適用黃土暗挖車(chē)站的改進(jìn)PBA工法研究

李儲(chǔ)軍

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

引言

PBA(pile-beam-arch，樁-梁-拱)工法有效結(jié)合了淺埋暗挖法與蓋挖法的施工理念，在地鐵暗挖車(chē)站工程中得到廣泛應(yīng)用[1-7]。它是一種在地下同步或分步開(kāi)挖多個(gè)小導(dǎo)洞，在小導(dǎo)洞中施作底梁、邊樁、中柱、頂拱等，形成梁、板、柱、拱等空間支撐體系，在該支撐體系保護(hù)下挖土施作中板、中柱和邊墻等結(jié)構(gòu)物，形成站廳、站臺(tái)層的地鐵車(chē)站暗挖法施工工法。

目前國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)站應(yīng)用PBA工法研究主要集中在導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两狄约皩?duì)鄰近建筑物的影響方面。姚君華等[8]依托北京地鐵暗挖站工程，采用數(shù)值模擬方法開(kāi)展了8導(dǎo)洞開(kāi)挖工法、不同開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两涤绊懙难芯浚岢霾捎锰S開(kāi)挖的方法能有效控制地表沉降。王楊等[9]以北京地鐵7號(hào)線磁器口站為依托，對(duì)小導(dǎo)洞開(kāi)挖工序進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：先跳作上層導(dǎo)洞對(duì)于控制地表沉降效果顯著。李皓等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)PBA工法不同開(kāi)挖順序的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。徐凌等[11]研究了導(dǎo)洞尺寸對(duì)初支及地面沉降力學(xué)行為的影響。齊曉明[12]針對(duì)PBA工法的導(dǎo)洞開(kāi)挖技術(shù)、導(dǎo)洞鉆孔樁技術(shù)、主體結(jié)構(gòu)以及扣拱技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。韋京等[13]采用數(shù)值模擬和層次權(quán)重決策分析法，進(jìn)行了北京地鐵7號(hào)線花園橋站導(dǎo)洞施工的方案優(yōu)化研究。臺(tái)啟民等[14]研究了PBA側(cè)穿既有建筑物沉降影響及沉降控制措施的效果。曾恕輝等[15]依托北京地鐵朝陽(yáng)公園站，開(kāi)展了考慮流固耦合效應(yīng)的PBA工法導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ貙游灰茍?chǎng)的數(shù)值分析研究。張海明等[16]對(duì)PBA雙層導(dǎo)洞施工的地表沉降影響規(guī)律進(jìn)行了研究。劉加柱等[17]對(duì)洞樁法施工的地層位移變化、塑性區(qū)分布及重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了研究。葉新豐等[18]依托北京地鐵中國(guó)美術(shù)館站開(kāi)展了地鐵車(chē)站單跨PBA工法扣拱施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究。

上述研究成果主要是針對(duì)北京地區(qū)開(kāi)展的PBA傳統(tǒng)開(kāi)挖工法的研究。以西安、蘭州、太原等城市為代表的黃土地層暗挖地鐵車(chē)站與砂卵石及巖質(zhì)地層不同，黃土地層存在地基承載力偏低、軟黃土側(cè)壓力系數(shù)大的問(wèn)題。針對(duì)黃土地層地基承載力偏低問(wèn)題，郭亮[19]通過(guò)計(jì)算認(rèn)為傳統(tǒng)的8導(dǎo)洞PBA工法在施工過(guò)程中存在地基承載力不足的臨時(shí)工況，為此進(jìn)行地基處理必將增加額外投資，且小導(dǎo)洞內(nèi)施工空間狹小，地基處理難度大，效果不易保證。車(chē)站下導(dǎo)洞內(nèi)澆筑的底板面積較小，相當(dāng)于條形基礎(chǔ)，難以承受暗挖車(chē)站上部荷載，易造成地基失穩(wěn)，進(jìn)而對(duì)周邊建(構(gòu))筑物造成影響[20]。

