PBA工法扣拱施工顺序的优化分析研究

刘　军，　章良兵，　荀桂富，　金　鑫

(北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京　100044)



PBA工法扣拱施工顺序的优化分析研究

刘军，章良兵，荀桂富，金鑫

(北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京100044)

摘要：合理的扣拱施工顺序是PBA工法施工地铁车站的关键. 以北京地铁6号线东大桥站为依托，采用三维有限差分方法FLAC3D研究了PBA工法中不同扣拱顺序下地表沉降与结构力学行为的影响. 研究结果表明：先中后边的扣拱施工顺序下，产生的地表沉降与结构受力均较大，但中柱柱顶的侧移可以得到有效控制. 并进一步提出扣拱施工顺序选取的原则，研究结果对PBA工法扣拱顺序的设计与施工具有一定指导意义.

关键词：PBA工法； 地铁； 扣拱施工； FLAC3D

随着我国城市轨道交通的快速发展，PBA工法由于在施工中具有独特的特点，已经在地铁建设中得到广泛的应用. PBA工法是在浅埋暗挖法的基础上结合了盖挖法和地上框架结构的特点形成的，其核心思想就是在大部分土体还没有开挖之前，就已经形成了由桩(pile)、梁(beam)、拱(arch)组成的横向框架支撑体系，然后在该体系的保护下，完成车站土体的开挖[1-4].

现阶段，PBA工法施工地铁车站多采用多层多跨的拱形结构形式，在拱部土体开挖过程中，结构的受力转换关系较为复杂，尤其是在扣拱时，拱脚推力会对中柱产生不利影响，同时还会对周围土体造成一定的扰动，使得扣拱施工所造成的地表沉降比例相对较大[5-8]. 但针对PBA工法中的拱部施工顺序还缺乏系统的、全面的理论研究，因此，拱部施工顺序的优化分析对以后PBA工法的应用推广具有重要意义. 笔者以北京地铁6号线东大桥为例，采用FLAC3D数值分析的方法，通过分析不同扣拱施工顺序下地表沉降与结构受力的影响，确定最优的PBA洞桩法扣拱施工顺序. 以期该研究结果能够指导PBA工法扣拱部分的优化设计与施工.

1工程概况

东大桥站是北京地铁6号线一期工程的中间站. 该站位于朝阳北路与工人体育场东路、东大桥路交叉口东侧，东西走向. 站中里程为K16+057.915，车站呈东西设置，标准段总宽度为21.9 m，车站总长255 m. 车站主体结构轨面标高约为16.90 m，底板标高约为15.35 m，顶板覆土在里程K15+969.677～K16+157.377处约为7.5 m，里程K16+157.377～K16+224.677处约为12.5 m. 车站主体结构采用PBA工法施工. 图1为东大桥站横断面图与地质横剖面图，车站结构上覆土以粉土填土为主；上导洞主要位于粉质黏土和粉细砂层中层；下导洞主要位于粉质黏土层中.

2仿真模拟与监测数据对比

为确保PBA扣拱顺序数值计算的可靠性，按实际施工工序对PBA施工流程进行仿真模拟，以对比两者的地表沉降差异. 结果参见图2. 仿真模拟表明PBA施工累计地表沉降均值为78.97 mm，其中导洞开挖支护所引起的地表沉降约为67.17 mm，所占最终沉降的比例为85.06%；施作边桩、中柱以及顶纵梁所引起的地表沉降约为2.66 mm，所占最终沉降的比例为3.37%；拱部土体开挖，拱部结构施工所引起的地表沉降约为9.02 mm，所占最终沉降的比例为11.42%；土方开挖及主体施工引起的地表沉降约为0.10 mm，所占最终沉降的比例为0.13%.

实际施工地表监测点位布置及沉降历时曲线如图3所示. 显然各监测点的变化趋势基本相同. 实测地表累计沉降均值约为79.08 mm，其中在2010年11月1日开始至2011年4月20日左右为导洞开挖阶段，累计沉降值下降明显，沉降量最大为67.08 mm，所占最终沉降的比例为84.82%；到8月1日左右的这段时间，由于是在小导洞内施作桩柱，故而引起的累计沉降较小为4.89 mm，所占最终沉降的比例为6.18%；在8月1日到11月期间，这段时间施工顺序为扣拱施工，由曲线可知，这期间引起的累计沉降值为5.54 mm，所占最终沉降的比例为7.00%；而在11年12月之后，地表累计沉降值趋于稳定，由此可见在土方开挖阶段，对地表沉降影响很小.

