孙振国1 刘静亮1 郑学召2 吴佩利2
中铁十六局集团有限公司北京100018；2.西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054
摘要：介绍了地铁车站洞桩法（PBA工法）洞内施工技术的基本原理和特点，从施工工艺、施工力学特征、沉降变形等多方面综述了地铁车站PBA工法洞内施工技术国内外研究现状及应用情况；从施工工序、预测方法、导洞结构形式及数值模拟等方面分析了地铁车站PBA工法洞内施工技术存在的技术难题；指出在开挖方案、自动化监测、导洞形式及模拟模型等方面仍需不断完善，探讨了黄土地区地铁车站洞桩法洞内施工技术。
关键词：黄土地区；地铁车站；施工工艺；施工力学
Abstract:This paper introduces the basic principles and characteristics of the in-hole construction technology of the PBA construction method in subway stations, summarizes the research status and application of the in-hole construction technology in subway stations at home and abroad from the aspects of construction technology, construction mechanics characteristics, settlement deformation, etc. Elaborated from construction process, forecasting methods, structure form and the numerical simulation analysis of the subway station PBA method in hole of the technical problem existed in construction technology, elaborated need in excavation scheme, automatic monitoring, forms and simulation model of constantly improve, thereby promoting the loess area, the subway station in a hole hole pile construction technology is more mature.
Keywords:loess region; subway station; the PBA method; construction technology; construction mechanics
2019年，在《交通强国建设纲要》新闻工作发布会上，国家铁路局表示，预计到2050年，我国将最终形成运输保障能力强大、战略支撑有力、运输服务高效、资源环境友好的功能完善、服务一流、绿色环保的现代化铁路网。在我国基础设施建设中，城市轨道交通建设取得了很大的成果。截至2020年12月31日，我国内地已经设计建成和规划开通的城轨交通线路总长度约为7978.19公里，其中地铁总长为6302.79公里，位居世界前列。截至2021年4月25日，我国已建成和开通的城市轨道交通系统有74个。除西藏、青海等边远省会（首府）以外，其他城市大多都上报了地铁修建计划。地铁车站施工过程中需要开挖不同大小的导洞，这难免会对周围的地层结构产生影响。如果地表沉降值过大，会对周围建筑物稳定性造成威胁，甚至会带来人员伤亡以及重大经济损失。PBA工法将桩、梁和拱等施工工艺完美的集合于一身，尤其在交通拥挤，管线密集的区域，PBA工法呈现出其独特的优越性。然而，不容回避的事实是，地铁车站PBA工法中也存在一定的风险，尤其在黄土地区。鉴于此，笔者在分析目前黄土地区地铁车站洞桩法（PBA工法）施工工艺现状等的基础上，对黄土地区地铁车站洞桩法洞内施工技术进行了研究。
一、PBA工法原理
