地铁车站PBA工法边桩桩端变形规律研究

张嘉树 王海涛 张志伟 尤强

1.大连交通大学土木工程学院，辽宁 大连 116028；2.中铁十四局集团隧道工程有限公司，济南 250002

PBA 工法是一种修建地下车站的方法，其将浅埋暗挖法和盖挖法有机结合起来，用于大跨度、大断面的地下工程时地面沉降小，结构整体性强，广泛应用于北京、沈阳等地的地铁车站修建［1-3］。在PBA 工法中，边桩、中柱作为车站开挖过程中的支撑结构，受力情况较复杂。李栋［4］针对洞桩机械成桩进尺缓慢、卡钻、堵管的问题，提出了采用新型复合钻头。韩健勇等［5］针对洞桩法施工过程中的边桩位移进行研究，发现边桩水平位移在中板完成前显著增长，扣拱阶段是控制边桩水平位移的关键阶段。严卓辉等［6］通过建立洞桩法施工的三维数值模型，发现桩的入土深度大于7 m 后，桩体的最大水平位移没有显著差别。何宏伟等［7］采用数值模拟的方法研究了不同嵌入深度和边桩直径条件下边桩水平位移的规律，发现所用边桩、中柱的直径越小间距越大工程成本越低，施工工期越短，单位桩柱承受的荷载越大，变形越大，风险越大。

关于PBA 工法施工引起的边桩变形规律研究较充分，但对于临近既有结构条件下PBA 工法修建车站的边桩变形规律研究较少。本文基于密贴下穿既有车站的北京地铁6 号线施工，通过数值模拟、现场监测，对地铁车站PBA 工法施工的边桩变形规律进行分析。

1 工程概况

北京地铁6 号线苹果园站位于苹果园南路，平面位置如图1所示，横断面和地质剖面如图2所示。

图1 新建车站平面位置示意

图2 车站横断面及地质剖面（单位：m）

车站沿东西向布置，下穿段为双层三跨箱形框架结构，PBA工法逆作施工，车站有效站台中心里程XK2+130.114。车站主体长52.4 m，宽23.5 m，覆土厚约12.50 m，结构高14.92 m，覆跨比为0.23。上层采用矩形导洞，尺寸为3.70 m×4.32 m，密贴既有线结构。下层采用直墙拱形导洞，边导洞尺寸为3.6 m×4.1 m，中导洞尺寸为4.1 m × 4.8 m。车站的边桩结构采用φ1 000@1 600 的钻孔灌注桩结构，桩长11.67 m；钢管柱φ1 000@6 200，净高10.05 m。

1.1 地质水文情况

车站结构覆土以粉土层、杂填土层、卵石②层、卵石⑤层为主，车站穿越开挖的主要地层为卵石⑤层、卵石⑦层和卵石⑨层。车站底板埋深27 m，位于卵石⑨层。地下水为潜水，位于底板下10.25 m，地质情况见表1。

表1 地质情况

1.2 车站施工步序

施工步序大致可分为六个阶段，如图3所示。

图3 地铁车站PBA工法施工步序

第一步：采用深孔注浆超前加固导洞，按照“先上后下，先外后内”的顺序对8个小导洞进行错距开挖。

第二步：在下层边导洞内浇筑围护边桩下条形基础，在下层中导洞内铺设底纵梁下防水板并浇筑结构底纵梁。然后采用人工挖孔开挖边桩和钢管柱，施作边桩及中间钢管柱。浇筑边导洞桩顶冠梁，施作中间导洞顶纵梁（通过预埋注浆管对后期顶纵梁、顶冠梁混凝土的收缩变形进行高压补浆）。

第三步：先采用中隔壁法错距开挖两边跨导洞间土体并施作中隔壁，待边跨开挖20 m 后采用台阶法开挖中间两导洞间土体。

第四步：自下穿段中间向两端分段拆除顶板范围内施工导洞侧墙初期支护及中隔壁，然后铺设顶板上部及侧墙外侧防水层，浇筑二次衬砌主体结构顶板及部分侧墙。

第五步：分层开挖土体至中楼板下0.2 m 处，分段施工中楼板梁及中楼板，并施作侧墙防水层、保护层及侧墙。

第六步：继续向下开挖土体至基底，分段破除车站范围内的底导洞初期支护，施工底板防水层及底板，然后施工侧墙防水层及侧墙。施工车站结构内部构件，完成车站结构施工。

2 数值模拟

采用MADIS GTS NX 软件建立车站模型，上表面取至地表，下表面至底板结构高程约为1.5 倍的下穿车站高度，总宽度约为4.5倍的车站宽度，纵向长度取60 m。上表面无约束但施加了20 kPa 的均布荷载，下表面完全约束，四周限制各边界的水平位移。

