论文部分内容阅读
【摘 要】 随着我国城市地铁修建的发展，其規模越越大，周边环境及各种制约因素也越来越多，为了适应外部环境，地铁车站和区间结构形式呈现多样化，施工技术不断进步和创新，新的施工方法随之出现并以较快的速度发展。其中，浅埋喑挖洞桩法就是具有代表性的一种工法。这种工法在传统浅埋暗挖分部法的基础上综合了盖挖法的特点，利用小导洞和边桩，形成梁柱支撑体系，在顶拱的保护下进行全面开挖，比较灵活多变，适应性很强。
【关键词】 暗挖地铁车站；PBA法；洞桩法施工
一、PBA洞桩法工艺原理和特点
1、PBA工法原理
“PBA”法、洞桩法的工法原理就是将传统的地面框架结构施工方法（即在地面先做基坑围护桩，然后从上向下进行基坑开挖，必要时加支撑防止基坑的变形，开挖到底后从下向上施作框架结构）和暗挖法进行有机结合，即在地面上不具备施作基坑围护结构条件时，改在地下暗挖好的导洞内施作围护边桩、中柱、底梁、顶梁和顶拱共同组成桩（Pile）、梁（Beam）、拱（Arc）支撑框架体系，承受施工过程中的外部荷载，然后在边桩和顶拱的保护下，逐层的向下开挖土体，施作内部结构，最终形成由顶拱初期支护、中柱、边桩和二次结构组合而成的永久承载体系。
2、PBA洞桩法工艺特点
在非强透水地层中，将有水地层的施工变为无水、少水施工，避免因长期大量降水引起的地表沉降和费用增大，有利于保护地下水资源，降低施工措施费；由于采用暗挖法施工，对地面和周边环境影响较小，适用于受环境条件限制无法进行明挖施工的地下结构工程；以桩作支护，稳妥、安全，也利于控制地层沉降，避免中洞法，CD，CRD，双侧壁导坑法多次开挖引起地面沉降量过大的缺陷和对初期支护的刚度弱化；与其他大跨度暗挖工艺（如中洞法、双侧壁导坑法、CRD法等）相比，废弃工程量相对较少，结构受力条件也较好，因此本工艺也相对经济。不受结构跨度和层数限制，适用范围较广，特别适合距桥梁桩基和高层建筑物很近的地下工程的施工。因为边桩本身可起到隔离桩的作用，从而达到保护建筑物安全的目的；在桩、梁、拱承载体系形成后，有较大的施工空间，便于机械化作业，从而加快进度。
二、施工技术（PBA工法）的发展
洞桩法在北京地铁王府井站和东单车站以及北京地铁10号线、地铁5号线的修建中开始获得广泛应用；后来又在北京地铁天安门西站的修建中发展出了PBA法，该工法在北京地铁5号线宣武门站、地铁10号线苏州街站和地铁4号线海淀黄庄站的修建中都有应用，其中换乘车站海淀黄庄站的修建中4号线在下10号线在上，两站呈十字交叉，并且需要同时施工，在对10号线的施工中，由于其边跨跨度较小，导致两侧的导洞间距很小，故在两侧导洞合二为一后采用CRD法开挖，显示了该工法的灵活性。就洞桩法和PBA法的分类来讲，从发展历程上来看，原来的洞桩法和后来的PBA法其基本原理是相同的，主要区别在于：洞桩法开挖导洞较少，利用上部小导洞施作桩及桩顶纵梁，形成主要传力结构，通过长桩调动深部地层参与围护结构受力，限制周边地层变形，主体结构施工多采用顺做法；PBA法开挖导洞较多，通过短桩把荷载传递给底纵梁，底纵梁充当条形基础的作用再将荷载传递给地基，主体结构施工多采用逆作法。
近年来，北京地铁6号线、7号线、8号线、9号线、14号线、15号线、16号线等大多穿越北京城区的线路，大部分车站均采用洞桩法施工，其设计施工越来越成熟，已经成为地铁车站施工的主要工法。
三、某地铁车站施工工程概况
1、地质水文状况
其地形西高东低，自然地面标高在37～37.8m之间。底板埋深32m，车站开挖深度范围主要包括以下土层：粉细砂④3层、中粗砂④4层、圆砾乱石⑤层、中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层、粉质黏土⑥层、中粗砂⑦1层及粉细砂⑦2层。站体施工范围内存在潜水和承压水，暗挖车站拱部处于潜水层中，车站底部位于承压水层，二层水对车站暗挖施工均造成较大影响。
2、工程特点
