PBA工法导洞开挖顺序数值模拟研究
李皓，葛克水
（中国地质大李（北京）工栏技术孕院，北京100083）
[摘要]地铁车站施工引发的地表沉降对施工安全和周边建筑的正常使用具有重要意义.洞桩法（PBA工法）施工运用FLAC软件进行模拟，对比4种开挖方案引发的地表沉降，得出最优施工方法，并通过现场监控测量数据与数 中导润开挖引发的地表沉降量占累计沉降量的比重较大，因此，合理的小导润开挖顺序可以较好地控制地表沉降.值模拟计算结果比较分析，验证计算结果的可靠性.
[关键词]地铁；车站；PBA工法；数值模拟；沉降
[中图分类号]U231.4 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2015)07-0110-03
ResearchonNumericalSimulationofHeadingPilot's Excavation ofPBAMethod
Li Hao Ge Keshui
(Sohoof f Engining and ecnlgy Chi Unirersity of Geiencs Bejng100083 Chn)
Abstract ; The ground settlement caused by subway station construction has important effect on theproportion of total ground setlement reasonable pilot tunnel excavation sequence can control the surface construction safety. On account of the construction of pilot tunnel excavation in PBA method has largesubsidence. In order to obtain the most appropriate method which can cause little ground subsidence thepunou uo spopau moj jo 1oaga a pue *ssaod uoponnsuo aq aemms o posn s! aV1 aaossetlement are pared. Through the parison between the deformation monitoring data on spot andcalculation results by FLAC* the reliability of the calculation results is testified.
Key words ;subways ; stations; PBA method; simulations ;settlement
构断面形式，结构底板埋深约为31.5m，上覆土层厚洞桩法（PBA工法）是目前地下建筑大断面施度约14.7m.结构顶板处土层主要为④，粉细砂工过程中容易发生坍塌，施工时需要及时支护；边墙土体自上而下依次主要为④，粉细砂层、5圆砾卵石层、6粉质黏土层、粉土层、圆砾层、中粗砂层、粉细砂层、B粉质黏土层、③黏土层挖结构埋置较深，土压力较大，④，粉细砂层、5圆 和8，粉土层.围岩分级均为VI级，特别是车站暗砾层、圆砾层、，中租砂层和粉细砂层虽为密实土层，但土体自稳能力较差，施工过程中容易发生坍塌.结构底板下主要为8粉质黏土层、8黏土层和③，粉土层.圆砾层、中粗砂层和道底板，开挖时易发生涌水流砂和流土现象. 7粉细砂层是承压水（三）的含水层，水头高于隧
0引言
工的主要方法之一，通过将地上框架结构体系同地层、5圆砾层.围岩分级均为V级，自稳能力差，施下浅理暗挖方法的有机结合，在对润室周围地层扰动较少的情况下，在地下形成顶梁与底梁、桩柱、顶拱共同受力的支撑体系.在先期小导润开挖期间，由于群润效应，小导润的开挖厦序对地表沉降产生不同影响，所以，合理的小导润开挖顾序对控制 PBA工法引发的地表沉降至关重要.通过对北京地铁7号线某车站PBA工法先期小导洞开挖方案的研究，制订了4种开挖方案，对其引发的地表沉降优的开挖方法. 进行分析，并结合现场监测数据，总结规律，得出最
1工程概况
北京地铁7号线某车站主体为双层三跨联拱结
2施工方案
超前预注浆加固地层，台阶法开挖先期小导润
并施作初期支护.前后拉开距离，先开挖边导洞，后开挖中导润，然后施作下边导润内桩下条基及下 横通道内条基.横通道内条基施工完成后，施作中柱下底纵梁.在上边导润中施作边桩及桩顶冠梁，边桩外侧与导润间采用C20混凝土回填，中间导润中施工钢管混凝土柱.之后边导润内施作初期支护，管棚空当打设超前小导管注浆，台阶法开挖拱 部土体（挖土过程中不得拆除导洞边墙），施作初支扣拱.拱部贯通后，分段截断导洞边墙并浇筑结构拱部二衬，设置中跨钢拉杆.之后进行二次衬砌，待拱顶混凝土达到设计强度后，沿车站纵向分为若 千个施工段，分层向下开挖站厅层及站台层，并施作其余主体结构.
图2模型网格划分Fig. 2 Division of model grid
间距300mm，并采用625mm×3.25mm水煤气管作为锁脚错管，与水平呈30°斜向下打设，长度为2.0m.加固措施的模拟采用等效计算的方法，在模 拟计算时，依据经验，将围岩参数中的黏聚力和内摩擦角值提高一定比例，在此采取在先期小导洞开挖时将初期支护外0.5m范围内土体的黏聚力和内摩擦角值提高30%的措施.各土层物理力学参数 如表1所示.
在小导洞开挖时期，制订了4种开挖方案，并在整体结构中线处以及1，2，3，4号导洞结构中线处对应地表面设置监测点，小导洞断面如图1所示.
