PBA法导洞施工引起的地表沉降规律分析

王冰琰，董志航

（1.中铁十五局集团有限公司，上海 200000；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

PBA法导洞施工引起的地表沉降规律分析

王冰琰1，董志航2

（1.中铁十五局集团有限公司，上海 200000；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

结合北京地铁16号线达官营站的工程施工实践，研究了地铁车站主体结构在PBA法地下洞室施工时的地表沉降规律。分析了不同导洞开挖面通过地表沉降监测点时的地表沉降特点；使用Peck模型对地表沉降数据进行回归分析，得出了PBA法多导洞施工对地表沉降影响的一般规律；并提出了PBA法洞室施工控制地表沉降的辅助措施，以期为今后类似工程的施工提供参考和借鉴。

PBA；地表沉降；Peck；沉降控制

地铁车站一般位于城市繁华地段，交通繁忙，地表环境复杂[1]。在这种施工环境下，洞桩法（PBA）已成为目前地铁车站工程的主要施工方法[2]。PBA法结合了暗挖法与盖挖法的优势，利用导洞施作桩﹑梁﹑柱，从而形成主要受力框架体系，对地层扰动次数较少，能有效控制地层变形[3]；且具有结构受力明确﹑工序转换少等优点，得到了广泛的认可与应用。但是，PBA法施工步骤复杂，开挖面多，易引发群洞效应，因此在施工过程应当加强对地表沉降的监测。

1 工程概况

北京地铁十六号线达官营站主体采用“8导洞PBA法”施工。达官营站位于广安门外大街与三里河南延路交叉路口以北，沿三里河南延路路下敷设，为二层三跨地下岛式车站，有效站台宽为14 m，车站主体总长为209 m，覆土厚度为13.8～15.5 m。车站大体呈南北向布置，与在建的7号线达官营站呈L型换乘，北端接矿山法区间，南端接盾构法区间。

车站主体结构包括L1﹑L2和L33个施工竖井，竖井采用倒挂井壁法施工，竖井连接横通道，自横通道进洞，由横通道向两侧台阶法开挖导洞，台阶长度为3～5 m。开挖导洞时，按先挖上层后挖下层导洞，先挖边导洞后挖中导洞的顺序，开挖步距同格栅间距，相邻导洞间错一倍洞径施工，减小群洞效应，保证施工安全[4]。

车站顶部位于杂填土和粉细砂层，中部位于粉质粘土和卵石层，底部位于砾岩层。车站主体结构邻近国家话剧院﹑广源小区等多座重要建筑物，且施工影响范围内有多座高压塔和地下管线，都增加了施工难度，所以应在施工过程中及时掌握地表监测点的沉降状态，对施工过程进行全面监控[5]。

2 地下洞室施工引起的地表沉降规律

2.1 监测点位布置

以L1施工竖井监测点位的布置为例，监测项目以地表沉降位移监测为主，观测点主要布置在L1竖井横通道北侧里程K10+375至南侧K10+455处。具体布置情况为：间隔5 m分别与隧道左﹑右线路中线平行，与横通道中线垂直布置7条纵向断面，依次为DG﹑SG﹑YG1﹑YG2﹑DB1﹑DB2﹑DB3，其中SG和DB2断面布置在左﹑右线路中线上；同时在7条纵向断面上，间隔5 m布置横向监测断面，以了解地表沉降的横向影响范围，导洞与横通道连接处需适当加密[6-8]，地表测点具体布置如图1所示。

图1 地表沉降监测点布置平面图

2.2 地表沉降一般规律

地层变形是从洞室周围逐渐向地表延伸发展的，隧道开挖引起的底层变形并不是瞬间达到最终值的，而是一个逐渐累积的过程，一般把这个过程分为3 个阶段[4]，如图2所示。

1）先行沉降。当掌子面距测点1B～2B（B为隧道跨度）时，隧道开挖开始对地表产生一定影响，造成一定范围内的沉降，不过影响较小，沉降量占总变形量的一小部分，主要是由于工作面的开挖导致前方地层应力发生变化引起的。

图2 地表沉降一般规律

2）通过沉降。随着掌子面的向前推进，当距测点-1B～3B时，地表沉降速率加大。这一过程的沉降包括开挖面通过初期支护结构闭合成环并能对周围的土体变形提供有效阻力为止的时间过程，当初期支护能够阻止围岩变形时，地表沉降开始收敛，这一时间段的沉降量是整个施工过程的主要部分。

3）后期沉降。当掌子面距测点大于3B后，地表沉降就会趋于稳定，这一时间段的沉降量占整个施工过程的很小一部分，但持续时间较长。

2.3 PBA法多导洞对地表沉降影响的分析

多洞室施工引起的地表沉降规律与单孔隧道基本一致，都会产生地表沉降的叠加[9]，该叠加为多种因素共同作用的结果。本文地表沉降分析中使用的数据来源于2015-08-06第一个导洞——北A#上洞开挖到2016-01-21的累计监测数据。以1#主断面为例进行典型断面分析，以车站主体结构的几何中心线作为基准线绘制横向沉降槽曲线，如图3所示。

1#主断面距离横通道中线约为35 m，隧道结构较为稳定，基准线两侧15 m内，即隧道A#﹑D#导洞之间累计沉降量较大。由于隧道结构内各导洞的间距较小，其横向沉降规律与单线大跨径隧道基本一致。

图3 地表横向沉降曲线图

Peck R B提出了隧道开挖引起的地表沉降槽呈近似正态分布的概念，并认为在不排水的情况下，隧道开挖所形成地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，其相应的地表沉降位移预测模型为：