车站所处位置车流量大，交通十分繁忙，无法实现交通疏解而采用明挖作业，因此本工程采用了全暗挖法进行施工；由于本站地下管线密集，需进行保护管线较多，因此在进行暗挖作业时，需采取措施控制沉降，保证结构以上地下管网的正常使用；2号出入口距某家属楼仅2.88m），在进行明、暗挖作业时，需要采取有效措施确保车站主体及附属结构周围建筑物的安全；结构所处位置地下水位较高，工程地质条件差，车站上、下层导洞拱部均位于粉细砂层、中粗砂层、砂卵石层中，自稳性极差，暗挖施工风险较大。
四、施工工艺选择
由于受周围环境的限制，为减少对周边居民、商业经营活动及交通的影响，车站主体结构全部采用暗挖法施工。主站体设计为地下两层双柱三跨的形式（导洞初支厚250mm，扣拱初支厚350mm，边桩为D=1000mm挖孔桩，拱部主体结构厚700mm，边墙结构厚800mm，中板厚400mm，底板厚1200mm，中柱为D=900mm钢管混凝土柱），车站总长237.6m，开挖宽度23.1m，开挖高度16.15m，覆土厚14m左右。为控制地面沉降变形和确保周边环境的安全稳定，双层结构采用了对地层和周边环境影响均较小的PBA洞桩法进行暗挖施工。
五、PBA洞桩法施工关键技术
1、超前加固技术
1.1难点分析
车站主体导洞处于粉细砂、中粗砂、砂卵石、粉土等地层中，地层较为复杂，且上层导洞处于潜水层中，下层导洞处于承压水层中。不良的地质状态对导洞的开挖、支护影响很大，一旦超前支护工作做不好，极有可能发生涌砂、涌水、坍塌、塌方等事故发生。因此，车站导洞开挖前的超前支护加固是本工程的一大技术难点。
1.2主要对策
第一，严格按照设计在开挖前做好大管棚及超前深孔注浆施工；第二，在开挖过程中若设计超前加固方案不理想，应增加超前小导管注浆加固措施；第三，在导洞开挖施工过程中，若存在残留水、承压水渗漏情况，应及时采取引排、真空降水等辅助措施，确保开挖安全。 2、主体结构扣拱施工技术
2.1難点分析
主拱地层软弱含水，地层多次扰动处于松散状态，开挖施工风险大；扣拱施工需要与原导洞预埋钢板进行连接，其连接质量的好坏直接影响二衬扣拱初支拆除的长度；结构顶部有多条管线与车站并行，距结构较近且多是雨污水管存在渗漏。
2.2主要对策
第一，做好超前加固，根据地层情况，可灵活采取超前小导管或深孔注浆超前加固措施，确保扣拱拱部以上地层得到有效的加固，保证开挖的安全；第二，开挖前，应提前做好超前探测工作，检查前方是否存在空洞、水囊等情况；第三，优化开挖方法，先进行扣拱2个拱脚的土方开挖，将拱脚原预埋连接钢板找到，提前焊接连接U型钢筋，然后在开挖扣拱中部土体，可保证中部土体开挖完成立刻可进行扣拱格栅安装及连接，减少拱部土体暴露时间；第四，扣拱初支完成后，必须及时进行回填注浆施工，确保拱顶密实，减少沉降；第五，优化现场施工组织，缩短初支循环时间；第六，严格控制扣拱格栅与预埋钢板连接质量，为以后二衬扣拱初支破除创造条件；第七，加强施工中的监控量测，重点监测洞室拱顶沉降和管线本身沉降，如果变形量和变形速率超过允许值时，立即采取应急措施，包括加强超前支护、初期支护、增设临时支撑、改变开挖步骤、修改施工方案等；第八，施工中严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。
六、PBA洞桩法施工建议
1、车站小导洞截面尺寸应适当优化
本工程车站上、下层导洞结构尺寸宽×高均为3.5m×4.5m。本工程车站顶纵梁高2.3m，距导洞初支拱顶为0.8m，其缺点为浇筑顶纵梁混凝土时操作空间极其狭小（除去基面处理、防水铺设及保护，梁上部剩余高度仅为0.6m左右），施工时极其困难，因此，上层中间两个导洞应整体抬高0.5m为宜；车站下层两个边导洞内只有条形基础和边桩结构，条形基础顶面距导洞拱顶3.3m，若从提高导洞开挖安全性上考虑，该两个边导洞完全可以降低导洞整体高度，在充分考虑开挖安全、后期施工空间满足要求的前提下，两个边导洞初支净空高度可由4.5m调整为3.5m左右为宜。