表1各土层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of soil
土县 天然 内率 基床 垂直 水平 基床名称 (kN-m-) 重度/ 黏聚力/ kPa 擦角/ (∞) 系数/ 系数/④，粉细纱 20. 5 0 35 (m-） ( m） 34 40粉质黏土 ③ 21.5 20.0 45 0 45 14 39.3 90 38.8 95 粉土 20.6 41 30 60 50③中粗砂 图 21.5 21.3 0 0 50 40 95 60 100 70③粉细砂 8粉质粘土 21.0 19.7 30 0 35 20 50 40 55 45③ 黏土 18.5 35 10 40 45③粉土 20.2 25 30 71 77
图1车站主体导洞标准断面
3数值模拟
3.1计算域及参数说明
采用FLAC软件进行模拟，FLAC软件采用有限差分原理，将显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术混合应用，能够进行土质、岩石等材料的三维 结构受力模拟以及塑性破坏和流动分析，采用较小的资源就能够准确求得实际工程问题.
3.2导洞开挖方案
号导润掌子面超前10m之后开挖2，4号导洞，待上 1）方案1首先开挖上层1，3号导润，待1，3层导润贯通后，开挖下层6，8号导洞，待6，8号导润掌子面超前10m之后开挖5，7号导洞，循环进尺1m.
模型高度为60m，上边界取到地表面，下边界取到2倍车站跨径处，整体模型计算跨度为120m，为5倍车站跨径，深度为60m，并呈对称布置，该模型 侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，上面为地面按自由边界考虑，共118320个单元、124488个节点，应用FLAC软件计算的模型网格划分如图2所示.
号导润掌子面超前10m之后开挖上层1，4号导洞， 2）方案2首先开挖上层2，3号导润，待2，3待上层导润贯通后，开挖下层5，8号导洞，待5，8号导洞掌子面超前10m之后开挖6，7号导洞，循环进尺1m.
车站主体先期小导洞开挖前采取预加固措施，以提高围岩的稳定性，根据围岩类别采用的预加固方式为：Φ25mmx3.25mm水煤气管作为超前小导管，每福一打，管长2.0m，打设角度20°-25°，环向
号导润掌子面超前10m之后开挖6，8号导洞，待下 3）方案3首先开挖下层5，7号导洞，待5，7层导润贯通后，开挖上层2，4号导洞，待2，4号导润掌子面超前10m之后开挖1，3号导润，循环进
38. 30mm DB-02 为 46. 76mm DB-03 为 44. 25mm 映施工的真实情况.监测点DB-01累计沉降量为DB-04为41.67mm DB-05为35.58mm.现场实际监控量测数据绘制监测点历时沉降曲线如图5所示.
尺1m.
号导洞掌子面超前10m之后开挖6，7号导润，待下 4）方案4首先开挖下层5，8号导润，待5，8层导润贯通后，开挖上层2，3号导润，待2，3号导润掌子面超前10m之后开挖1，4号导润，循环进尺1m.
4数值模拟结果及监测资料分析
根据数值模拟结果，垂直方向沉降量等值线图如图3所示，各测点沉降值如表2所示.
图4地表横向沉降槽曲线
Fig. 4 Settlement curves of ground surface
图3垂直方向沉降量等值线图（单位：m）
Fig.3 Isogram settlement in vertieal direction ( unit ;m)
表2各方案导洞开挖地表累计沉降值
Table 2 The ground surface settlement of each
exeavation plan of heading pilot mm方案 DB-01 DB-02 DB-03 08 DB-052 1 38.24 39.14 40. 00 48. 26 50. 00 39. 45 38. 12 49 45 35. 79 35.553 39. 49 47.65 57. 85 47.23 59. 25 48. 17 50. 00 56. 21 38. 44 48.324
图5地表沉降历时沉降曲线
Fig. 5 Curves of time-dependant groundsurface settlement
根据现场实际监控量测资料，小导润施工时期的地表沉降在监测断面距离掌子面1-1.5倍润径时地表沉降速率较大，此阶段产生的沉降量占总沉降量的比例也较大，施工掌子面通过监测断面2倍润径之后，地表及拱顶沉降趋于稳定.采用方案1 施工引发的地表沉降曲线沉降量增长较为平缓，施工时对地表沉降的控制力较强，可以有机会及时采取措施，如对小导润侧壁进行注浆、缩短施工循环进尺等方法，有效控制地表沉降.
方案1中各导洞施工完成后的拱顶沉降值和地2号导洞结构中线上方，这是由于1，3号导洞先行 表沉降值均小于其他3个方案，地表最大沉降位于开挖，对周围土体产生扰动，2号导润处于松动效应区所致.
方案2在开挖2号及3号导润时由于导润距离较近，引发群润效应，在导润全部施工完成后在2，3 号导洞上方产生地表最大沉降值，总体沉降量比方案1略大.
5结语
通过对北京地铁7号线某车站PBA工法小导润开挖群润施工方案的数值模拟研究，建立了FLAC有限差分模型，并辅以现场监控测量数据分结论. 析，确定了小导润的最优施工方案，并得到以下
方案3及方案4引发的地表沉降量大于前两个方案，这是由于先开挖下层导润产生的群润效应对 上层土体扰动较大，致使上层土体的开挖引发了较大的地表沉降.