式中，s(x)为距离隧道结构中轴线x处地表累计沉降值；smax为隧道中线处最大沉降量；i为沉降槽宽度[10]。

使用Origin8.0软件对1#主断面横向沉降量进行Peck模型回归分析（图4），得出的模型卡方值为：R2=0.969，其沉降曲线可描述为：

式中，i=17.738 m；smax=11.990 mm。

图4 累计沉降Peck曲线回归图

施工过程中，沉降槽中线位于-1.871 m处，B#导洞上方，可能是由于B#上导洞的施工进度较快首先通过1#主断面所引起的。由于导洞群先后通过断面，在其对地层扰动的非线性叠加作用下，1#主断面最终形成的沉降槽为：沉降槽中心距车站中线-1.871 m（位于B#导洞上方），累计沉降为-11.990 m，拐点距沉降槽17.738 m，沉降分布范围约为车站结构中心左右两侧50 m之内。

历时曲线是指某一测点从开始沉降到地表沉降基本稳定全过程的沉降规律，反映的是整个施工过程对地表监测点产生的影响。将2015-08-06～2016-01-21的1#主断面8个导洞开挖过程的沉降监测数据绘制为一组沉降历时曲线图，如图5所示。

图5 1#主断面监测点地表沉降历时曲线

PBA洞室施工对地表沉降的影响具有集中效应，即某一监测点的沉降主要受离该点最近的导洞开挖情况影响，而其他导洞对该点沉降情况的影响较小，且影响随距离的增大而减弱。

由图5可以看出，累计沉降曲线较大的幅度变化主要发生在上下层各导洞开挖面通过地面监测点的阶段，洞内后续施工对地层变位影响较小。由于上层A#﹑B#﹑C#﹑D#4个先行导洞的先行施工扰动了土体，破坏了土体结构既有的平衡体系，在先行导洞扰动区域内施工会使周围土体应力变得更加复杂，导致地表沉降的叠加，因此后续施工的4个下层导洞引起的地表沉降变化幅度明显大于上层导洞，表现为下层A#﹑B#﹑C#﹑D#4个导洞开挖时沉降曲线的斜率大于上层导洞开挖时的斜率，在8个导洞全部通过地表沉降监测点后，沉降曲线趋于稳定。

3 结 语

3）提高格栅钢架焊接和安装合格率。重点控制格栅钢架焊接的一次合格率，确保每一个连接节点准确到位且连接安全可靠，满足设计图纸要求，将格栅钢筋和超前小导管互相焊接形成整体，形成联合支护体系，有效抑制围岩变形。

4）提高工程管理水平，隧道开挖严格按施工组织设计进行，严格遵守 “管超前﹑严注浆﹑短进尺﹑强支护﹑早封闭﹑勤量测”的方针。对车站施工影响范围内（平面范围为结构外轮廓外放一倍地板埋置深度）的所有建筑物和地下管线制定详细的保护措施与应急预案。

针对城市地铁暗挖车站的浅埋﹑结构复杂﹑底层软弱等缺点，采用PBA法施工可有效控制地表沉降。在施工过程，为了减少开挖﹑初支等工序引起的群洞叠加效应，导洞的开挖应严格按照施工步骤要求进行，做到先开挖上导洞，后开挖下导洞，同层导洞先开挖边导洞，后开挖中导洞，且前后错开不小于10 m。同时，在施工过程中，应采取辅助措施来控制地表沉降：

1）加强地层改良工作。做好详尽的地质描述，加强对开挖工作面的地质观察和记录，判断其稳定性并预报开挖面前方地质情况。施作施工导洞拱部超前支护结构，超前小导管注浆加固围岩，特殊地段可扩大注浆范围，及时进行初支和二衬背后注浆，严格控制注浆压力，必要时进行多次补浆，防止开挖面的松弛﹑变形和坍塌。

2）合理安排作业工序。合理确定各导洞的开挖顺序，采用先上后下，先边后中的顺序进行小导洞工程的开挖，减少围岩扰动次数，减小群洞效应。合理控制并行导洞开挖掌子面的距离，避免两相邻导洞同时开挖，采用预留核心土的开挖方式，减小开挖段面尺寸，缩短循环作业时间，使结构尽早封闭成环。

[1] 毛巨省.车站风道施工对既有桥基变形的影响规律[J].煤田地质与勘探,2010,38(5):38-41

[2] 周刘刚,王海祥.城市地铁及地下工程施工环境安全风险评估与控制[J].铁道勘察,2007(6):91-94

[3] 王霆,罗富荣,刘维宁,等.地铁车站洞桩法施工引起的邻近管线沉降规律研究[J].隧道建设,2011,31(2):192-197

[4] 史继尧,刘招伟,余永强.PBA施工对地表沉降影响的数值模拟[J].低温建筑技术,2010(2):62-64

[5] 杨健,史慧斌,刘东海.“PBA法”地铁车站施工地表沉降规律及控制要点[J].公路交通科技(应用技术版),2011(6):200-202

[6] 王亮,袁东.城市地铁车站PBA洞桩法施工及地表沉降研究[J].赤峰学院学报(自然科学版),2011,27(10):128-130

[7] 申国奎.地铁隧道洞桩法施工对地表沉降的影响研究[J].市政技术,2010,28(增刊):193-196

[8] 王亮.地铁车站PBA洞桩法施工数值模拟研究[J].湖北民族学院学报(自然科学版),2012,30(3):346-350

[9] 刘招伟,赵运臣.城市地下施工监测与信息反馈技术[M].北京:科学出版社,2006:307-310

[10] 胡斌,莫云,胡新丽,等.Peck法在武汉地铁隧道地表沉降预测中的适用性分析[J].工程勘察,2012(7):6-10

P258

B

1672-4623（2017）09-0097-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.029

2016-05-10。

项目来源：兰州交通大学青年科学基金资助项目（2013006）。

王冰琰，硕士，研究方向为工程测量与变形监测。