2、横导洞设置优化
本工程车站下层导洞之间，每隔12m设置一横导洞，横导洞结构尺寸为2.5m×2.5m，其作用在横导洞内施做条形基础，对两个边导洞内的条基以及中导洞内的底纵梁形成支撑体系。但是在车站小导洞施工完成后，进行横导洞施工再一次扰动周围地层，使小导洞支护体系受力发生变化，进而容易导致车站下层小导洞边墙发生开裂、较大收敛等情况，对车站整体初期支护体系的安全非常不利。在明白横导洞主要起支撑作用后，建议可将横导洞尺寸调整为1.2m×1.25m方形结构，每隔6m设置一道。优化后待小导洞初支完成后，可用洛阳铲双向对掏，若顶部有坍塌情况，可先对打小导管注浆加固，由于断面变小，方形洞开挖完成后，可直接进行回填素混凝土，待导洞内条基及底纵梁施工完成后，同样形成支撑体系，施工较之原设计也简单和方便。
3、竖井存渣场尽量增加存土量
由于采用PBA工法施工，暗挖初支小导洞数量较多，且由一个竖井横通道进入车站小导洞施工，往往双向开洞进行开挖支护施工，导致一个竖井同时开挖的车站小导洞工作面达8-12个（上、下层通常同时开挖的导洞均在4个以上），在小导洞开挖阶段，每个竖井每天的出土量至少在200m3以上（每个洞23-30m3，8-12个洞200-300m3左右）；在主体结构施工阶段，车站内部采用机械出土，对存渣的要求更高。
七、结束语
浅埋暗挖法作为地铁施工的主要工艺之一，应用前景十分广泛，在某地铁站施工中应用的PBA洞桩法，成功地解决了受工程地质和水文条件、环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路交通状况等）、车站埋深及开挖宽度等多种因素的制约。
参考文献：
[1]王霆，罗富荣，刘维宁，等.地铁车站洞桩法施工引起的地表沉降和邻近柔性接头管道变形研究[J].土木工程学报，2013（2）：155-161.
[2]宋建，樊赟赟，霍延鹏.复杂条件下浅埋暗挖地铁车站施工地表沉降规律分析[J].现代隧道技术，2013（6）：88-92.
[3]曹坎嵩，史玉鹏，王吉华.复杂条件下三拱两柱双层地铁车站暗挖逆作施工技术[J].铁道建筑技术，2013（S1）：87-91
【关键词】 暗挖地铁车站；PBA法；洞桩法施工
一、PBA洞桩法工艺原理和特点
1、PBA工法原理
“PBA”法、洞桩法的工法原理就是将传统的地面框架结构施工方法（即在地面先做基坑围护桩，然后从上向下进行基坑开挖，必要时加支撑防止基坑的变形，开挖到底后从下向上施作框架结构）和暗挖法进行有机结合，即在地面上不具备施作基坑围护结构条件时，改在地下暗挖好的导洞内施作围护边桩、中柱、底梁、顶梁和顶拱共同组成桩（Pile）、梁（Beam）、拱（Arc）支撑框架体系，承受施工过程中的外部荷载，然后在边桩和顶拱的保护下，逐层的向下开挖土体，施作内部结构，最终形成由顶拱初期支护、中柱、边桩和二次结构组合而成的永久承载体系。
2、PBA洞桩法工艺特点
在非强透水地层中，将有水地层的施工变为无水、少水施工，避免因长期大量降水引起的地表沉降和费用增大，有利于保护地下水资源，降低施工措施费；由于采用暗挖法施工，对地面和周边环境影响较小，适用于受环境条件限制无法进行明挖施工的地下结构工程；以桩作支护，稳妥、安全，也利于控制地层沉降，避免中洞法，CD，CRD，双侧壁导坑法多次开挖引起地面沉降量过大的缺陷和对初期支护的刚度弱化；与其他大跨度暗挖工艺（如中洞法、双侧壁导坑法、CRD法等）相比，废弃工程量相对较少，结构受力条件也较好，因此本工艺也相对经济。不受结构跨度和层数限制，适用范围较广，特别适合距桥梁桩基和高层建筑物很近的地下工程的施工。因为边桩本身可起到隔离桩的作用，从而达到保护建筑物安全的目的；在桩、梁、拱承载体系形成后，有较大的施工空间，便于机械化作业，从而加快进度。
二、施工技术（PBA工法）的发展