PBA工法是在传统浅埋大跨度隧道局部开挖的基础上，结合盖挖法的特征，而提出来的一种特殊的施工办法。该施工方法具有灵活且适应性强等优点，是当前地铁站应用较为广泛的施工方法之一。PBA工法将传统的暗挖施工技术和框架结构施工方法相结合，施作基坑阶段，当地面无法及时提供所需的维护结构时，选择在较小场地内设置竖井。通过竖井的横向通道来开挖一个小导洞，然后在小洞内施作边桩、中柱、梁和拱。这样就构建完成了桩、梁、拱支撑框架体系，如图1所示。已经设计完工的PBA拱形结构要求在施工过程中能够承受外部的应力荷载。然后，在外部边桩及其内部顶拱的支护下，逐层进行土体的开挖，进而施作内部二衬框架结构。最终，构建了由边桩、初期支护、二次衬砌组合而成的永久承载体系。
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PBA工法适用于在城市复杂环境中修建大断面暗挖地铁工程，在穿越复杂地层、多种管线及桥隧方面优势明显。其中，断面具有分块选择多样、施工顺序灵活等特点。与其他浅埋暗挖方法相比，PBA工法在很大程度上保障了施工安全，减轻了后期施工开挖对地下空间变形和地表沉降的影响。对车站周边的环境风险源（建筑物以及地下管线）的安全都有一定的保证。可满足城市地下空间开发涉及单位对于安全管理的需求，目前PBA工法在城市地铁领域得到了广泛应用。
二.研究现状
1.施工工艺
郭永军以北京市地铁10号线一期苏州街站项目为依托，阐述了PBA施工方法的原理和特征。提出了导洞开挖技术、钢管柱安装、主体结构以及拱施工技术存在的技术难题，并提出了对应的解决方案。欧阳艳以北京市地铁四站项目为依托，阐述了扣拱施工方案，大管棚施工方法、工艺以及步骤。指出管棚法能有效减少地层沉降，从而避免施工时洞内塌方。管棚法能够保障地下结构的施工安全以及拱顶上方管线、道路交通的安全。周赣以沈阳地铁二号线沈阳北站PBA工法为例，对顺作和逆作工艺进行了详细介绍，并对比分析了顺作和逆作在安全、质量、施工安全度、进度等方面的优缺点。采用逆作法在现场进行施工，最后发现利用逆作法施工，可以增加基坑的稳定性。并且逆作法具有对环境影响小、施工投入少以及施工质量可靠的特点，是繁华城市深基坑施工的方案之一。李铁生针对传统的地下降水存在的一系列问题，以当前北京地铁8号线作为研究对象，对体外单独导洞降水方案、体外上边导洞降水方案及体内上中导洞降水方案的优缺点进行了对比分析。结合PBA工法的特点，提出将地铁车站上层施工导洞合并或放大，为施作降水井提供足够的空间，从而解决了PBA工法地铁车站地下降水问题。刘泽胜结合实际案例，对PBA工法的流程和控制要点进行了详细说明，并在此基础上着重论述了施工过程中的控制要点，并且表示如果能够结合施工过程中控制要点，提前做好准备工作并且在作业工程中重点关注控制几个关键工序，可有效提升施工过程中的安全程度和减少由工程相关的事故发生。
2.施工力学特征
杨慧林介绍了北京地铁10号线PBA工法的施工步骤。从技术经济角度系统的将PBA工法和其他暗挖施工方法进行了比较分析。建立了PBA工法开挖地下基坑的计算模型，并对导洞在其施工时所受到的应力以及变形程度进行了分析，提出了现场施工过程中应该注意的问题。晏启祥通过数值模拟与相似物理实验的方法，分析研究了洞桩法地铁车站施工过程中的力学特征，通过分析对比得出施工过程中边桩和顶拱等位置的内力变化特点，并且表示车站各构件的最大内力可能在施工过呈中出现，应结合实际情况采取相应措施。针对常规荷载-结构模型存在的问题，对其进行修正处理，计算结果更接近实际情况。朱宝磊以某大空间地铁车站工程作为背景，针对大空间地下施工存在的问题，采用Flac3D数值模拟软件对PBA工法地铁车站施工过程进行了模拟，通过分析得到了不同施工阶段地层出现变形的规律。分析了在施工过程中，导洞顶拱的开挖顺序以及导洞支护参数的变化，对地表沉降以及地层结构的变形造成的影响，并对PBA工法地铁车站的施工方案进行了优化，为现场施工提供了科学依据。瞿万波以北京市地铁十号线工体北路车站项目为依托。搭建了相似物理实验平台，研究了PBA工法边桩在地层压力以及初支拱荷载的作用下，边桩的变形情况以及桩侧土的压力变化情况。采用数值模拟的方法，研究了PBA工法隧道左右导洞掌子面施工过程中，地表沉降及地层变形的规律。
3.沉降变形