PBA工法在黃土地層中應(yīng)用需要解決黃土地基承載力弱及軟黃土側(cè)壓力大兩個(gè)難題，如果不進(jìn)行針對(duì)性的工法改進(jìn)，可能導(dǎo)致整體沉降與側(cè)墻變形過(guò)大、洞室整體穩(wěn)定性下降等風(fēng)險(xiǎn)；因此，如何對(duì)傳統(tǒng)PBA工法進(jìn)行改進(jìn)，提高施工過(guò)程中側(cè)壁的穩(wěn)定性及地基的承載力，使其完全適用黃土地層暗挖車(chē)站的修建，成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

以西安地鐵在建暗挖車(chē)站設(shè)計(jì)首次采用的三拱雙柱PBA工法為依托。基于對(duì)黃土地基承載力的分析，并考慮洞身軟黃土的影響，對(duì)其進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)(1)從提高地基承載力、控制沉降角度出發(fā)，上部4個(gè)小導(dǎo)洞保持不變，下部將4個(gè)小導(dǎo)洞優(yōu)化為兩個(gè)大導(dǎo)坑，使得原先四導(dǎo)洞形成的條形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)榉ぐ寤A(chǔ)，保證施工過(guò)程地基承載力滿足要求；(2)從控制側(cè)壁變形、保證洞室穩(wěn)定角度出發(fā)，在車(chē)站扣拱形成向下開(kāi)挖過(guò)程中，考慮架設(shè)側(cè)壁橫撐，以有效提高側(cè)壁穩(wěn)定性。

利用大型數(shù)值仿真模擬軟件進(jìn)行分析計(jì)算，模型建立了車(chē)站的頂縱梁、冠梁、頂拱、樁底拉梁等結(jié)構(gòu)，模型共約24.5萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，212個(gè)施工步，精細(xì)的還原了車(chē)站修建的每一道施工工序，通過(guò)計(jì)算得出地表沉降值及結(jié)構(gòu)變形值，工法斷面及車(chē)站結(jié)構(gòu)二維模型見(jiàn)圖1。探究該改進(jìn)工法在黃土地層中的應(yīng)用效果，有利于PBA工法在黃土地層暗挖車(chē)站中推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)二維模型

1 工程概況

1.1 車(chē)站概況

以西安地鐵在建三拱雙柱暗挖島式車(chē)站為依托，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3 m，拱頂覆土厚度約14 m，軌面埋深約24 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約26 m。對(duì)傳統(tǒng)PBA工法進(jìn)行改進(jìn)：上部四小導(dǎo)洞均采用臺(tái)階法開(kāi)挖，下部?jī)纱髮?dǎo)坑采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。格柵間距0.5 m，開(kāi)挖前均采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，小導(dǎo)管直徑42 mm，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)度3.0 m，縱向間距1 m，注水泥漿加固。主體初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 車(chē)站主體初期支護(hù)參數(shù)

表2 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 圍巖概況

擬建場(chǎng)地地形平坦，地面高程介于492.24～497.55 m，地貌單元屬黃土梁洼。主要地層特征自上而下分為：人工填土由粉質(zhì)黏土與磚瓦碎片組成，結(jié)構(gòu)雜亂，土質(zhì)不均。水上新黃土于填土底面至地下水位以上，可塑，蟲(chóng)孔及大孔隙發(fā)育，具有濕陷性。水下黃土土質(zhì)均勻，可塑，含少量蝸牛殼碎片，不具濕陷性，屬中壓縮性土。飽和軟黃土土質(zhì)均勻，軟塑～流塑狀態(tài)，鉆探過(guò)程中有縮孔現(xiàn)象，局部具高壓縮性。古土壤具針孔狀孔隙，含鈣質(zhì)條紋及鈣質(zhì)結(jié)核，硬塑狀態(tài)，屬中壓縮性土。老黃土(水下)(軟)土質(zhì)均勻，含少量蝸牛殼碎片，可塑～軟塑狀態(tài)，鉆探過(guò)程中有縮孔現(xiàn)象，屬中壓縮性土。

