中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院哈尔滨
摘要：本文以哈尔滨地铁某站暗挖段为研究对象，利用有限元数值分析指导设计方案，通过分析监测数据，验证PBA工法在哈尔滨岗阜状平原地区应用的可行性，并对今后类似工程设计和施工有一定的指导意义。
关键词：车站PBA工法沉降引桥有限元
一、引言
地铁车站往往沿城市主干道方向布设，考虑客流吸引等方面的因素，地铁车站不可避免地将横跨路口、下穿或者侧穿市政建（构）筑物等。为了避免地铁车站施工影响城市主干道交通，保证车辆在地铁车站施工期间行驶安全，迫切需要研究车站采用矿山法施工时对地面沉降的影响和控制问题。
二、工程概况
哈尔滨市地铁2号线工程某站，车站总长253.8m，宽19.9m，沿哈尔滨市主干道布设，横跨路口，且下穿某市政桥梁引桥。为保证路面交通正常行驶，且不拆除引桥，车站跨路口（含市政桥梁引桥）段采用矿山法施工，长度约62m，埋深20.3m，引桥桥下两侧辅路处，拱顶覆土约5.5m，引桥高约为2m。车站位于岗阜状平原地貌单元，穿越地层主要为杂填土、粉质粘土和细中砂。稳定水位埋深19.2m，进入车站主体结构范围内，基本位于结构底板上顶面。
三、设计方案的选定
3.1矿山法车站工法的比选
结合车站功能要求，车站采用地下二层双跨结构，矿山法车站主要的施工工法为：“PBA”法、中洞法、侧洞法等几种工法，各类工法优缺点对比如下：
从各类工法优缺点对比可以看出，PBA工法在地面沉降控制及施工风险控制要优于其他几种工法；考虑到车站主要位于粉质粘土层范围内，土层自稳性较好，又结合全国及哈尔滨地区矿山法车站施工经验，本站的设计方案拟采取PBA工法来进行设计，初期支护拟采用的主要设计措施为：1）大管棚+小导管超前注浆支护；2）铺设双层钢筋网；3）架设格栅钢架，每0.5m一榀；4）喷射C25混凝土；5）初支及时封闭成环，背后注浆及时跟进。
图1车站结构导洞断面示意图
3.2PBA工法施工阶段有限元数值分析
为保证设计方案的可行性及工程安全性，设计过程中采用MIDAS-GTS有限元计算软件，建立有限元模型，模拟PBA工法施工阶段对周围土层的影响，达到指导设计的目的。数值模拟分析采用的基本参数见表2：
模拟施工步骤：
1）超前加固地层，开挖导洞，上导洞开挖中先开挖边导洞再开挖中导洞，施作初期支护，待上导洞开挖完成后再开挖下导洞，施作初期支护；2）施作边桩和冠梁，顶纵梁、底板、底纵梁及部分二衬结构，回填部分导洞，边导洞施作部分大拱初期支护；3）开挖大拱，施作初期支护；4）施作顶板，开挖车站上部土体，施作中板等二衬结构；5）开挖车站下部土体；6）施工底板、侧墙等二衬结构。
图2有限元计算模型
各施工阶段模拟计算结果：
各主要施工阶段模拟计算结果分析见表：
通过数值模拟分析可知，上导洞开挖及支护完成后，路面及桥面沉降累计最大值分别为7mm、9mm；路面及桥面沉降累计最大值分别为26mm、29mm。根据计算结果，采用PBA工法施工，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》的规定。因此本站跨路口段采用PBA工法的设计方案。
3.3设计方案的调整及原因
由于近几年，哈尔滨市政府采取了限制地下水开采，增加地表水的供给措施，使地下水位下降的趋势得到控制，城区内地下水位有回升的趋势。施工图设计阶段，临近本站的其他车站先行施工，施工时发现地下水位较地勘报告所提供的水位有了较大上涨。由于暗挖段位于哈尔滨市主干道下方，采取地面降水势必会影响交通；若通过小导洞内设置降水井，由于导洞施工空间小，施工难度大，可操作性不强。
为保证PBA工法施工时在无水条件下进行，拟将原方案下导洞取消，保留原方案上部三个导洞，待施工至中板位置时，再设置降水井降水，保证坑底无水施工。另，为了进一步加强地面沉降控制，拟将大拱位置分两个洞室开挖，进而减小对地层影响，达到控制地面沉降的目的。调整后方案（下文简称3导洞方案）导洞断面示意图如下：
图63导洞方案导洞示意图
同样利用MIDAS-GTS有限元计算软件，建立有限元模型，模拟PBA工法施工阶段进而指导设计。
模拟施工步骤：
1）超前加固地层，开挖导洞，先开挖边导洞再开挖中导洞，施作初期支护；2）施作边桩及柱下桩基，施作顶纵梁及部分二衬结构，回填部分导洞，边导洞施作部分大拱初期支护；3）施作大拱各小洞室初期支护，各小洞室开挖中相互错开；4）施作顶板，开挖车站上部土体，施作中板等二衬结构；5）开挖车站下部土体；6）施工底板、侧墙等二衬结构。
图73导洞方案有限元计算模型
各施工阶段模拟计算结果：
各主要施工阶段模拟计算结果分析见表：
通过数值模拟分析可知，上导洞开挖及支护完成后，路面及桥面沉降累计最大值分别为7mm、9mm；路面及桥面沉降累计最大值分别为20mm、23mm。根据计算结果，采用PBA工法（3导洞方案）施工，满足《城市
轨道交通工程监测技术规范》的规定。另对表3与表4结果进行分析对比，可以看出，3导洞方案累计地面沉降量最大值为23mm，而原方案累计地面沉降量最大值为29mm，从而可以得出，采用3导洞方案地面沉降得到了有效的控制。因此本站最终采取了3导洞方案进行设计。
四、应急措施及现场监测数据反馈
4.1应急措施
鉴于PBA工法施工特点，又考虑现场施工因素等，采取的应急措施主要为：
（1）加强对地面和临近建筑物沉降动态的观察。引桥挡墙位移过大时，对引桥挡土墙采取架设钢筋混凝土挡墙措施，并对桥面及两侧辅路铺设临时钢板。
（2）若边桩水平位移过大，采取架设临时横撑的措施来控制桩位移。
（3）安排专门的急救、监测负责人及施工应急储备队伍，提前准备好沙袋，注浆管、浆液等物资，应对突发事故。
（4）加强对周边环境的日常巡视，检查等，及时反馈监测数据。
4.2现场监测数据反馈
小导洞施工过程中现场监测数据见下表：
由表5可知，辅路及路面监测点最大沉降量为10.08mm，9.87mm，与表4理论计算值略有出入，分析背后可能存在的原因，如施工中掘进速度过快，超前支护及背后注浆不及时等都可造成地面沉降加大。另个别月份沉降点存在隆起现象，分析其最大原因为哈尔滨冬季冻胀力所致。
五、结语
文中所提措施保证了小导洞施工过程的工程安全和地面行车的安全，现该站小导洞均已贯通，施工中地面沉降监测数据与理论计算值基本吻合，对有限元计算进行了验证，为该站后续施工提供了重要的参考依据。
参考文献：
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.
[2]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2006
[3]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003