建场地钻孔最大深度75m，未揭穿黄土，暗挖洞室内的4-1-1老黄土、4-2-1古土壤（水上）具湿陷性，施工时需做好防水，防止地表水下渗至该层湿陷性黄土，造成黄土的湿陷，从而影响隧道的变形。

3 暗挖车站PBA工法典型施工阶段数值模拟

3.1 数值模型计算范围及边界条件

何家营站仅选取PBA工法中典型施工阶段采用数值分析软件Midas-GTS建立有限元地层结构模型进行分析，在本例中只选取了施工导洞开挖及初支结构施工阶段，不考虑施工竖井及横通道。

何家营站上覆土层厚度最小处为13.3m，最大处为24.8m，本次分析中取最大值，即覆土厚度取24.8m，车站整体高度16.5m，向车站下方取约1倍车站高度19.0m，向车站上方取至地表，模型的总高度取值60.3m；车站整体宽度21.9m，模型两侧到车站边界的距离取3倍车站宽度，模型的宽度取值160.0m；沿导洞开挖方向，车站不同断面的地表沉降规律相似，同时考虑到现场实际施工过程的等效模拟，其长度范围如图4所示，纵向长度取为35.0m。最终模型的尺寸为160.0m×35.0m×60.3m（长×宽×高），模型如图5所示。

图4 导洞建模范围

图5 整体模型

在施加模型边界条件时，对模型底部施加固定约束，在模型侧面仅限制其水平方向的位移，模型顶面为地表，无约束。

3.2 相关工序的简化模拟方法

（1）超前小导管注浆

PBA工法施工中，导洞土体开挖之前会采用超前小导管注浆技术加固导洞周边土层。根据注浆加固实际效果，在施工阶段模拟分析时，通过在开挖前的施工步中改变导洞拱部外圈1.0m范围内的土体材料参数来模拟注浆加固效果。

（2）初支结构模拟

在施工导洞开挖范围内土体完成后，需要架立格栅钢架和打设锁脚锚杆，并进行喷射混凝土施工，形成导洞的初支结构，以承受来自地层的压力，从而有效防止地层产生较大的沉降变形。

锁脚锚杆可采用1D植入式桁架单元进行模拟。

因格栅钢架与喷射混凝土接触良好，将两者视作共同受力状态，进行数值模拟时，遵循刚度等效的原则，将格栅钢架和喷射混凝土形成的初支结构等效成单一均质的混凝土结构，使用2D板单元进行模拟，其等效弹性模量折算公式如下：

式中：E为等效后的混凝土弹性模量；E₀为原混凝土的弹性模量；E_g为钢材的弹性模量；S_g为钢材的截面面积；S_c为混凝土的截面面积。

（3）施工开挖支护工序

导洞开挖每次进尺2m，均简化考虑为全断面开挖。开挖相应土体前，先对其上方扇形区域土体进行“注浆加固”；开挖土体时，同时施加外圈格栅钢架和锁脚锚杆。导洞模型如图6所示。

图6 导洞模型

3.3 结果分析

基于上述何家营站主体结构导洞开挖的三维有限元数值模型，对导洞开挖方案进行模拟，计算结果如下：

（1）地表及拱顶沉降情况

图7为上下导洞开挖及初支结构全部施工完成时模型的竖向位移图，可见导洞施工会引起上部土体沉降和下层导洞坑底隆起。模型竖向变形相对于车站中线对称分布，其中车站中线对应的地表沉降值最大。

图7 导洞开挖及初支结构施工完成时竖向位移图

将模型Y=17.5m平面上地表监测点的最终沉降值提取出来并绘制其沉降曲线，如图8所示。最大值在车站中轴线正上方，两侧地表土体的沉降值随着与车站中轴线距离的增大而逐渐减小。优化方案在模型中心点处的最终沉降值为44.5mm。

图8 Y=17.5m平面地表最终沉降分布曲线

（2）边导洞侧壁水平变形情况

在车站主体导洞施工中，除了要严格控制导洞及地表的沉降之外，也要注意边导洞外侧壁的内敛变形情况。因模型变形呈对称分布，选取模型一侧边导洞外侧壁的单元节点进行编号，如图9所示，并得到其最终开挖完成后的X向位移，如表1所示。

图9 模型点位选取

表1开挖完成后各节点X向位移

从表中可以看出，下导洞在竖向覆土压力作用下会产生向洞外扩展的X向位移，最大值出现在拱脚上部，为7.28mm；上导洞除了承受竖向覆土压力作用外，还将受到下层导洞开挖引起的两侧向车站中轴线方向的移位，在复合作用影响下会发生向洞内收缩的X向位移，其最大值出现在导洞竖墙的中部，为1.18mm。相比于竖向位移，导洞的X向位移数值偏小。

4 结语

本文以西安地铁二号线二期暗挖车站何家营站为例，选取PBA工法中典型施工阶段，对相关工序进行简化，通过数值模拟分析，确定本超深埋暗挖车站导洞施工的竖向位移较大，因此在施工过程中要重点确保暗挖初支的竖向受力稳定性，加强对格栅钢架安装、锁脚锚杆打设以及初支喷混施工质量管理，加强竖向位移监测。

参考文献：

[1] 李冰.北京地铁6号线西延工程苹果园南路站PBA工法设计与施工关键技术[J].市政技术,2016, 34(1):76-81.

[2] 张卫业.地铁车站穿越市政管线PBA工法施工沉降控制关键技术[J].铁道建筑技术,2016(02):41-45.

[3] 姚君华,宋文杰,董军.PBA工法导洞不同开挖顺序对地表沉降的影响[J].公路,2013(1):298-302.

[4]马林林.四六导洞组合PBA法暗挖车站施工技术[J].铁道建筑技术,2016(07):10-13.

[5] 刘旭全,杜宪武,宋领弟.浅埋暗挖地铁车站柱洞法施工方案优化分析[J].铁道建筑技术,2020(09):80- 83,121.

作者简介：周刚（1988—），男，湖北云梦人，硕士，BIM主管工程师，中级工程师，主要研究方向：城市轨道交通地铁施工技术。