為更好研究PBA工法對(duì)黃土地層的適用性，軟黃土地層的不利影響需充分考慮，因此將車(chē)站結(jié)構(gòu)置于3-1-3、3-2、4-1-3地層中，除古土壤外其余兩層均為軟黃土，尤其是3-1-3飽和軟黃土具有壓縮性高、側(cè)壓力系數(shù)大的顯著特點(diǎn)。土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 開(kāi)挖工序

PBA工法工序繁多，此處分為6個(gè)階段對(duì)改進(jìn)工法進(jìn)行介紹。

第1階段：超前小導(dǎo)管注漿加固地層，并開(kāi)挖下部?jī)蓚€(gè)大導(dǎo)坑。

第2階段：在下部大導(dǎo)坑內(nèi)施作底縱梁及底板。

第3階段：開(kāi)挖支護(hù)上方4個(gè)小導(dǎo)洞，自上而下施作邊樁及樁頂冠梁，隨后施作中間鋼管樁，并與底縱梁連接。

2、3階段分兩種工況：上述工序?yàn)楣r1，工況2—先開(kāi)挖下導(dǎo)坑，然后進(jìn)行上導(dǎo)洞開(kāi)挖，繼而打設(shè)邊樁及鋼管樁并澆筑底板。

第4階段：上方進(jìn)行扣拱初支施工，連接上方4個(gè)導(dǎo)洞，并澆筑扣拱二襯。

第5階段：向下開(kāi)挖，施作站廳層側(cè)墻及中板結(jié)構(gòu)，由于開(kāi)挖跨度較大，分兩種工況：開(kāi)挖設(shè)置橫撐(工況A：設(shè)置橫撐，改善水平方向受力)、開(kāi)挖不設(shè)置橫撐(工況B：不設(shè)置橫撐，節(jié)省工期)。

第6階段：向下開(kāi)挖土體，破除下導(dǎo)洞初期支護(hù)，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程，施作剩余底板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 施工工藝步驟

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型概況

根據(jù)上述開(kāi)挖工序及工況設(shè)置，通過(guò)計(jì)算分析回答兩個(gè)問(wèn)題:(1)是否需要提前施做下導(dǎo)坑內(nèi)底板結(jié)構(gòu)，以提高地基承載力、減小地層沉降？(2)洞身存在軟黃土?xí)r，是否需要在車(chē)站整體向下開(kāi)挖的過(guò)程中設(shè)置橫撐，以減少側(cè)壁變形、提高洞室整體穩(wěn)定性？上述問(wèn)題既關(guān)系到洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與周邊環(huán)境安全，又與工程進(jìn)度及造價(jià)密切相關(guān)。對(duì)此建立二維模型，探究不同施工步序下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。工況設(shè)置如下：1-A:有橫撐底板先成環(huán)；1-B:無(wú)橫撐底板先成環(huán)；2-A:有橫撐底板后成環(huán)；2-B:無(wú)橫撐底板后成環(huán)。橫向比較尋求最佳的施工步序，對(duì)最佳的施工步序，進(jìn)行三維建模，探究改進(jìn)PBA車(chē)站修建工法在黃土地層中的適用性。模型中土層選用修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)平面應(yīng)變單元；二次襯砌及注漿加固區(qū)域采用彈性本構(gòu)平面應(yīng)變單元；地下車(chē)站結(jié)構(gòu)墻體，樓板，結(jié)構(gòu)的梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，彈性本構(gòu)；錨桿采用植入式桁架單元模擬，彈性本構(gòu)。邊界采用固定端約束，施加重力荷載。

依托MADIS-GTS有限元軟件計(jì)算平臺(tái)，考慮邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)圣維南原理，模型計(jì)算選取范圍為80 m(長(zhǎng))×30 m(寬)×60 m(高)，整體三維計(jì)算模型如圖3、圖4所示。