东大桥站地表监测点的仿真模拟和实际监测沉降历时曲线如图4所示，从图中看以看出，地表沉降的计算值与监测值略有差异，但地表沉降走势基本一致. 调整地层的弹性模量后，最终选取的地层参数见表1，以作为后续的研究基础.

3计算模型与施工方案的建立

3.1施工方案的确定

合理的开挖和支护顺序是扣拱施工的关键问题，边跨与中跨土体的开挖顺序不同导致扣拱的顺序也不同，PBA工法扣拱的具体施工方法施工步骤一般为：边导洞内衬砌施工，回填混凝土→分部开挖拱部土体、初支施工(初支扣拱)→分段拆除边导洞侧衬、浇筑混凝土完成二衬扣拱[9].

本文中选取以下两种施工方案进行对比分析：

方案1：先施工中部小弧拱，后施工边拱，数值计算时边跨落后于中跨6 m；

方案2：先施工边拱，后施工中部小弧拱，数值计算时中跨落后于边跨6 m.

在这两种施工方案中，两边的边跨应同步进行，以防出现偏压现象.

3.2数值模型建立

数值模拟计算中笔者分别进行了如下假定与简化：

1)假定地表和土层均匀，根据地质勘探报告对不同土层的厚度做了适当简化.

2)模型单元类型的选取：边桩、底纵梁、初支、顶纵梁、冠梁、二衬均采用实体单元模拟，为更好地研究拱脚推力对中柱产生的不利影响，中柱采用beam单元模拟，衬砌和梁板柱采用弹性模型，仅考虑弹性变形，土体模型采用摩尔库伦模型[10]，并不考虑地下水的影响.

3)超前小导管注浆加固模拟：模拟计算中考虑其等效影响，即对洞室外围经过浆液加固的部分土体的材料性质进行修改，等效为加固层厚度为1m.

4)初期支护模拟：模拟计算中通常采取等效刚度的方法，即将钢格栅和混凝土的总刚度等效为混凝土的强度，计算公式如下[11-12]：

(1)

式中：E为等效的混凝土弹性模量(MPa)；E0为混凝土材料的弹性模量(MPa)；Sg为钢架截面面积(m2)；Eg为钢材的弹性模量(MPa)；S0为混凝土截面上的面积(m2).

5)灌注桩模拟：灌注桩通常会受到主拱传来的斜向压力和桩侧水平土压力的作用. 通常在数值计算中按照等效刚度的原则简化为地下连续墙，公式如下[11-12]：

(2)

式中：E为等效的混凝土弹性模量(MPa)；E0为混凝土材料的弹性模量(MPa)；D为边桩的直径(m)；t为桩间距(m).

6)模型边界范围与边界条件：上表面取至地表，下表面取至结构底板下50 m，总高为76.6 m；同时参考以往的模拟经验，考虑到施工时存在的空间效应，故长度上取30 m；宽度上则取边桩外侧面之外60 m，大约长为147.3 m左右；模型边界条件取为：上表面自由，下表面完全约束，四周限制各边界的水平位移.

7)荷载情况：模型中主要考虑地层压力和地表上方活荷载. 其中地层压力由自重产生；活荷载通过在模型的上表面施加20 kPa的竖直向下的压力实现；地铁车站计算模型见图5.

4计算结果与分析

本文将重点研究不同扣拱施工顺序下对地层变形与结构力学行为的影响. 本次位移结果与受力分析均选用模型15 m断面处研究.

4.1不同扣拱施工顺序下的地层变形分析

从图7中可知，先中后边的施工顺序下扣拱阶段引起的地表累计沉降值为9.02 mm，先边后中的施工顺序下扣拱阶段引起的地表累计沉降值为8.26 mm，从地表沉降槽宽度系数来看，通过Origin拟合扣拱阶段引起的地表沉降数据的结果得出，先边后中施工顺序的反弯点距离值为9.86 m，先中后边施工顺序的反弯点距离值为9.51 m，由此可以看出，先边后中的扣拱施工顺序引起的地表沉降比先中后边扣拱顺序时引起的沉降稍小；而先中后边施工顺序对地表的影响范围较小，但都相差不大.

4.2不同扣拱施工顺序下的结构内力分析

由图8可知，在两种扣拱施工顺序下，当初支扣拱完成之后，初支结构上的mises有效应力分布情况基本相同，数值大小略有不同，其中在先中后边的施工顺序下的初支所受到的大应力出现在边拱拱中，值为1.197 MPa，而在先边后中的施工顺序下初支所受到的最大应力同样也出现在此区域，值为0.913 MPa，相比较于先中后边的施工顺序，减小幅度约为23.7%，可见虽然卸荷量相同，但开挖顺序的不同也会使得内力有所不同. 这是由于两边跨同时开挖，初支对上层土体的压力有分散作用. 故在先边后中的扣拱施工顺序下，可以有效地减少初支扣拱所承担的内力，结构较为安全.

