地铁车站洞桩法（PBA）施工结构受力变形和沉降监测分析

地铁车站洞桩法（PBA）施工结构受力变形和沉降监测分析

范强慧

烟台市交通工程质量监督站264000

摘要：在市区修建地铁隧道工程，施工所引起的地面沉陷将有可能危及周围建筑设施和地下管线等的安全，造成严重的经济损失和社会影响。如何在城市地下工程施工过程中防止地层坍塌，保证支护结构的安全并可靠地预计和有效地控制施工所引起的地面沉陷以保护工程沿线建筑物和地下管线的安全，已成为城市地铁工程建设中必须解决的一项重要课题。本文依托北京地铁6号线朝阳门车站PBA工法暗挖施工过程中沉降监测项目，对大断面暗挖法施工引起的车站地表沉降规律进行研究。

关键词：城市隧道；浅埋暗挖法；地层变形；地表沉降；沉降监测

1概述

众所周知，隧道施工是在岩土体内部进行的，不可避免地对岩土体产生扰动，引起地表移动。地表变形主要是指不均匀水平位移和不均匀地表沉降所形成的水平变形和地表倾斜，以及地表的曲率变形，在这里统称为地层变形。地铁隧道施工中地层变形的发生主要是由于施工引起的地层损失和施工过程中隧道周围受扰动或者受剪切破坏的重塑土的再固结所造成，因此，无论采取何种隧道施工方法，都将引起或多或少的地层变形，形成地表沉降槽。施工沉降槽可能严重影响地面沉降甚至造成地表塌陷，从而导致道路路面破损、地下己有管道破坏以及建筑物、构筑物的损坏，这些问题严重影响人民生命财产安全及工程的建设，并造成严重的经济损失和社会影响。

随着工程埋深的不断减小，开挖对地面的影响越来越大。在超浅埋条件下，开挖影响的控制与开挖方式、支护方法、施工工艺等众多因素有关，是地下工程施工中最为复杂的问题。地铁隧道一般埋深较浅，围岩自承载能力较差，对施工掘进方法及支护方式要求较高。地铁隧道开挖对地表沉降控制的要求较高，本文依托北京地铁6号线朝阳门车站PBA工法暗挖段地表沉降监测项目，针对城市地下工程浅埋暗挖法引起的地表沉降特点，在了解地表沉降机理与主要影响因素的基础上，结合实测数据，分析研究北京地铁施工引起的地表地层沉降规律。

2北京地铁6号线朝阳门站PBA法暗挖施工及沉降观测

2.1工程概况

拟建北京地铁6号线朝阳门站位于东二环朝阳门桥西侧，在朝阳门内大街与豆瓣胡同交叉路口下方，与既有地铁2号线朝阳门站换乘。2号线朝阳门站位于拟建车站东侧约60m处，两站通过3条换乘通道完成换乘。朝阳门站车站总长188m，为地下二层岛式车站，双柱三跨直墙圆拱形框架结构，采用PBA工法暗挖施工。

根据结构特点，主体结构沿纵向设置2道变形缝，主体结构被划分为3段，其中双层三联拱结构总长174.8m、总宽22.5m、总高16.11m。

车站主体双层段施工由1号、2号施工横通道及1号风道转向主体八个小导洞施工，利用上部边导洞施作钻孔围护桩，利用下部边导洞施工条基梁；利用下部中导洞施工底纵梁，利用上部中导洞施作钢管柱孔桩，安装钢管柱，施作主体天梁。主体梁柱体系完成后，开挖主体上导洞间拱部土体，及时施工初期支护及拱部二衬，然后按逆作法施工车站。

暗挖主体结构采用双层三跨三连拱结构断面，包括四个断面形式，采用“洞桩法”施工，车站结构断面如图1所示。

图1车站标准段扣拱结构断面

2.2PBA工法原理及总原则

PBA法的原理就是将明挖框架结构施工方法和暗挖法进行有机结合，即地面不具备施工基坑围护结构条件时，改在地下先行暗挖的导洞内施作围护边桩、桩顶纵梁，使围护桩、桩顶纵梁、顶拱共同构成桩(Pile)、梁(Beam)、拱(Arc)支撑框架体系(PBA即Pile、：Beam、如c三个英文单词的首位字母组合)，承受施工过程的外部荷载；然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖（必要时设预加力横向支撑），施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。施工总原则是少分块、快封闭，尽量减少荷载转换次数和地层被扰动的次数。导洞掘进和主拱施工遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”及“先护后挖，及时支撑”的原则。从竖井进入两侧导洞施工，导洞贯通后施作灌注桩。适时凿除桩头后施做桩顶混凝土纵梁。以此在导洞内施作主体结构拱边段，回填支护后背与导洞初期支护之间空间。以注浆小导管加固拱部地层，开挖上部土体，施作车站主体上部初期支护（以下简称主拱），并与两侧拱边段联成整体。在主拱的保护下开挖土体并施作中板和上部拱墙二次衬砌结构。分层实施下部开挖，分层架设横撑和实施桩间初期支护，然后进行下部主体结构施作。

2.3浅埋暗挖地表沉降现场观测及结果分析

2.3.1测点布置原则

布置原则是以满足现场安全管理和监控为前提，按照设计要求，在保证施工监测与第三方监测同点同时段监测的基本要求下，综合施工监测设计图、第三方监测设计图优化而成。测点布置总体优化原则如下：

