地铁车站PBA洞桩法施工数值模拟研究

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摘要：基于北京一地铁车站pba洞桩法施工的工程实例，运用有限元分析软件 MIDAS-GTS进行PBA洞桩法三维模型数值分析，研究PBA工法施工过程中土体扰动、主要构件内力变化、地面沉降变化的规律和特点，提出洞桩法的施工建议，为后续车站设计施工提供参考。

关键词：地铁车站；暗挖车站；PBA工法；数值模拟

中图分类号：U231+.4 文献标识码：A

洞桩法是利用小导洞和桩在对地层不产生大的扰动的情况下, 在地下形成梁、柱纵向支撑体系, 一旦扣拱完成, 即全面形成纵横向框架空间支撑体系, 在此支撑体系保护下可安全地开挖站厅层和站台层。洞桩法不仅具有施工安全，用材节省等优点，而且圬工废弃量小，断面利用率高，不受跨度、层数的限制，对地面周边环境及交通要求较小，因此在现代地铁建设中得到广泛应用。

采用数值方法计算模型进行地铁施工引起周围土体和地铁结构的内力变化规律研究，可以考虑多步开挖过程中的结构力学响应及土体的非线性性质, 简便易行, 在参数选择合理时, 可以达到相当的精度。

结合北京地区某地铁车站具体工程利用MIDAS-GTS进行PBA工法的分析研究。

1 概述

1.1 工程概况

北京某地铁暗挖车站垂直于双向8车道的道路布置。该道路规划后属于交通要道，车流量很大，大街周边有银行，商场等重要高层建筑物，场地地下燃气、给水、污水等市政管线密集，为了不影响地面交通及地下管线，采用PBA法(洞桩法)工艺。

车站为14m岛式站台车站，全长205.35m，采用路外明挖+路下暗挖的施工方案，车站暗挖断长度117.05m，宽度23.1m，暗挖段地下2层。

场地地基土主要由表面素填土、砂石土、碎石类土及卵石组成。车站横断面如

图1所示。

图1 车站横断面示意图

2 有限元模型及参数

2.1 车站模型

为分析开挖车站结构对周围土体的影响以及车站结构各部位的受力、变形特性，建立三维模型如图2、3。模型中，分别自车站外缘向外拓展1.5D（D为车站跨度）取得左右边界，自车站下缘向外拓展2D取得下边界，上边界取至地表。该模型共有单元135526个。

图2整体模型网格图

图3车站结构模型网格图

2.2 模型计算参数

根据地质勘察报告，车站所处地层简化为两层考虑，并假定符合Mohr-Coulomb强度准则，注浆加固圈和初衬支护结构则按弹性材料考虑。表1和表2分别给出了计算中所采用的土层参数和支护结构力学参数。

表1土层计算参数

表2 结构计算参数

2.3 材料的力学模拟

(1)管棚与小导管超前注浆力学模拟为了防止软弱地层中隧道施工时极易出现的不均匀沉降和失稳坍塌问题，施工中常采用管棚超前支护和小导管超前注浆等预支护技术。预支护能显著改善开挖轮廓1 m左右范围内围岩的力学参数，增强其稳定性，因此在计算分析中，超前预支护效果可以简化考虑为在动周围岩中形成了一道加固圈，采用提高该部分的围岩参数来模拟。

(2)格栅钢架与网喷混凝土的模拟

格栅钢架与网喷混凝土是不可分割的统一整体，共同承受来自围岩的压力，对围岩稳定起着非常重要的作用，计算分析中可将格栅钢架与网喷混凝土按作用等效的原则，简化为混凝土，而提高混凝土的弹性模量，折算后混凝土的弹性模量可用如下公式计算：

式中：为折算后混凝土的弹性模量；为混凝土的弹性模量；为钢筋的弹性模量；为一榀格栅钢架范围内的混凝土截面积；为一榀格栅钢架钢筋的截面积。

(3)边桩的简化

导洞内施工的灌注桩由于间距不大，其实际受力情况近似于地下连续墙。下一步序的施工中，边桩属于压弯构件，因此可以按抗弯刚度等效的原则，把钻孔灌注桩模拟为地下连续墙。由：

