地鐵車站單跨PBA工法扣拱施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究

葉新豐,任雪峰

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100068)

1 地鐵車站單跨PBA應(yīng)用現(xiàn)狀

PBA法是在傳統(tǒng)的淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上結(jié)合了蓋挖法的特點(diǎn)，利用小導(dǎo)洞和樁技術(shù)在對(duì)地層小擾動(dòng)的情況下，在地下構(gòu)成樁、梁、拱的橫向框架支撐體系，在該體系的保護(hù)下進(jìn)行土體開挖，施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1-3]。PBA工法自20世紀(jì)90年代應(yīng)用以來(lái)日趨成熟，相對(duì)同體量的工程而言，PBA工法造價(jià)相對(duì)較低、施工速度較快、廢棄工程量少而被廣泛采用[4-5]。北京地鐵復(fù)八線首次采用PBA工法以來(lái)[6]，為了適應(yīng)不同的建設(shè)環(huán)境，結(jié)構(gòu)形式逐漸演變。當(dāng)暗挖車站附近有橋梁樁體等控制因素影響，部分車站采用單跨PBA工法[7-10]，以適應(yīng)各類工程實(shí)際需要，目前在北京及許多城市地下車站施工應(yīng)用極為廣泛。

隨著單跨PBA工法的廣泛應(yīng)用，單跨PBA工法的結(jié)構(gòu)形式演變也趨于豐富，從施工順序來(lái)分可分為逆作法和順做法，即依據(jù)在初支扣拱后二襯的施作順序不同來(lái)區(qū)分，另外一種分類是通過(guò)邊樁形式區(qū)分，一類是4導(dǎo)洞單跨PBA工法，另外一類是2導(dǎo)洞單跨PBA工法(部分業(yè)內(nèi)人士稱之為洞樁法)，區(qū)分在于是否施作下層小導(dǎo)洞及邊樁條基[11]。通過(guò)對(duì)近年北京地鐵建設(shè)工程的統(tǒng)計(jì)，目前采用單跨PBA工法的情況匯總見表1。

表1 單跨PBA工法應(yīng)用情況匯總

通過(guò)表1可以看出，近年來(lái)北京地鐵單跨PBA工法趨勢(shì)為流行采用4導(dǎo)洞PBA逆作施工，并且單跨PBA工法的最大跨度有所提高。

在地下結(jié)構(gòu)中，拱的跨度增加勢(shì)必會(huì)帶來(lái)受力增加、施工難度加大、周邊環(huán)境影響加劇、管理風(fēng)險(xiǎn)上升等一系列安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，以目前北京地鐵PBA工法跨度最大的8號(hào)線二期美術(shù)館站為例(2016年8月數(shù)據(jù))，從設(shè)計(jì)、施工角度分析美術(shù)館站由大跨度帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)變化及風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

2 地鐵車站單跨PBA工法應(yīng)用案例

中國(guó)美術(shù)館站是北京地鐵8號(hào)線二期工程的終點(diǎn)站，位于美術(shù)館東街、王府井大街、五四大街、東四西大街4條街十字交叉路口處，沿美術(shù)館東街-王府井大街南北向布置，車站總長(zhǎng)283.5 m，站臺(tái)交錯(cuò)布置，車站南端PBA暗挖雙層段頂板覆土厚度約為8.47 m，底板埋深約24.07 m，開挖凈跨14.2 m。車站施工工序按下層小導(dǎo)洞施工，上層小導(dǎo)洞施工，扣拱導(dǎo)洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺(tái)施工進(jìn)行。

車站施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況由上而下依次為:雜填土①層、粉土③2層、中砂細(xì)砂④層、卵石圓礫⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、礫砂⑧層。主要含兩層地下水:第一層上層滯水，含水層為雜填土①層、粉土③層，靜止水位埋深2.30～9.0 m。第二層潛水，含水層為細(xì)砂⑤層，靜止水位埋深16.60～18.00 m。為了進(jìn)一步了解該車站PBA工法在施工過(guò)程中的沉降關(guān)系，便于采用合理的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。車站結(jié)構(gòu)剖面和土層分布見圖1。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面和土層分布(單位：mm)

超前加固措施初支參數(shù)邊樁參數(shù)二襯參數(shù)上半斷面深孔注漿,拱部2m小導(dǎo)管C20噴混凝土、?25mm格柵主筋、0.35m厚初支、雙層鋼筋網(wǎng)片樁徑?1.0m,間距1.5m0.8m厚,C40混凝土

3 單跨PBA工法數(shù)值計(jì)算

采用Midas-GTS有限元軟件進(jìn)行建模，根據(jù)研究需要，模型尺寸選定為100 m×10 m×50 m(橫向×縱向×豎向)，見圖2。土體及注漿加固體采用實(shí)體單元模擬，材料滿足摩爾-庫(kù)倫(M-C)準(zhǔn)則，初期支護(hù)、二襯采用實(shí)體單元模擬，材料按線彈性材料處理，模型不考慮地下水對(duì)工程影響[12-15]。模型物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

材料厚度/m重度/(kN/m3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比雜填土4.617108100.31粉土3.4191217.2280.24細(xì)中砂6.419370350.3卵石圓礫6.121500360.21粉質(zhì)黏土1.9191729140.24礫砂10.022500420.21注漿體1.52512060460.21初支—2522500——0.20二襯—2533500——0.20

依據(jù)車站施工產(chǎn)生沉降5個(gè)主要階段[10，16]進(jìn)行計(jì)算，依次為：下層小導(dǎo)洞施工，上層小導(dǎo)洞施工，扣拱導(dǎo)洞施工，二襯扣拱施工，站廳站臺(tái)施工。