圖3 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)模型

圖4 整體三維模型(單位：m)

模型中土層選用修正莫爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，單元類(lèi)型為六面體單元；二次襯砌及注漿加固區(qū)域采用實(shí)體單元彈性本構(gòu)；地下車(chē)站結(jié)構(gòu)墻體，樓板，采用板單元模擬，彈性本構(gòu)；結(jié)構(gòu)的梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，彈性本構(gòu)；錨桿采用植入式桁架單元模擬，彈性本構(gòu)。邊界采用固定端約束，施加重力荷載。模型參數(shù)以及施工步驟同表2、表3，施工步驟同實(shí)際工程開(kāi)挖工序，共212步。車(chē)站結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型按照實(shí)際工程1∶1建造出了車(chē)站的各個(gè)結(jié)構(gòu)。最終三維模型單元數(shù)量約24.5萬(wàn)個(gè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)工作站運(yùn)算240多個(gè)小時(shí)，得出了完整的施工階段模擬結(jié)果。

2.2 地表及車(chē)站結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

地表沉降與車(chē)站支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值控制標(biāo)準(zhǔn)參照《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[21]，結(jié)合黃土地區(qū)暗挖修建經(jīng)驗(yàn)，暗挖車(chē)站地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值分別如表4、表5所示。

表4 暗挖車(chē)站地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

表5 暗挖車(chē)站支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 二維平面應(yīng)變單元模擬結(jié)果分析

3.1.1 整體沉降分析

二維平面應(yīng)變單元，由于其運(yùn)算速度快，方便對(duì)模型進(jìn)行多次修改對(duì)比計(jì)算，因此初始分析中，常采用二維平面應(yīng)變單元對(duì)不同施工方案進(jìn)行對(duì)比分析。

為了探究是否需要提前將下導(dǎo)坑封閉成環(huán)，在車(chē)站向下開(kāi)挖的時(shí)候是否需要設(shè)置橫撐提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)置了4個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比分析。本節(jié)所用的結(jié)構(gòu)物變形值為結(jié)構(gòu)單元最終變形值減去結(jié)構(gòu)物施作之前的變形值。

運(yùn)算最終結(jié)果見(jiàn)圖5，通過(guò)對(duì)比云圖5(a)、圖5(b)可知：在加橫撐先成環(huán)的情況下，地表沉降值最大為54 mm，拱頂沉降最大值為16.9 mm，底板隆起最大值為9.3 mm，均符合變形要求。在加橫撐后成環(huán)的情況下，地表沉降值最大為66.1 mm，拱頂沉降最大值為27.2 mm，底板隆起最大值為18.7 mm，地表沉降值、底板隆起值超出變形要求。無(wú)橫撐底板先成環(huán)的工況下，地表沉降值最大為104.3 mm，拱頂沉降最大值為35.5 mm，底板隆起最大值為24.6 mm，均不符合變形要求，拱頂沉降值超限較大。無(wú)橫撐底板后成環(huán)的工況下，同樣均不符合變形要求。僅有加橫撐底板先成環(huán)的工況滿足結(jié)構(gòu)的變形要求。通過(guò)對(duì)比云圖圖5(a)、圖5(b)可知：在加橫撐的工況下，先成環(huán)工況地表沉降值為后成環(huán)工況的81.8%。在不加橫撐的情況下，先成環(huán)工況地表沉降值為后成環(huán)工況的91.8%。在先成環(huán)的工況下，加橫撐工況地表沉降值僅為不加橫撐工況的51.8%；在后成環(huán)的工況下，地表沉降加橫撐工況僅為不加橫撐工況的58.2%。分析可知：洞身處于軟黃土地層時(shí)，車(chē)站整體開(kāi)挖過(guò)程中施加橫撐對(duì)于側(cè)壁穩(wěn)定及控制地表沉降具有重要的意義。下部開(kāi)挖先成環(huán)，對(duì)于整個(gè)施工過(guò)程的穩(wěn)定具有較為積極的意義。因此，最終方案確定要下導(dǎo)坑先封閉成環(huán)，在車(chē)站開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)置橫撐。

