王冰琰，董志航

（1.中鐵十五局集團有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

PBA法導洞施工引起的地表沉降規(guī)律分析

王冰琰1，董志航2

（1.中鐵十五局集團有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

結合北京地鐵16號線達官營站的工程施工實踐，研究了地鐵車站主體結構在PBA法地下洞室施工時的地表沉降規(guī)律。分析了不同導洞開挖面通過地表沉降監(jiān)測點時的地表沉降特點；使用Peck模型對地表沉降數(shù)據(jù)進行回歸分析，得出了PBA法多導洞施工對地表沉降影響的一般規(guī)律；并提出了PBA法洞室施工控制地表沉降的輔助措施，以期為今后類似工程的施工提供參考和借鑒。

PBA；地表沉降；Peck；沉降控制

地鐵車站一般位于城市繁華地段，交通繁忙，地表環(huán)境復雜[1]。在這種施工環(huán)境下，洞樁法（PBA）已成為目前地鐵車站工程的主要施工方法[2]。PBA法結合了暗挖法與蓋挖法的優(yōu)勢，利用導洞施作樁﹑梁﹑柱，從而形成主要受力框架體系，對地層擾動次數(shù)較少，能有效控制地層變形[3]；且具有結構受力明確﹑工序轉換少等優(yōu)點，得到了廣泛的認可與應用。但是，PBA法施工步驟復雜，開挖面多，易引發(fā)群洞效應，因此在施工過程應當加強對地表沉降的監(jiān)測。

1 工程概況

北京地鐵十六號線達官營站主體采用“8導洞PBA法”施工。達官營站位于廣安門外大街與三里河南延路交叉路口以北，沿三里河南延路路下敷設，為二層三跨地下島式車站，有效站臺寬為14 m，車站主體總長為209 m，覆土厚度為13.8～15.5 m。車站大體呈南北向布置，與在建的7號線達官營站呈L型換乘，北端接礦山法區(qū)間，南端接盾構法區(qū)間。

車站主體結構包括L1﹑L2和L33個施工豎井，豎井采用倒掛井壁法施工，豎井連接橫通道，自橫通道進洞，由橫通道向兩側臺階法開挖導洞，臺階長度為3～5 m。開挖導洞時，按先挖上層后挖下層導洞，先挖邊導洞后挖中導洞的順序，開挖步距同格柵間距，相鄰導洞間錯一倍洞徑施工，減小群洞效應，保證施工安全[4]。

車站頂部位于雜填土和粉細砂層，中部位于粉質粘土和卵石層，底部位于礫巖層。車站主體結構鄰近國家話劇院﹑廣源小區(qū)等多座重要建筑物，且施工影響范圍內有多座高壓塔和地下管線，都增加了施工難度，所以應在施工過程中及時掌握地表監(jiān)測點的沉降狀態(tài)，對施工過程進行全面監(jiān)控[5]。

2 地下洞室施工引起的地表沉降規(guī)律

2.1 監(jiān)測點位布置

以L1施工豎井監(jiān)測點位的布置為例，監(jiān)測項目以地表沉降位移監(jiān)測為主，觀測點主要布置在L1豎井橫通道北側里程K10+375至南側K10+455處。具體布置情況為：間隔5 m分別與隧道左﹑右線路中線平行，與橫通道中線垂直布置7條縱向斷面，依次為DG﹑SG﹑YG1﹑YG2﹑DB1﹑DB2﹑DB3，其中SG和DB2斷面布置在左﹑右線路中線上；同時在7條縱向斷面上，間隔5 m布置橫向監(jiān)測斷面，以了解地表沉降的橫向影響范圍，導洞與橫通道連接處需適當加密[6-8]，地表測點具體布置如圖1所示。

圖1 地表沉降監(jiān)測點布置平面圖

2.2 地表沉降一般規(guī)律

地層變形是從洞室周圍逐漸向地表延伸發(fā)展的，隧道開挖引起的底層變形并不是瞬間達到最終值的，而是一個逐漸累積的過程，一般把這個過程分為3 個階段[4]，如圖2所示。

1）先行沉降。當掌子面距測點1B～2B（B為隧道跨度）時，隧道開挖開始對地表產生一定影響，造成一定范圍內的沉降，不過影響較小，沉降量占總變形量的一小部分，主要是由于工作面的開挖導致前方地層應力發(fā)生變化引起的。

圖2 地表沉降一般規(guī)律

2）通過沉降。隨著掌子面的向前推進，當距測點-1B～3B時，地表沉降速率加大。這一過程的沉降包括開挖面通過初期支護結構閉合成環(huán)并能對周圍的土體變形提供有效阻力為止的時間過程，當初期支護能夠阻止圍巖變形時，地表沉降開始收斂，這一時間段的沉降量是整個施工過程的主要部分。

3）后期沉降。當掌子面距測點大于3B后，地表沉降就會趨于穩(wěn)定，這一時間段的沉降量占整個施工過程的很小一部分，但持續(xù)時間較長。

2.3 PBA法多導洞對地表沉降影響的分析

多洞室施工引起的地表沉降規(guī)律與單孔隧道基本一致，都會產生地表沉降的疊加[9]，該疊加為多種因素共同作用的結果。本文地表沉降分析中使用的數(shù)據(jù)來源于2015-08-06第一個導洞——北A#上洞開挖到2016-01-21的累計監(jiān)測數(shù)據(jù)。以1#主斷面為例進行典型斷面分析，以車站主體結構的幾何中心線作為基準線繪制橫向沉降槽曲線，如圖3所示。