土体按照实体单元进行模拟，采用摩尔-库伦屈服准则。既有车站采用板单元与梁单元模拟，板单元模拟既有车站的二次衬砌结构，梁单元模拟既有车站中的承力桩；新建地铁车站的初期支护与楼板采用板单元模拟，边桩和中柱通过刚度等效简化为梁单元进行模拟，注浆区域、冠梁、顶底纵梁、二次衬砌等采用实体单元通过改变属性进行模拟。模型参数见表2。

表2 模型参数

为了更好地模拟新建地铁车站的开挖步序，探究边桩、中柱施工完成后的变形规律，将新建地铁施工分为多个阶段。第一阶段，改变注浆区土体属性，钝化小导洞，激活导洞初期支护。第二阶段，激活底纵梁、基底条形基础、边桩及钢管柱，改变底纵梁、基底条形基础的属性。第三阶段，激活顶纵梁、冠梁条形基础，改变顶纵梁、冠梁条形基础的属性。第四阶段，钝化上层导洞间的土体，激活中隔壁等初期支护。第五阶段，激活扣拱冠梁，改变其属性，钝化部分初期支护。第六阶段，钝化车站上层土体，改变车站二次衬砌结构属性，激活楼板，并钝化部分初期支护。第七阶段，钝化车站下层土体，改变车站二次衬砌结构的属性并钝化部分初期支护。

3 计算结果与分析

考虑到新建车站位置的特殊性，将重叠区（既有线底板以下部位，其上部存在既有车站结构）与非重叠区（上部不存在既有车站结构）的桩端位移同时进行分析。下穿段桩顶位移监测点埋设于边桩柱顶端，全站设4 个主测断面，其桩端位移监测点分布如图4所示。其中测点1、4、5、8 为非重叠区桩端测点，测点2、3、6、7为重叠区桩端测点。

图4 下穿段桩端位移监测点布置

参考工程桩端位移监测点和下穿既有线的情况，选取模型对应位置进行观测。

3.1 轴力分析

将上述测点分为两部分对其各阶段的最大轴力进行分析。考虑到桩身受向下的压力，模型计算结果为负，令桩端受压为正，受拉为负。测点各阶段轴力变化情况见图5。

图5 各测点轴力变化曲线

由图5可知：

1）随着施工的进行，围护桩桩端轴力保持增长的趋势。第二阶段所浇筑边桩桩底由条形基础支撑，桩顶不存在填充物，在周围土压力的作用下桩顶受到向上的轴力。第三阶段，顶部纵梁与冠梁条形基础施工完成，边桩顶部受到条形基础压力以及条形基础传递的部分上层围岩土压力，桩端轴力方向发生改变。第四阶段进行边跨及中跨开挖，致使上部围岩压力重分布，在边跨开挖时采用了中隔壁法进行施工，中隔壁分担了部分压力，因此边桩桩端应力变化不大。第五阶段，破除了部分初期支护，进行扣拱施工，完整的桩-柱-梁支护结构形成，边桩作为围护结构所受压力显著增大。第六阶段进行了车站上层土体开挖，边桩由于内侧土体侧向压力提供的摩擦力被移除，各测点的轴力变化明显。第七阶段在中板施作完成后进行了下层土体开挖，由于中板以及位于桩底的注浆回填区域存在，保证了开挖过程中桩体的内外土压力基本平衡，所以桩端轴力变化趋于平缓稳定。

2）随着施工的进行，重叠区围护桩桩端轴力与非重叠区围护桩桩端轴力基本保持增长趋势，但位于非重叠区的边桩桩端轴力变化更大，在车站施工完成后非重叠区边桩桩端轴力的最大值可达到重叠区边桩轴力的1.5~2.0倍。围护桩在扣拱施工前桩端轴力较小，约为其最大承载力的1∕7~1∕6。由于采用了中隔壁开挖较长边跨等措施，围岩压力重分布，边桩桩端轴力未发生较大变化。当初期支护被破除扣拱施工完成后，边桩桩端作为车站的主要承力结构桩内轴力大幅增加，约占边桩所受最大轴力的63.4%，其中重叠区与非重叠区边桩由于扣拱开挖引起的轴力变化分别为47.0%、55.3%。施工至上层土体开挖阶段，由于位于边桩内侧土体的大规模开挖，桩侧损失大量摩擦力，该阶段轴力增量约为最大轴力的26.8%；开挖下层土体结构时，由于边桩下侧位于下层边导洞注浆回填土内，其等效于大直径边桩，轴力变化较为缓和。

3.2 桩端位移分析

为探究重叠区与非重叠区边桩在车站施工中桩端位移的规律，对8 个测点的数据进行分析。因所取测点位于车站两侧，为使桩端位移共方向，对数值模拟结果进行符号归一化，向车站内侧偏移为正，反之为负。边桩桩端各测点横向位移变化曲线见图6。