圖5 各工況下最終整體沉降云圖

3.1.2 圍巖周邊收斂特征分析(圖6)

圖6 有無(wú)支撐周邊收斂云圖

橫撐設(shè)置的目的，是降低軟黃土地層較大側(cè)向土壓力引起的側(cè)壁變形，提高車(chē)站洞室整體穩(wěn)定；對(duì)比加支撐底板先成環(huán)工況以及不加支撐底板先成環(huán)工況下圍巖的橫向變化情況，探究橫撐的作用效果。

從圍巖橫向變形云圖可知：圍巖的橫向變形表現(xiàn)為向車(chē)站內(nèi)部收斂，橫向變形最大處集中在車(chē)站上方地表兩側(cè)以及車(chē)站兩側(cè)側(cè)壁。加支撐底板先成環(huán)工況下圍巖周邊收斂最大值為9.76 mm(左右側(cè)側(cè)壁收斂值相加)，不加支撐底板先成環(huán)工況下圍巖周邊收斂最大值為39.2 mm。加支撐底板先成環(huán)工況下周邊收斂變形值符合變形要求，且在設(shè)置橫撐支護(hù)的工況下，周邊收斂變形值僅為不設(shè)置橫撐支護(hù)的工況下的24.9%。橫撐能夠充分發(fā)揮預(yù)期效果，在洞身處于軟黃土地層中時(shí)，該工法施作有必要設(shè)置橫撐。

3.2 三維實(shí)體單元模擬結(jié)果

3.2.1 地表沉降分析

通過(guò)建立二維平面應(yīng)變單元模擬結(jié)果顯示，加橫撐底板先成環(huán)的施工方法地層位移最小，但是二維平面應(yīng)變分析中未考慮施工步序之間的縱向效應(yīng)，因此選擇加橫撐底板先成環(huán)的施工工況開(kāi)展三維分析；三維模型可以充分考慮開(kāi)挖的縱向效應(yīng)，不同工序間在縱向的間隔，仿真程度更高。三維模型土體豎向位移云圖見(jiàn)圖7。開(kāi)挖最終結(jié)果，土體最大位移為55 mm，最大隆起值為22.5 mm。在地表提取了3根線上圖，呈對(duì)稱(chēng)分布，表現(xiàn)為一個(gè)沉降槽，沉降最大值位于車(chē)站中心部位上方，地表沉降最大值為50.5 mm，符合規(guī)范要求。另外，在黃土地層中修建車(chē)站，隆起值達(dá)到了22.47 mm，在施做結(jié)構(gòu)時(shí)，及時(shí)將下導(dǎo)坑封閉成環(huán)十分有必要。

圖7 三維模型土體豎向位移云圖

3.2.2 洞身變形分析

(1)車(chē)站結(jié)構(gòu)沉降分析

從車(chē)站結(jié)構(gòu)上方開(kāi)始施作二襯扣拱到模型運(yùn)算結(jié)束期間產(chǎn)生的沉降值認(rèn)定為結(jié)構(gòu)的沉降值，并進(jìn)行了階段間的加減計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)圖8，從有限元云圖來(lái)看，車(chē)站結(jié)構(gòu)沉降主要集中于車(chē)站上部導(dǎo)洞的頂部，整體結(jié)構(gòu)最大沉降值為28.03 mm，略小于規(guī)范所要求的30 mm。在同一個(gè)橫斷面上，對(duì)三個(gè)導(dǎo)洞頂部分別取值可知：中間導(dǎo)洞頂部沉降量最大，旁邊導(dǎo)洞頂部沉降值僅為中間導(dǎo)洞頂部的60%。在結(jié)構(gòu)施作過(guò)程中，要注意中間導(dǎo)洞扣拱的施作質(zhì)量，以及兩側(cè)頂縱梁的施作質(zhì)量。從數(shù)值模擬結(jié)果分析可知：車(chē)站結(jié)構(gòu)第二導(dǎo)洞頂部結(jié)構(gòu)沉降值較大，接近規(guī)范限定值。另一方面從模型步序來(lái)看，中間導(dǎo)洞頂部扣拱結(jié)構(gòu)后于兩側(cè)導(dǎo)洞頂部扣拱施作，模型輸出的沉降值偏大。