王亮以沈阳某地铁车站项目为依托。利用数值模拟软件模拟分析了PBA工法扣拱施工工艺，通过模拟分析研究得出了在施工过程中地表沉降规律，并结合沉降规律提出了施工过程中应着重对待扣拱施工阶段，应在保证施工质量的基础上提高作业速度，缩短循环周期。而且地表沉降和地层位移存在关联，在施工过程中需要重视拱顶沉降的监测。王霆以北京地铁10号线黄庄站工程作为课题的研究背景，通过记录分析洞桩法施工引起管线与地表的沉降数据，得出管道与隧道平行和垂直条件下，沉降规律相似，都可以大致分为初期缓慢变化期、掌子面通过时的急剧变化期和通过后的稳定期三个阶段。但是三个阶段存在差异，急剧变化期垂直时的管道沉降速率和地表沉降速率都比平行时要快。稳定期则与急剧变化期相反。任建喜以西安地铁六号线某车站为研究对象，研究了PBA工法在黄土地区的首次应用，通过实验与模拟相结合的方式，对比了从纵向和横向开挖时，不同的开挖顺序对地表沉降所产生的影响。最后发现，当采用“先上后下”与“先边后中”的开挖顺序时，能够有效地降低群洞效应带来的影响。进而可以更好的控制地面沉降，对PBA工法在黄土地区的应用起到一定的指导作用。李涛等以北京地铁六号线某区间为研究对象，在此基础上通过现场实验与FLAC模拟相结合的方式，分析研究了浅埋暗挖法对地表沉降的影响，研究结果表明，沉降过程主要包括三个阶段，分别为微小变形、急剧变形、缓慢变形，同时表明施工过程中超前支护和缩小无支护空间可有效降低地表沉降的程度。刘加柱等在分析研究新疆地铁一号线王家梁站的基础之上，通过FLAC3D软件对洞桩法施工进行模拟，模拟结果表明，导致地表沉降的主要阶段分别为导洞开挖和扣拱施工阶段。并结合分析结果提出了在施工过程中应对导洞和车站拱顶进行超前注浆，导洞开挖应采用先中后边、先上后下的方案。贾世涛以北京地铁蓟门桥站为研究对象，利用Midas Gts NX构建模型，分析研究了不同施工阶段对地层沉降的影响。分析得出导洞开挖阶段对地层沉降影响最为明显，在同一施工条件下，地层条件不同沉降值也会有差异。深孔注浆可有效控制地层沉降，沉降越大作用效果越明显。
三、存在的技术难题及解决对策建议
1.技术难题
综上，黄土地区地铁车站洞桩法洞内施工技术取得了很大进展，但仍然存在诸多技术难题需要进一步攻关，主要表现如下：（1）施工工艺方面，PBA工法的现场大断面施工过程中，工序变换繁多，不同的施工顺序将对地层空间变形产生不同的影响，因此PBA工法的施工顺序及设计细节等方面需要进一步细化和规范。（2）理论研究方面，PBA工法施工中结构变形、地层变形与地表沉降之间的关联机制尚不明晰，预测方法对施工受力过程的反映还不够，导致实际施工过程中关键参数的监测预警方面还存在较多不确定性和盲点。（3）工法普适性方面，现有的PBA工法主要通过变换开挖导洞的数量、调整施工工序等手段优化工艺，缺乏对导洞结构形式的优化，同时缺乏针对黄土地层施工特征而进行的技术优化。（4）数值模拟方面，现有研究多是基于有限元Midas GTS等数值模拟软件，简化构建了PBA工法施工的仿真模型，对现场具有一定的指导意义。但受设备条件等因素限制，模拟结果与现场的一致性还需进一步研究。
2.解决对策建议
（1）开挖方案优化。结合现场施工情况，通过综合监测以及数据分析。对比“先下后上，先边后中”、“先上后下，先边后中”等8种开挖方案的优缺点，综合考虑不同的方案对地面建筑物沉降、建筑物水平位移、地层沉降以及拱顶沉降造成的影响，从而根据现场情况选择最优的开挖方案。（2）自动化监测。通过自动化监测设备（土压力盒、静力水准、分层土体沉降、孔隙水压力等）来测量地层中的变形；监测洞内隧道结构拱顶下沉、侧壁收敛、基底隆起，以及地表沉降，通过这些项目来评估变形程度，进行工程预警预报，为施工沉降控制提供参考。（3）导洞形式优化。采用下导洞管棚注浆，上导洞小导管注浆，以及锁脚锚杆相结合的方法，对导洞进行加固，这样可有效减缓开挖过程中地层的沉降值。从而解决PBA工法在黄土地区的地铁站洞内进行施工过程中，摩檫力以及地基的承载能力不足的难题。（4）模拟模型完善。在进行数值模拟导洞的开挖过程中，考虑现场施工时采用的台阶法，并且加上地下水的影响，考虑流固耦合的施工阶段，建立符合实际情况的三维模型。这样得出的模拟结果，跟实际的地层位移值、地表位移值以及地层应力值会更加接近，得出的结论更具参考价值。
四、结论
（1）黄土地区地铁车站洞桩法洞内施工技术已取得一定进展，尤其体现在施工工艺、施工力学特征、沉降变形等方面。但是在施工工序、预测方法、导洞结构形式及数值模拟等方面仍需不断完善。（2）随着开挖方案优化、自动化监测、导洞形式优化及模拟模型的不断完善，黄土地区地铁车站洞桩法洞内施工技术将会更加成熟，为早日实现在黄土地区安全高效的施工奠定基础。
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【作者简介】孙振国 (1986-)，男，汉族，吉林松原市人, 本科学历,中铁十六局集团有限公司工程师, 主要研究方向：现场施工技术管理。