图6 各测点横向位移变化曲线

由图6可知：

1）在桩结构施工完成后，随着施工进行，边桩向车站中心线方向以先加快后减缓的趋势发生偏移。围护桩与钢管柱施工完成后，由于桩体为人工挖孔后自下而上灌注水泥浆而成，在桩体成型过程中受外侧不均衡土压力作用发生偏向车站中心线方向的横向位移。施工至第三阶段顶部冠梁成型，在其传递的部分围岩压力作用下，偏移加剧。施工至第四阶段边跨和中跨开挖时，由于结构内土体的开挖使原有的初期支护结构内部约束减少，边桩桩端继续向车站中心线方向偏移。第五阶段进行了扣拱施工，扣拱完成后，PBA 工法闭合支撑体系至此完成，车站上部围岩压力重分布，边桩上的顶冠梁受到扣拱二次衬砌传递的偏向车站外侧的压力，致使边桩桩顶发生偏离地铁车站中心线的横向位移。在第六阶段上层土体开挖并施作车站结构的过程中，边桩桩端轴力大幅增加，边桩在内外不相等的土压力作用下发生偏向车站中心侧的偏移。第六阶段边桩下侧位于先期注浆回填土中，下层土体开挖对边桩变形的影响较小。

2）随着施工的进行，重叠区围护桩桩端位移与非重叠区围护桩桩端位移基本保持增长趋势，但位于非重叠区的边桩桩端位移变化更大，在车站施工完成后非重叠区边桩桩端位移的最大值可达到重叠区边桩桩端位移的1.3倍。施工完成后围护桩即在外侧土压力作用下发生向内偏移，其中位于非重叠区的边桩桩端向车站内侧平均偏移0.55 mm，位于重叠区的边桩桩端车站内侧平均偏移0.42 mm。边桩施工完成后到扣拱完成期间，不同区段边桩都向车站中心线方向发生偏移，非重叠段与重叠段边桩桩端偏移量差距不大，约为1.36 mm。扣拱期间，边桩桩端发生背离车站中心线的偏移，且非重叠段边桩桩端变形略大于重叠段边桩。至此车站支撑框架体系基本完成，后续的车站开挖各阶段都会使边桩顶端向内侧发生偏移，且影响最大阶段为上层车站结构开挖的施工阶段，重叠区边桩桩端变形0.46 mm，约占桩端最大位移的25.4%；非重叠区边桩桩端变形0.93 mm，约占最大位移的33.3%。下层土体开挖阶段对桩端位移影响较小，曲线趋于平缓。重叠区测点位移较非重叠区位移略小，位于上部既有车站结构对边桩桩端位移基本没有影响。

4 工程实测

由于新建地铁车站位于地铁1 号线的正下方，考虑到新建车站的特殊性，按设计和施工要求对边桩的桩端轴力与桩端位移进行施工监测，通过掌握支护桩的动态变化，采取相应的控制措施，确保密贴线路的正常运营以及下部车站的暗挖施工。

下穿段边桩轴力的实测值与模拟平均值对比见图7。可知，伴随着施工进度，在扣拱阶段及上层土体开挖过程中，边桩轴力大幅增加，在此阶段应适当增加监测频率。在实际工程中采用了跳仓法开挖边跨与施工扣拱，与数值模拟将开挖边跨与扣拱完全分为两个阶段不同，故而出现2017⁃05⁃27 到2017⁃09⁃09 阶段内数值模拟曲线的反常凸起。

图7 边桩轴力变化曲线

下穿段边桩桩端横向位移实测与模拟平均值对比见图8。可知，随着施工进行，边桩桩端横向位移逐渐增加；模拟数据略小于实测数据，位移曲线较吻合，扣拱施工阶段边桩桩端未发生明显横向位移。

图8 桩端横向位移变化曲线

5 结论

1）边桩施工完成后在上侧冠梁及外侧土压力的复杂荷载作用下向车站内侧偏移，其偏移速率变化过程是缓—快—缓。

2）边桩施工完成后，其轴力在扣拱开挖阶段增大较显著，此阶段开挖了边跨土体破除了部分初期支护，上部存在既有车站结构与上部不存在既有车站结构边桩轴力变化分别约为最终轴力的47.0%、53.3%。

3）边桩施工完成后，其横向位移在上层土体开挖阶段增长较显著，此阶段上部存在既有车站结构与上部不存在既有车站结构边桩横向位移分别约为桩端最大位移的25.4%、33.3%。

4）上部既有车站对边桩受力变形起一定的保护作用。上部不存在既有车站结构的边桩最大轴力约为上部存在既有车站边桩的最大轴力的1.5~2.0倍，桩端位移约为1.3倍。