洞桩法在北京地铁王府井站和东单车站以及北京地铁10号线、地铁5号线的修建中开始获得广泛应用；后来又在北京地铁天安门西站的修建中发展出了PBA法，该工法在北京地铁5号线宣武门站、地铁10号线苏州街站和地铁4号线海淀黄庄站的修建中都有应用，其中换乘车站海淀黄庄站的修建中4号线在下10号线在上，两站呈十字交叉，并且需要同时施工，在对10号线的施工中，由于其边跨跨度较小，导致两侧的导洞间距很小，故在两侧导洞合二为一后采用CRD法开挖，显示了该工法的灵活性。就洞桩法和PBA法的分类来讲，从发展历程上来看，原来的洞桩法和后来的PBA法其基本原理是相同的，主要区别在于：洞桩法开挖导洞较少，利用上部小导洞施作桩及桩顶纵梁，形成主要传力结构，通过长桩调动深部地层参与围护结构受力，限制周边地层变形，主体结构施工多采用顺做法；PBA法开挖导洞较多，通过短桩把荷载传递给底纵梁，底纵梁充当条形基础的作用再将荷载传递给地基，主体结构施工多采用逆作法。
近年来，北京地铁6号线、7号线、8号线、9号线、14号线、15号线、16号线等大多穿越北京城区的线路，大部分车站均采用洞桩法施工，其设计施工越来越成熟，已经成为地铁车站施工的主要工法。
三、某地铁车站施工工程概况
1、地质水文状况
其地形西高东低，自然地面标高在37～37.8m之间。底板埋深32m，车站开挖深度范围主要包括以下土层：粉细砂④3层、中粗砂④4层、圆砾乱石⑤层、中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层、粉质黏土⑥层、中粗砂⑦1层及粉细砂⑦2层。站体施工范围内存在潜水和承压水，暗挖车站拱部处于潜水层中，车站底部位于承压水层，二层水对车站暗挖施工均造成较大影响。
2、工程特点
车站所处位置车流量大，交通十分繁忙，无法实现交通疏解而采用明挖作业，因此本工程采用了全暗挖法进行施工；由于本站地下管线密集，需进行保护管线较多，因此在进行暗挖作业时，需采取措施控制沉降，保证结构以上地下管网的正常使用；2号出入口距某家属楼仅2.88m），在进行明、暗挖作业时，需要采取有效措施确保车站主体及附属结构周围建筑物的安全；结构所处位置地下水位较高，工程地质条件差，车站上、下层导洞拱部均位于粉细砂层、中粗砂层、砂卵石层中，自稳性极差，暗挖施工风险较大。
四、施工工艺选择
由于受周围环境的限制，为减少对周边居民、商业经营活动及交通的影响，车站主体结构全部采用暗挖法施工。主站体设计为地下两层双柱三跨的形式（导洞初支厚250mm，扣拱初支厚350mm，边桩为D=1000mm挖孔桩，拱部主体结构厚700mm，边墙结构厚800mm，中板厚400mm，底板厚1200mm，中柱为D=900mm钢管混凝土柱），车站总长237.6m，开挖宽度23.1m，开挖高度16.15m，覆土厚14m左右。为控制地面沉降变形和确保周边环境的安全稳定，双层结构采用了对地层和周边环境影响均较小的PBA洞桩法进行暗挖施工。
五、PBA洞桩法施工关键技术
1、超前加固技术
1.1难点分析
车站主体导洞处于粉细砂、中粗砂、砂卵石、粉土等地层中，地层较为复杂，且上层导洞处于潜水层中，下层导洞处于承压水层中。不良的地质状态对导洞的开挖、支护影响很大，一旦超前支护工作做不好，极有可能发生涌砂、涌水、坍塌、塌方等事故发生。因此，车站导洞开挖前的超前支护加固是本工程的一大技术难点。
1.2主要对策
第一，严格按照设计在开挖前做好大管棚及超前深孔注浆施工；第二，在开挖过程中若设计超前加固方案不理想，应增加超前小导管注浆加固措施；第三，在导洞开挖施工过程中，若存在残留水、承压水渗漏情况，应及时采取引排、真空降水等辅助措施，确保开挖安全。 2、主体结构扣拱施工技术
2.1難点分析
主拱地层软弱含水，地层多次扰动处于松散状态，开挖施工风险大；扣拱施工需要与原导洞预埋钢板进行连接，其连接质量的好坏直接影响二衬扣拱初支拆除的长度；结构顶部有多条管线与车站并行，距结构较近且多是雨污水管存在渗漏。
2.2主要对策