圖3 下層小導(dǎo)洞施工完成沉降云圖

通過(guò)計(jì)算分析得出，PBA工法跨中對(duì)應(yīng)地表沉降量：下層小導(dǎo)洞施工階段為7.7 mm；上層小導(dǎo)洞施工階段16.1 mm；扣拱導(dǎo)洞施工階段為16.4 mm；二襯扣拱施工階段18.1 mm；站廳站臺(tái)施工階段0.9 mm。具體見圖3～圖7。車站完成后沉降總量在59.2 mm，控制在60 mm規(guī)范控制值以內(nèi)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以得出，車站二襯施工沉降大于各階段土方開挖沉降，因此需對(duì)扣拱施工階段風(fēng)險(xiǎn)控制加以重視。

圖4 上層導(dǎo)洞完成沉降云圖

圖5 初支扣拱完成沉降云圖

圖6 二襯扣拱完成沉降云圖

圖7 車站二襯完成沉降云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，選取中國(guó)美術(shù)館站拱頂對(duì)應(yīng)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線如圖8所示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)見表4。

圖8 地表沉降時(shí)程曲線

從數(shù)值模擬的各階段沉降量及趨勢(shì)來(lái)看，整體呈現(xiàn)一致趨勢(shì)，驗(yàn)證了模型及參數(shù)的正確性，以及現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)的吻合程度。

表4 監(jiān)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比

通過(guò)對(duì)美術(shù)館站的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，單跨PBA工法跨中對(duì)應(yīng)地表沉降量控制在平均58.8 mm，結(jié)合時(shí)程曲線得出：

(1)初支扣拱及二襯扣拱總沉降達(dá)36.2 mm，扣拱階段占總沉降量的61.6%；

(2)扣拱導(dǎo)洞拆除豎向中隔壁期間，一周內(nèi)沉降為13.4 mm，平均速率1.91 mm/d，為各概況最大沉降速率，扣拱導(dǎo)洞施工期間，一周內(nèi)沉降12.3 mm，平均速率1.76 mm/d；

(3)二襯扣拱完成，沉降發(fā)生持續(xù)時(shí)間達(dá)1個(gè)多月。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可初步判斷中國(guó)美術(shù)館站單跨PBA工法在扣拱跨度為14.2 m的條件下，二襯扣拱施工風(fēng)險(xiǎn)較導(dǎo)洞施工風(fēng)險(xiǎn)高，為單跨PBA工法施工工序風(fēng)險(xiǎn)管控關(guān)鍵步驟，必須從多方面對(duì)該項(xiàng)工序進(jìn)行技術(shù)管控。

5 單跨PBA工法施工關(guān)鍵部位風(fēng)險(xiǎn)控制措施

5.1 設(shè)計(jì)措施

(1)扣拱豎向中隔壁采用鋼筋格柵與型鋼格柵間隔設(shè)計(jì)，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定拆除中隔壁長(zhǎng)度及方法，通過(guò)留設(shè)豎撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可靠度，降低風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率；

(2)由于扣拱跨度大，節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量尤其關(guān)鍵，扣拱拱腳及節(jié)點(diǎn)板采用幫焊方式進(jìn)行連接，保證連接強(qiáng)度。

5.2 施工措施

(1)施工導(dǎo)洞拆撐步距建議不大于4 m，同時(shí)應(yīng)形成連續(xù)的作業(yè)條件，避免在拆除臨時(shí)豎撐后，長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行二襯施工。

(2)在扣拱拆除豎撐階段，需配合監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，當(dāng)監(jiān)測(cè)較多預(yù)警，沉降控制趨勢(shì)未收斂的情況下，拆撐應(yīng)及時(shí)停止，必要時(shí)進(jìn)行支頂。

(3)加強(qiáng)導(dǎo)洞超前地質(zhì)探查，避免因局部不良地質(zhì)造成土體及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

(4)二襯模板施作前，可留部分導(dǎo)洞初支作為二襯施工模板支撐點(diǎn)，既增加工效，同時(shí)保障模板支撐穩(wěn)定性，降低風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率。

通過(guò)設(shè)計(jì)及施工措施的雙重保障，中國(guó)美術(shù)館站在施工中風(fēng)險(xiǎn)可控。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)依據(jù)中國(guó)美術(shù)館站沉降監(jiān)測(cè)分析，單跨PBA車站扣拱階段沉降占總沉降61.6%，二襯施工拆除豎向中隔壁階段周平均沉降速率1.91 mm/d，扣拱導(dǎo)洞施工階段周平均沉降速率達(dá)1.76 mm/d，在當(dāng)跨度達(dá)到一定程度，二襯施工階段拆除豎向中隔壁的風(fēng)險(xiǎn)將大于導(dǎo)洞開挖風(fēng)險(xiǎn)；數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果同樣表明，二襯扣拱施工沉降量為18.1 mm，大于扣拱導(dǎo)洞開挖沉降16.4 mm，因此需重點(diǎn)關(guān)注二襯施工階段風(fēng)險(xiǎn)控制；

(2)通過(guò)前期優(yōu)化設(shè)計(jì)扣拱豎撐及節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，可確保施工階段降低風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率；

(3)施工二襯前期小導(dǎo)洞拆除過(guò)程通過(guò)監(jiān)測(cè)情況配合，可確定風(fēng)險(xiǎn)可控的拆撐方案，在嚴(yán)格控制拆撐長(zhǎng)度的條件下，可降低風(fēng)險(xiǎn)；

(4)利用扣拱導(dǎo)洞仰拱及部分小導(dǎo)洞側(cè)墻施作二襯可提高模板穩(wěn)定性，提高拆撐時(shí)效，減少初支扣拱因拆撐及二襯施作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

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