监测项目与监测设计项目相同；监测布点范围：建(构)筑物沉降监测项目监测范围取两侧各1.5～2.0H(H为隧道埋深)范围；地下管线仅对污水、雨水、上水、热力管沟等管线进行沉降及差异沉降监测，监测范围取暗挖法两侧各1.0H范围；道路及地表沉降监测点布置在车站上方地表中线处。道路及地表沉降测点的埋设，应根据现场实际情况灵活处理，可采用标准方法和浅层设点方法

2.3.2主要监测项目

根据北京地铁6号线施工图设计文件，结合现场踏勘，确定车站监测应测项目为：洞内及洞外观察，地表沉降，地下水位监测，地下管线沉降监测，拱顶沉降监测，净空水平收敛监测，建筑物监测。

地质和支护状况观察：观测掌子面稳定状况，是否有渗漏水，支护状况是否良好，为确定开挖进尺，支护是否加强，提供感观印象；监测实施方法：每次开挖、支护后均进行目测并描述，对已支护地段进行定期巡查；地下水位监测：相关监测仪器包括：电测水位计、PVC塑料管、电缆线；监测实施方法：测点埋设：利用已施工好的降水井。量测及计算：通过水准测量测出孔口标高H，将探头沿孔套管缓慢放下，当测头接触水面时，蜂鸣器响，读取测尺读数ai，则地下水位标高HWi=H-ai。则两次观测地下水位标高之差△HW=HWi-HWi-1，即水位的升降数值；地下管线沉降监测：采用精密电子水准仪，铟钢尺等。测点布置：地下管线测点重点布设在给水管线、污水管线、大型的雨水管及电力方沟上，测点布置时要考虑地下管线与结构的相对位置关系。原则上有检查井的管线应打开井盖直接将监测点布设到管线上或管线承载体上；无检查井但有开挖条件的管线应开挖暴露管线，将观测点直接布到管线上，无检查井也无开挖条件的管线可在对应的地表埋设间接观测点。管线沉降观测点的设置可视现场情况，沿管线每10m布设1个测点，每根监测的管线上最少要有3-5个测点。基点的埋设同地表沉降监测；拱顶沉降监测：采用精密水准仪及钢尺等。基点埋设：基点埋设在受施工扰动范围以外结构外。测点埋设：测点布设在初期支护上的拱顶位置，每10~30m布设1个断面，每个断面布设1~3个点，应先利用钢筋预制沉降监测环，监测环应制作为三角形或圆形，大小保证路出喷射混凝土，保证监测要求。净空水平收敛监测：测点埋设：每10~30m一个断面，每个断面1~3根基线。对于浅埋暗挖车站，每个导洞均布设断面测点与拱顶沉降测点在同一断面上，特殊地段及断面变化处适当加密应先利用钢筋预制沉降监测环，监测环应制作为三角形或圆形，大小保证路出喷射混凝土，保证监测要求。净空水平收敛在初支混凝土喷射完成后及时进行，4小时内取得初始值，最晚不得超过12小时。

（2）现场监测周期

初始值测定：测点布置完成后，在施工之前，应对所有的监测项目进行连续三次独立的观测，判定合格后取其平均值作为监测项目的初始值。为了更好的进行对比分析。停测标准：本工程中，现场监测工作在区间施工完成后，即可进入工后监测，变形稳定判断的标准依据《建筑变形测量规范》JGJ8-2007相关内容确定，即“当最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d时可认为已经进入稳定阶段”。变形稳定后，即可向业主、监理发出“停止监测申请”，经批准后停止监测。

2.3.4朝阳门站下穿朝内通道检测分析

朝内通道位于朝阳门内大街上，北京地铁6号线一期工程朝阳门站在K14+464.214处下穿地下过街通道。过街通道为钢筋混凝土结构，净宽5.0m，净高2.6m，设5道结构缝，通道位于朝内大街地面下，顶板基本无覆土，暗挖车站主体拱顶与过街道外底垂直距离8.5m。

图3朝内通道监测布点平面

朝内通道新旧测点在通道底板及出入口处共布点38个，其中原始测点18个，新增测点20个。具体布点见图3所示。

朝内通道各测点累计沉降监测值如表1所示。

表1朝内通道均匀沉降

根据监测数据分析，通道有7个测点累计沉降超控制值，其它监测项目无超标现象，目前沉降速率已趋于稳定。

3小结

朝阳门车站开挖引起地表沉降，1#风道拱顶下沉阶段测点最大沉降2.8mm，平均沉降速率为0.097mm，两侧点相对较稳定。1#风道5号、7号导洞，最大的收敛测值变化分别为5.74mm、4.35mm，平均变化速率分别为0.2mm/d、0.15mm/d，相对较稳定。地表最大沉降和地层内土体竖向位移最终值都趋于稳定，且洞内观测结果也基本稳定，说明北京地铁六号线朝阳门车站PBA暗挖施工方案可以满足隧道初期支护和围岩稳定性要求。经与风道CRD法施工比较，PBA法施工的沉降值小于CRD法。与北京地铁10号线和5号线暗挖车站CRD法施工(地表下沉多在lOOmm以上，最大沉降值超过200mm)比较PBA法施工沉降量小，沉降控制效果良好。

参考文献

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