可得：

式中：D为钻孔桩直径；d为桩间距；t为地下连续墙的折算厚度。

2.4 施工过程的模拟

为模拟地铁车站开挖过程，计算过程主要分为以下步骤：

（1）形成初始应力场；

（2）开挖导洞；

（3）施作围护桩、中柱及初支扣拱。并开挖土体至中板标高，施作中板；

（4）开挖土体，施作底板。

3 计算结果及分析

通过模型计算，分析车站主要结构内力及地表位移变化情况。车站埋深、跨度、地质条件及开挖与支护的步序数是影响着车站周围土体和衬砌结构的稳定的主要因素，初期支护扣拱阶段，受力、变形更为复杂。

3.1 地表沉降

为清楚显示车站开挖引起的周围土体变形，选择距离破挖面10m处的开挖面作为监测断面，选取该断面上位于车站结构中轴线正上方的地表点作为监测点。以下是对监测断面和监测点的沉降分析。

图4测点变形曲线图

图5表沉降槽曲线图

由图4可看出，采用洞桩法施工时，地表监测点随掌子面向前开挖的沉降曲线沉降明显分为3个区：前期沉降区、急剧沉降区、沉降收敛区。

1)前期沉降区（1-5步）。开挖尚未到达测点时，开挖已经使地面产生一定范围的沉降。该沉降量大约占总沉降量的10％左右。这种沉降主要是由于开挖引起的地层应力场变化引起的；

2)急剧沉降区。当开挖面越过监测点后，地层受到开挖的直接影响，发生急剧变形沉降，大约占总沉降量的75％～80％，这种变形主要是由于开挖造成土体边界条件改变，产生应力重分布造成的。在该区段，又可分为3个阶段，与洞桩法施工相对应，即：小导洞施工沉降阶段，占总沉降量的20％～30％；扣拱沉降阶段，占总沉降量的15％～25％；下部土体开挖沉降阶段，占总沉降量的15％～20％；

3)沉降收敛区。当车站主体结构开挖完成、车站支护结构施做完毕后，由于地层变形趋于稳定，沉降量增长缓慢，沉降量占总沉降量的10％左右。

3.2 塑性区分布

图6车站结构开挖完成后周围土体的塑性应变

由图6可看出，车站主体结构开挖完成、支护结构施做完毕后，周围土体的塑性变形主要集中在条基和管桩的底部；同时边桩端部附近的土体也产生显著的塑性变形。

3.3钢拉杆应力

图7钢拉杆的应力云图

由钢拉杆受力云图可见，钢拉杆主要承受拉应力，且多数钢拉杆的中部的应力最大；钢拉杆的拉应力最大值为21.087MPa 。

3.4扣拱应力

图8扣拱、顶纵梁的应力云图

由图8可见，扣拱和顶纵梁主要承受压应力，扣拱拱脚处易产生应力集中。顶拱因为承担了覆土重量和地面超载而承受较大的弯矩和剪力，是车站的主要承载构件。

3.5导洞初支最大主应力

图9 导洞初支应力

由于导洞开挖断面较小, 地层中竖直方向的应力在开挖范围附近的波动较小, 所以很好的利用了土体的原始承载力，致使导洞本身所受应力也较小。

由图9可见，导洞初支的拱顶部位受拉，拱腰、拱脚部位受压；1-4导洞初支拱顶部位的应力明显大于5-8导洞初支拱顶部位的应力，但1-4导洞初支拱腰、拱脚部位的应力小于5-8导洞相应部位的初支应力；拱脚部位相对其他部位更容易出现应力集中，容易被压坏。

4 结论

（1）PBA 工法施工过程中顶拱承受了较大的

弯矩、轴力和剪力, 是车站结构的重点部位。

(2)小导洞开挖时应做好超前支护，支护尽快封闭成环，及时进行拱脚固定有利于减小地面沉降。

（3）拱顶土体沉降位移较大，扣拱施工应该及时迅速并较早封闭，缩短循环周期，施工中应多注意拱部与边墙交点部位。

总之，PBA工法具有结构受力明确、工序转换少等优点，同时PBA工法施工步序繁杂，保证良好的工序衔接是良好控制地面沉降的基础。

参考文献

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