第一，做好超前加固，根据地层情况，可灵活采取超前小导管或深孔注浆超前加固措施，确保扣拱拱部以上地层得到有效的加固，保证开挖的安全；第二，开挖前，应提前做好超前探测工作，检查前方是否存在空洞、水囊等情况；第三，优化开挖方法，先进行扣拱2个拱脚的土方开挖，将拱脚原预埋连接钢板找到，提前焊接连接U型钢筋，然后在开挖扣拱中部土体，可保证中部土体开挖完成立刻可进行扣拱格栅安装及连接，减少拱部土体暴露时间；第四，扣拱初支完成后，必须及时进行回填注浆施工，确保拱顶密实，减少沉降；第五，优化现场施工组织，缩短初支循环时间；第六，严格控制扣拱格栅与预埋钢板连接质量，为以后二衬扣拱初支破除创造条件；第七，加强施工中的监控量测，重点监测洞室拱顶沉降和管线本身沉降，如果变形量和变形速率超过允许值时，立即采取应急措施，包括加强超前支护、初期支护、增设临时支撑、改变开挖步骤、修改施工方案等；第八，施工中严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。
六、PBA洞桩法施工建议
1、车站小导洞截面尺寸应适当优化
本工程车站上、下层导洞结构尺寸宽×高均为3.5m×4.5m。本工程车站顶纵梁高2.3m，距导洞初支拱顶为0.8m，其缺点为浇筑顶纵梁混凝土时操作空间极其狭小（除去基面处理、防水铺设及保护，梁上部剩余高度仅为0.6m左右），施工时极其困难，因此，上层中间两个导洞应整体抬高0.5m为宜；车站下层两个边导洞内只有条形基础和边桩结构，条形基础顶面距导洞拱顶3.3m，若从提高导洞开挖安全性上考虑，该两个边导洞完全可以降低导洞整体高度，在充分考虑开挖安全、后期施工空间满足要求的前提下，两个边导洞初支净空高度可由4.5m调整为3.5m左右为宜。
2、横导洞设置优化
本工程车站下层导洞之间，每隔12m设置一横导洞，横导洞结构尺寸为2.5m×2.5m，其作用在横导洞内施做条形基础，对两个边导洞内的条基以及中导洞内的底纵梁形成支撑体系。但是在车站小导洞施工完成后，进行横导洞施工再一次扰动周围地层，使小导洞支护体系受力发生变化，进而容易导致车站下层小导洞边墙发生开裂、较大收敛等情况，对车站整体初期支护体系的安全非常不利。在明白横导洞主要起支撑作用后，建议可将横导洞尺寸调整为1.2m×1.25m方形结构，每隔6m设置一道。优化后待小导洞初支完成后，可用洛阳铲双向对掏，若顶部有坍塌情况，可先对打小导管注浆加固，由于断面变小，方形洞开挖完成后，可直接进行回填素混凝土，待导洞内条基及底纵梁施工完成后，同样形成支撑体系，施工较之原设计也简单和方便。
3、竖井存渣场尽量增加存土量
由于采用PBA工法施工，暗挖初支小导洞数量较多，且由一个竖井横通道进入车站小导洞施工，往往双向开洞进行开挖支护施工，导致一个竖井同时开挖的车站小导洞工作面达8-12个（上、下层通常同时开挖的导洞均在4个以上），在小导洞开挖阶段，每个竖井每天的出土量至少在200m3以上（每个洞23-30m3，8-12个洞200-300m3左右）；在主体结构施工阶段，车站内部采用机械出土，对存渣的要求更高。
七、结束语
浅埋暗挖法作为地铁施工的主要工艺之一，应用前景十分广泛，在某地铁站施工中应用的PBA洞桩法，成功地解决了受工程地质和水文条件、环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路交通状况等）、车站埋深及开挖宽度等多种因素的制约。
参考文献：
[1]王霆，罗富荣，刘维宁，等.地铁车站洞桩法施工引起的地表沉降和邻近柔性接头管道变形研究[J].土木工程学报，2013（2）：155-161.
[2]宋建，樊赟赟，霍延鹏.复杂条件下浅埋暗挖地铁车站施工地表沉降规律分析[J].现代隧道技术，2013（6）：88-92.
[3]曹坎嵩，史玉鹏，王吉华.复杂条件下三拱两柱双层地铁车站暗挖逆作施工技术[J].铁道建筑技术，2013（S1）：87-91