圖8 車(chē)站結(jié)構(gòu)從施作扣拱到車(chē)站完工的沉降云圖

(2)車(chē)站結(jié)構(gòu)周邊收斂分析

施作完扣拱之后，對(duì)車(chē)站下部進(jìn)行開(kāi)挖，同時(shí)布設(shè)測(cè)點(diǎn)在邊樁上，直至施作好側(cè)墻及中板之后。這一階段側(cè)墻的收斂值可對(duì)比實(shí)際工程中要求的警戒值。通過(guò)階段之間的加減運(yùn)算，得出這一階段車(chē)站的收斂值。從圖9云圖趨勢(shì)來(lái)看，車(chē)站中間向下開(kāi)挖之后，邊樁向車(chē)站中間發(fā)生了位移。從數(shù)值分析來(lái)看，車(chē)站上部開(kāi)挖兩側(cè)邊樁并未產(chǎn)生較大的水平收斂值。當(dāng)車(chē)站下部開(kāi)挖時(shí)，同時(shí)拆除了下方導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)，下方邊樁向中間水平收斂值較大，左側(cè)邊樁向右方收斂值達(dá)4.87 mm，右側(cè)邊樁向左側(cè)收斂值達(dá)4.85 mm，累計(jì)周邊收斂值9.72 mm，略小于規(guī)范要求的10 mm。相較于上部車(chē)站土體的開(kāi)挖，車(chē)站下方在開(kāi)挖土體的同時(shí)，拆除了下方導(dǎo)洞支撐，下側(cè)土體開(kāi)挖過(guò)程中，邊樁周邊收斂值太大，對(duì)于這一工序，車(chē)站下部土體開(kāi)挖應(yīng)進(jìn)行細(xì)化。

圖9 車(chē)站結(jié)構(gòu)從施作側(cè)墻到車(chē)站中板完工水平收斂云圖

(3)車(chē)站結(jié)構(gòu)底板隆起分析

車(chē)站結(jié)構(gòu)底部隆起值，測(cè)點(diǎn)在拱底回填施作結(jié)構(gòu)后進(jìn)行打設(shè)，直至車(chē)站施工完成。運(yùn)用階段的加減運(yùn)算提出結(jié)構(gòu)從施作下方導(dǎo)洞底板結(jié)構(gòu)到車(chē)站完工隆起值。云圖結(jié)果見(jiàn)圖10，隆起值集中在兩側(cè)導(dǎo)洞的底縱梁位置，另外兩側(cè)導(dǎo)洞底板中部隆起值也相對(duì)較大。在相應(yīng)位置制定了4根線上圖，底縱梁位置隆起最大值為7.23 mm，兩側(cè)導(dǎo)洞底板中部隆起最大值為4.3 mm左右。底縱梁位置應(yīng)注意結(jié)構(gòu)隆起，在車(chē)站施作過(guò)程中，下部導(dǎo)坑先封閉成環(huán)是有必要的。采用PBA工法，下方四導(dǎo)洞開(kāi)挖改為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，增大了車(chē)站底部基底的面積，即使在這種工法下，底板隆起最大值仍高達(dá)9.1 mm，進(jìn)一步說(shuō)明了下方導(dǎo)洞先成環(huán)的重要性。