经分析，方案1的“先上后下，交错开挖”为最优开挖方案，方案4“先下后上，先边后中”的开挖方案引发的地表沉降量及拱顶沉降量均为最大.
1）对比4种开挖方案，并辅助以现场监控测量数据可得，采用“先上后下，交错开挖”的施工方案小导润上方对应土体地表沉降平均值为41.36mm， 对地层的扰动较小，根据现场监控量测数据显示，符合施工安全要求.这是由于受土质的影响，先行
该地铁站采用方案1施工，根据小导润施工期间现场实际监测数据（见图4），数值模拟结果同现场实际监控测量资料较为吻合，证明本次模拟能反
（下转第116页）
位于海峡中部现有铁路轮渡附近，跨线线路较短，悬浮隧道是较为合适的. 工程量较小.经初步分析，认为在5线处修建水下
2.2琼州海峡拟水下悬浮隧道的选型
2.2.1管道布置形式选择
琼州海峡位于海南岛与雷州半岛之间，是我国重要的军事通道，且海峡的船舶通行量较多，如果 修建浮筒式水下悬浮隧道，势必影响海峡的通航力，不仅妨碍军事舰艇的正常通行，而且众多的浮简还会影响海峡的景观，因此在琼州海峡不宜修建浮筒式水下悬浮隧道.另外，琼州海峡底部分布着 许多断裂，承压墩柱势必会对海峡底部造成很大荷载，因此也不宜修建承压墩柱式水下悬浮隧道.再者，琼州海峡浪高流急，环境条件极其复杂，修建自由式水下悬浮隧道也不符合实际情况.而锚索式水下悬浮隧道的错索位于水下，对船舶的正常通行 基本无影响，也不影响海峡表面的景观，锚锭和锚索对海峡底部地形的影响也相对较小.
因此，本文建议琼州海峡跨海工程选取锚索式水下悬浮隧道的设计.
2.2.2锚索材料选择
根据琼州海峡的特殊海况，水下悬浮隧道的锚索需要承受拉力荷载，且由于琼州海峡水流淄急，错索必将承受很大的周期性往复荷载，再结合表1的对比分析，本文推荐采用钢绞线柔性索来制作琼 州海峡水下悬浮隧道的锚索.
2.2.3错索布置方式选择
前面得出在5线（雷州三塘-海南天尾）上修建水下悬浮隧道较为合适的结论.该跨海线路较 短，约20.3km，最大水深88m.此线路处于琼州海峡的中部，海峡中部潮流流速最高，一般为4-5节（1节=0.5144m/s，底层潮流流速为3-4节）.琼州海峡年均风速为3.2m/s，最大风速25m/s，极大风速>40m/s，并多以旋转风出现.中部100年重 现期的瞬时最大风速为73.3m/s，150年重现期的瞬时最大风速为76.6m/s
根据上述海况，再结合表2中各布索方式的优缺点对比，由于本文选择的最优线位长度较短，琼 州海缺海底地形也相对简单，所以推荐采用单索布索方式.而琼州海峡浪高流急，海况恶劣，垂直布索方式、附加质量块布索方式以及竖向倒拱式布索方式的承受能力都较差，不推荐采用.另外，混合式布索方式由于其锚数量增加，对海底地形的要 求也相对较高，不适宜在琼州海峡处采用.而倾斜式布索方式既能保证水下悬浮隧道竖向和横向的稳定性，其对海底的要求也相对较低，因此推荐采
用倾斜式布索方式.
3结语
参考文献：
（上接第112页）
参考文献：
悬浮隧道，其锚索的布置方式推荐采用倾斜单索布 综上所述，本文推荐在5线处修建锚索式水下索方式.而每个错固基础上连接的锚索的倾角和错索的间距有待通过进一步的计算确定.
内外越来越多专家、学者的关注.本文介绍了水下 水下悬浮隧道作为一个新奇的结构，正受到国悬浮隧道的各种形式，并对锚索式水下悬浮隧道的不同布索方式进行了详细的介绍和对比，最后以琼州海峡为例，旨在说明水下悬浮隧道在选型过程中 的步骤及应当考虑的间题.在水下悬浮隧道选型的过程中，首先要对建造地点的海况和海底地形进行详细了解，以合理确定隧道方案，然后再对隧道悬浮隧道的优势较大，适用范围也较广. 方案的具体参数进行详细设计.目前，锚索式水下
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开挖下层导润对上层土体产生了较大的扰动，引发土体松弛，待开挖的上层导润处于扰动区以内，故产生了较大的地表和拱顶沉降，故方案1为最适合该地铁站小导润的施工方案.
2)PBA工法小导润的开挖原则为：同层同侧导润应相互错开开挖，同层对侧导润应采用对角开挖，各导洞掌子面相互错开10m.暗挖施工过程中根据监测情况，必要时对小导润侧壁进行注浆加固 处理，可有效减缓地表沉降.
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