1#主斷面距離橫通道中線約為35 m，隧道結構較為穩(wěn)定，基準線兩側15 m內，即隧道A#﹑D#導洞之間累計沉降量較大。由于隧道結構內各導洞的間距較小，其橫向沉降規(guī)律與單線大跨徑隧道基本一致。

圖3 地表橫向沉降曲線圖

Peck R B提出了隧道開挖引起的地表沉降槽呈近似正態(tài)分布的概念，并認為在不排水的情況下，隧道開挖所形成地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，其相應的地表沉降位移預測模型為：

式中，s(x)為距離隧道結構中軸線x處地表累計沉降值；smax為隧道中線處最大沉降量；i為沉降槽寬度[10]。

使用Origin8.0軟件對1#主斷面橫向沉降量進行Peck模型回歸分析（圖4），得出的模型卡方值為：R2=0.969，其沉降曲線可描述為：

式中，i=17.738 m；smax=11.990 mm。

圖4 累計沉降Peck曲線回歸圖

施工過程中，沉降槽中線位于-1.871 m處，B#導洞上方，可能是由于B#上導洞的施工進度較快首先通過1#主斷面所引起的。由于導洞群先后通過斷面，在其對地層擾動的非線性疊加作用下，1#主斷面最終形成的沉降槽為：沉降槽中心距車站中線-1.871 m（位于B#導洞上方），累計沉降為-11.990 m，拐點距沉降槽17.738 m，沉降分布范圍約為車站結構中心左右兩側50 m之內。

歷時曲線是指某一測點從開始沉降到地表沉降基本穩(wěn)定全過程的沉降規(guī)律，反映的是整個施工過程對地表監(jiān)測點產生的影響。將2015-08-06～2016-01-21的1#主斷面8個導洞開挖過程的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制為一組沉降歷時曲線圖，如圖5所示。

圖5 1#主斷面監(jiān)測點地表沉降歷時曲線

PBA洞室施工對地表沉降的影響具有集中效應，即某一監(jiān)測點的沉降主要受離該點最近的導洞開挖情況影響，而其他導洞對該點沉降情況的影響較小，且影響隨距離的增大而減弱。

由圖5可以看出，累計沉降曲線較大的幅度變化主要發(fā)生在上下層各導洞開挖面通過地面監(jiān)測點的階段，洞內后續(xù)施工對地層變位影響較小。由于上層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個先行導洞的先行施工擾動了土體，破壞了土體結構既有的平衡體系，在先行導洞擾動區(qū)域內施工會使周圍土體應力變得更加復雜，導致地表沉降的疊加，因此后續(xù)施工的4個下層導洞引起的地表沉降變化幅度明顯大于上層導洞，表現(xiàn)為下層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個導洞開挖時沉降曲線的斜率大于上層導洞開挖時的斜率，在8個導洞全部通過地表沉降監(jiān)測點后，沉降曲線趨于穩(wěn)定。

3 結 語

3）提高格柵鋼架焊接和安裝合格率。重點控制格柵鋼架焊接的一次合格率，確保每一個連接節(jié)點準確到位且連接安全可靠，滿足設計圖紙要求，將格柵鋼筋和超前小導管互相焊接形成整體，形成聯(lián)合支護體系，有效抑制圍巖變形。

4）提高工程管理水平，隧道開挖嚴格按施工組織設計進行，嚴格遵守 “管超前﹑嚴注漿﹑短進尺﹑強支護﹑早封閉﹑勤量測”的方針。對車站施工影響范圍內（平面范圍為結構外輪廓外放一倍地板埋置深度）的所有建筑物和地下管線制定詳細的保護措施與應急預案。

針對城市地鐵暗挖車站的淺埋﹑結構復雜﹑底層軟弱等缺點，采用PBA法施工可有效控制地表沉降。在施工過程，為了減少開挖﹑初支等工序引起的群洞疊加效應，導洞的開挖應嚴格按照施工步驟要求進行，做到先開挖上導洞，后開挖下導洞，同層導洞先開挖邊導洞，后開挖中導洞，且前后錯開不小于10 m。同時，在施工過程中，應采取輔助措施來控制地表沉降：

1）加強地層改良工作。做好詳盡的地質描述，加強對開挖工作面的地質觀察和記錄，判斷其穩(wěn)定性并預報開挖面前方地質情況。施作施工導洞拱部超前支護結構，超前小導管注漿加固圍巖，特殊地段可擴大注漿范圍，及時進行初支和二襯背后注漿，嚴格控制注漿壓力，必要時進行多次補漿，防止開挖面的松弛﹑變形和坍塌。

2）合理安排作業(yè)工序。合理確定各導洞的開挖順序，采用先上后下，先邊后中的順序進行小導洞工程的開挖，減少圍巖擾動次數(shù)，減小群洞效應。合理控制并行導洞開挖掌子面的距離，避免兩相鄰導洞同時開挖，采用預留核心土的開挖方式，減小開挖段面尺寸，縮短循環(huán)作業(yè)時間，使結構盡早封閉成環(huán)。

[1] 毛巨省.車站風道施工對既有橋基變形的影響規(guī)律[J].煤田地質與勘探,2010,38(5):38-41

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P258

B

1672-4623（2017）09-0097-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.029

2016-05-10。

項目來源：蘭州交通大學青年科學基金資助項目（2013006）。

王冰琰，碩士，研究方向為工程測量與變形監(jiān)測。