圖10 車(chē)站結(jié)構(gòu)底板隆起值

3.2.3 橫向支撐軸力分析

車(chē)站向下開(kāi)挖過(guò)程中，等間距打設(shè)橫向支撐。開(kāi)挖完成后，橫向支撐軸力云圖見(jiàn)圖11。橫撐承受了較大的壓力，從整體變化趨勢(shì)分析，每一根橫向支撐軸力基本相同。下部橫撐軸力值普遍大于上部橫撐的軸力值，可見(jiàn)下部圍巖側(cè)向土壓力更大。上部橫向支撐軸力最大值為1 500 kN，為下部橫向支撐軸力最大值的78.5%。

圖11 車(chē)站開(kāi)挖后橫向支撐軸力

3.2.4 塑性區(qū)分析

圖12云圖中隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)紅色區(qū)域表示處于其塑性破壞狀態(tài)，藍(lán)色區(qū)域表示其處于塑性松動(dòng)狀態(tài)，綠色區(qū)域表示其處于張拉破壞，無(wú)色區(qū)域表示其處于彈性狀態(tài)。車(chē)站開(kāi)挖，應(yīng)力重分布周?chē)鷩鷰r以藍(lán)色為主。但是車(chē)站上方土體出現(xiàn)了塑性破壞，從中間導(dǎo)洞上方向兩側(cè)向上延伸至地表。車(chē)站結(jié)構(gòu)中間導(dǎo)洞位置，仍然是沉降控制最困難的部位。另外，車(chē)站結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體出現(xiàn)小部分塑性破壞，并向車(chē)站下方側(cè)墻延伸。在車(chē)站下方開(kāi)挖時(shí)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，避免邊樁出現(xiàn)較大的水平位移。

3.2.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析

西安在建的三拱雙柱暗挖車(chē)站目前最快施工進(jìn)展僅完成了上下導(dǎo)洞開(kāi)挖，從車(chē)站主體地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)中選取縱向3條監(jiān)測(cè)線及1個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖13，各測(cè)線及監(jiān)測(cè)斷面在主體導(dǎo)洞施工期間的地表沉降曲線見(jiàn)圖14。

圖14(a)表示的是車(chē)站主體一側(cè)導(dǎo)洞上方的地表沉降監(jiān)測(cè)曲線，從曲線可以看出，隨著時(shí)間推移從導(dǎo)洞開(kāi)挖到導(dǎo)洞貫通，沉降有明顯發(fā)展，導(dǎo)洞貫通后的沉降最大值接近24 mm。

圖14(b)、圖14(c)表示的是車(chē)站主體中導(dǎo)洞上方的地表沉降監(jiān)測(cè)曲線，兩條測(cè)線的沉降趨勢(shì)與最大值基本一致，沉降最大值均發(fā)生在施工橫通道處(約36 mm)。這是由于橫通道先行開(kāi)挖、繼而在側(cè)壁開(kāi)主體導(dǎo)洞馬頭門(mén)，工序多次轉(zhuǎn)換，地層反復(fù)擾動(dòng)所致。但在施工橫通道范圍之外的主體地表沉降點(diǎn)最大沉降值仍在24 mm左右。

圖14(d)表示的是施工橫通道上方的地表沉降監(jiān)測(cè)曲線，可以看出，靠近施工豎井附近的沉降值最大(接近40 mm)；接近橫通道端頭處地表沉降明顯減小。

由于現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度僅完成了上下導(dǎo)洞開(kāi)挖，因此選取數(shù)值模擬中相應(yīng)的步序，提取地表沉降曲線，見(jiàn)圖15。

圖15 上下導(dǎo)洞開(kāi)挖后地層豎向位移云圖

從圖15可以看出，上下導(dǎo)洞開(kāi)挖后，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)地表最大沉降發(fā)生在中導(dǎo)洞上方(32.7 mm)，這與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況符合度較高。說(shuō)明數(shù)值仿真計(jì)算可以較好地模擬分析實(shí)際工程施工工況。