同样，由图9可知，无论在先中后边的施工顺序还是在先边后中的施工顺序下，导洞处边拱初支所受到的有效应力值都较小，这是因为在扣拱之前，导洞内已经进行了回填混凝土的工作，加强了拱脚处的刚度，这也说明了回填混凝土对结构安全的重要性.

由图9与表2可知，先中后边与先边后中两种扣拱施工顺序下，最大主应力分布情况基本相同，在两种情况下产生的最大主拉应力位置也大体一致，均出现在中拱与顶纵梁的交接位置的一定范围处，并表现为拉应力. 同时先中后边的扣拱施工顺序下产生的最大主拉应力值(1.342 MPa)要大于先边后中情况下出现的最大主拉应力值(1.220 MPa)，故若考虑拱部二衬的受力状态，先边后中的扣拱施工顺序下结构受力较为合理.

表2　不同扣拱顺序下二衬扣拱最大主应力统计表

4.3不同扣拱施工顺序下对中柱的影响分析

由图10和表3可知，在两种施工方案中，中柱柱顶侧移的变化规律基本相同，先中后边的施工顺序下中柱柱顶位移的最大值(0.848 mm)与先边后中的施工顺序下的中柱柱顶位移的最大值(0.921 mm)均出现在边拱二衬扣拱阶段，先边后中扣拱顺序下的柱顶位移最大值要偏大；同时先中后边扣拱施工下稳定阶段时的位移值(0.451 mm)小于先边后中扣拱施工顺序所对应的值(0.524 mm)；由此可见，在先中后边的扣拱施工顺序下更能很好地控制拱脚推力对中柱的影响，同时若使用先边后中的施工顺序，应提高中柱的配筋率、或截面面积以满足承载力及裂缝验算等要求.

注：统计表中的中柱取为第三排，位移以接近结构中线为正，远离结构中线为负；弯矩以接近结构中线一侧受拉为负，远离结构中线一侧受拉为正.

5结论

以北京地铁6号线东大桥站为例，分析研究了PBA工法扣拱顺序对地表沉降及结构力学行为的影响，得出以下结论，以期对PBA工法的设计提供理论基础：

1) 在两种施工方法中，先边后中施工顺序下引起的地表沉降累计值比先中后边施工顺序下引起的地表沉降值稍小；而先中后边施工顺序下对地表的影响范围较小，但相差不大.

2) 在两种施工方法中，由于在导洞内进行了回填工作，导洞内的边拱初支所受到的内力相应的均较小，从而论证了回填混凝土的重要性.

3) 先中后边的扣拱施工顺序更能有效地控制拱脚对中柱产生的推力，中柱柱顶的侧移更小.

4) 先边后中的扣拱施工顺序下结构初支与二

衬承受的内力均小于先中后边扣拱施工施工顺序下所产生的内力.

故综合以上因素，在PBA工法中，建议扣拱的施工顺序为先中后边. 因为虽然先中后边扣拱顺序下中拱二衬拉应力值较大但增加幅度并不大，同时先中后边扣拱顺序下柱顶位移更小，这对于洞桩法施工来说更为关键，因此建议二衬扣拱施工应优先采用先中后边的施工顺序，同时由于先中后边的施工顺序下拱部初支与二衬受力较大，故设计时应保证中跨拱部二衬承载力及满足裂缝验算等要求.

参考文献：

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[责任编辑：佟启巾]

Optimization Analysis of Buckle-Arch Construction Sequence for PBA Method

Liu Jun, Zhang Liangbing,Xun Guifu,You Tian,Jin Xin

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

Abstract:The reasonable buckle-arch construction sequence is the key of PBA method in metro station construction . Taking Dongda bridge station of Beijing metro line 6 as a typical case, the three-dimension finite difference method FLAC3D is used to study the influence of ground settlement and construction mechanical behavior caused by different buckle-arch construction. The results of the study show that:the surface settlement and structural force are bigger under middle buckle-arch construction, but the column displacement can be effectively controlled. And further principle for buckle-arch construction is proposed in the paper to guide the optimization design and construction of buckle- arch construction in PBA method.

Key words:Pile-Beam-Arch (PBA) method; metro station; buckle-arch construction; FLAC3D

中图分类号：TU94+2

文献标志码：A

作者简介：刘军(1965—)，男，博士，教授，研究方向：岩土与地下工程.

基金项目：北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(IDHT20130512)

收稿日期：2015-11-11

文章编号：1004-6011(2016)01-0036-06