3.2.6 同其他地區(qū)類(lèi)似工程比較

北京地區(qū)很多地鐵車(chē)站修建使用了PBA工法，且結(jié)構(gòu)形式多為三拱雙柱。如表6所示，統(tǒng)計(jì)了北京采用PBA工法修建的三拱雙柱雙層地鐵車(chē)站的拱頂覆土厚度以及地表最大沉降值。覆土厚度在10 m以下的車(chē)站，地表最大沉降集中在28.50～123.91 mm；覆土厚度在10 m以上的車(chē)站，地表最大沉降集中在46.91～84.02 mm。通過(guò)對(duì)北京地區(qū)PBA工法應(yīng)用于三拱雙柱雙層地鐵暗挖車(chē)站工程的總結(jié)，對(duì)PBA工法進(jìn)行了黃土地層適應(yīng)性改進(jìn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：車(chē)站埋深14m的工況下，地表最大沉降值為50.5 mm，符合規(guī)范要求，在近似埋深工程中，地表沉降值不大。因此上部四小導(dǎo)洞、下部?jī)纱髮?dǎo)坑施工的PBA改進(jìn)工法應(yīng)用于黃土地區(qū)暗挖地鐵車(chē)站的修建是可行的，且地表沉降控制較好。

表6 北京地區(qū)PBA工法施作的三拱雙柱雙層地鐵車(chē)站地表最大沉降統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

通過(guò)建立數(shù)值模型，探究了適用黃土暗挖車(chē)站的改進(jìn)PBA工法。對(duì)不同模型結(jié)果綜合分析得出如下結(jié)論。

(1)通過(guò)采用改進(jìn)的PBA工法，將下部的4個(gè)小導(dǎo)洞優(yōu)化為兩個(gè)大導(dǎo)坑提升施工期間的穩(wěn)定性，下導(dǎo)洞先封閉成環(huán)可減少地表沉降值。從模擬計(jì)算數(shù)據(jù)得出，采用下導(dǎo)坑先閉環(huán)可以減少19.2%的地表沉降值，車(chē)站底部隆起值達(dá)到了22.47 mm，及時(shí)施作底板后，結(jié)構(gòu)底板隆起值明顯減小。在黃土地層中運(yùn)用改進(jìn)PBA工法，不僅降低了地表沉降值，也提升了施工期間的洞室穩(wěn)定性。因此，在黃土地區(qū)采用改進(jìn)PBA工法是必要的。

(2)通過(guò)二維模型對(duì)比分析，在設(shè)置橫撐支護(hù)的工況下，周邊收斂最大值僅為不設(shè)置橫撐支護(hù)工況下的24.9%。橫撐承受較大的側(cè)向土壓力，尤其是下方橫撐，軸力最大值高達(dá)1 900 kN。即便如此，下方邊樁累計(jì)周邊收斂值仍然高達(dá)9.72 mm。因此，在洞身處于軟黃土地層(側(cè)壓力系數(shù)較大)時(shí)，車(chē)站向下開(kāi)挖設(shè)置橫撐是必要的。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，改進(jìn)PBA工法修建地鐵暗挖車(chē)站適用于黃土地層，地表沉降值、結(jié)構(gòu)變形值可控制在規(guī)范要求以內(nèi)。同北京地區(qū)PBA工法修建的三拱雙柱雙層車(chē)站相比，地表沉降水平有所降低。

通過(guò)分析傳統(tǒng)PBA工法在黃土地層中的問(wèn)題，對(duì)PBA工法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了適應(yīng)于黃土地區(qū)的暗挖地鐵車(chē)站PBA改進(jìn)工法，并對(duì)其適用性進(jìn)行了研究，對(duì)推動(dòng)黃土地區(qū)地鐵暗挖技術(shù)進(jìn)步、加快黃土地區(qū)地鐵工程建設(shè)有積極的推動(dòng)作用。