北京地鐵大跨區(qū)間隧道“PBA”法施工關(guān)鍵技術(shù)

王海彥，姜學(xué)軍，高少?gòu)?qiáng)

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050041;3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300022)

北京地鐵大跨區(qū)間隧道“PBA”法施工關(guān)鍵技術(shù)

王海彥1，2，姜學(xué)軍3，高少?gòu)?qiáng)2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050041;3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300022)

以北京地鐵10號(hào)線蘇州街站至黃莊站區(qū)間單孔三線大跨隧道為例，介紹“PBA”法原理和施工關(guān)鍵技術(shù)，分析總結(jié)了“PBA”法取得的主要技術(shù)成果。“PBA”法在當(dāng)前地鐵區(qū)間大跨隧道施工中有一定的應(yīng)用前景，可為今后類(lèi)似工程施工提供借鑒和參考。

北京地鐵 大跨區(qū)間隧道 “PBA”法 施工技術(shù)

1 情況簡(jiǎn)介

北京地鐵10號(hào)線蘇黃區(qū)間淺埋大跨隧道起訖里程K2+240.3～K2+296.3，全長(zhǎng)56 m，最大開(kāi)挖寬度17.5 m，高度10.5 m，為北京地鐵所遇單跨最大斷面，覆土厚度為6 m。

該段隧道位于海淀醫(yī)院進(jìn)出入口通道及海淀南路下方，地面交通十分繁忙，地下管線較多，對(duì)施工有較大影響的管線主要是與線路走向大致平行的φ800 mm上水、φ500mm 天然氣、φ300mm 上水管、φ1 400 mm上 水 管、φ1 000 mm 雨 水 管，其 中φ1 400 mm上水管和φ1 000 mm雨水管距結(jié)構(gòu)較近，φ800 mm上水管年代比較久，為50年代修建的混凝土預(yù)應(yīng)力承插管，管節(jié)長(zhǎng)度約為5 m，壁厚約為60 mm，對(duì)沉降要求極高。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)大跨隧道的施工技術(shù)水平，適合選用淺埋暗挖法的工法有:雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和在大跨地鐵車(chē)站采用過(guò)的“PBA”法。結(jié)合該段隧道的工程特點(diǎn)，從項(xiàng)目的可實(shí)施性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、工效、工期幾個(gè)方面考慮，確定采用“PBA”法施工。

2 “PBA”法原理

“PBA”工法原理是將傳統(tǒng)的明(蓋)挖施工方法和暗挖法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在地面上不具備施工挖孔樁結(jié)構(gòu)時(shí)，將明(蓋)挖法施工的挖孔樁、梁等轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行，因此也稱做地下式蓋挖法。即在地下提前暗挖好的施工導(dǎo)洞內(nèi)施作挖孔樁、冠梁，然后施作主體頂拱，使邊樁(pile)、冠梁(beam)及頂拱(arc)共同構(gòu)成樁、梁、拱支撐框架體系(PBA)，承受施工過(guò)程中的外部荷載，然后在頂拱和邊樁的保護(hù)下，逐層向下開(kāi)挖土體，自下而上施工主體結(jié)構(gòu)，最終形成由外層邊樁及頂拱初期支護(hù)和二次襯砌組合而成的永久承載體系。

3 “PBA”法關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 地層空洞探測(cè)技術(shù)

蘇黃區(qū)間大跨段隧道地層主要位于人工雜填土及粉土、粉質(zhì)黏土中，地質(zhì)復(fù)雜、地層自穩(wěn)能力差。據(jù)查此處原為一個(gè)大漁塘，道路施工時(shí)未能處理徹底，形成了較大的地下水囊。加之結(jié)構(gòu)覆土較淺，地下土層受地鐵隧道施工擾動(dòng)影響，各種缺陷會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，從而導(dǎo)致管線破裂、地面沉陷、隧道坍塌等不利后果。

針對(duì)該地段路面交通繁忙，地層覆土較淺，地下管線密集的現(xiàn)狀，不適宜進(jìn)行鉆孔探測(cè)地層空洞，通過(guò)比較分析，決定采用探地雷達(dá)檢測(cè)(GPR)技術(shù)進(jìn)行大跨段隧道結(jié)構(gòu)上方地層空洞的檢測(cè)。

探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)主要根據(jù)探測(cè)介質(zhì)的電性差異進(jìn)行地下異?，F(xiàn)象的探測(cè)。一般情況下，地下空洞或地下松散區(qū)與周邊完好地層有明顯的電性差異，從而形成了電磁波反射界面。當(dāng)探地雷達(dá)的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，并被地面接收天線接收，同時(shí)探地雷達(dá)采集記錄下反射波信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)室內(nèi)數(shù)據(jù)處理和分析，并結(jié)合測(cè)試場(chǎng)地地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，從而確定地下非密實(shí)區(qū)、空洞等地質(zhì)異常體的存在性及其可能分布特征。

3.2 地下水處理技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料表明，蘇黃區(qū)間大跨段在開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要受臺(tái)地潛水、層間潛水的影響。臺(tái)地潛水主要分布在結(jié)構(gòu)頂板上方0.8～3.60 m的范圍內(nèi)，并且頂板上方覆蓋較厚的粉質(zhì)黏土層，富水的粉質(zhì)黏土經(jīng)施工擾動(dòng)后極易液化，成流泥狀，隧道開(kāi)挖過(guò)程中易出現(xiàn)坍塌、掉塊現(xiàn)象，加之隧道開(kāi)挖擾動(dòng)及地下水流失容易加劇地表沉降，增大了施工風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)“PBA”工法特點(diǎn)，并結(jié)合水文、地質(zhì)情況，施工中采用了地面井點(diǎn)+洞內(nèi)水平井降水的處理措施，保證施工過(guò)程的安全。

3.2.1 地面降水井

降水井順線路方向，沿隧道兩側(cè)布置，間距6～8 m，共布降水井20眼，采用 φ400/50 mm無(wú)砂水泥管，井管纏尼龍紗網(wǎng)，管外填φ20～φ40 mm濾料至地面以下1.5 m處。施工采用反循環(huán)和沖擊鉆鉆機(jī)成孔，孔徑600 mm，采用高揚(yáng)程潛水泵進(jìn)行抽、排水。

3.2.2 洞內(nèi)水平井

從前期豎井橫通道開(kāi)挖情況來(lái)看，拱部及掌子面滲水量較大。特別是隧道拱部位于黏土層中，地面深井降水不能形成降水漏斗，開(kāi)挖過(guò)程中容易形成流泥，引起大量周邊土層流失，容易造成地表超量下沉。施工單位經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析研究之后，決定在大跨段隧道施工之前，利用豎井橫通道空間，向大跨隧道方向增設(shè)水平井，對(duì)局部滯水提前引流，開(kāi)挖時(shí)起到超前降水的效果。

水平井共設(shè)置6個(gè)，長(zhǎng)度30～40 m。施工采用HXY-500M地質(zhì)鉆機(jī)成孔，孔徑為108 mm，然后在孔內(nèi)安放φ50 mm鋼花管，鋼花管外部并纏裹兩層自濾網(wǎng)。水平井施工技術(shù)要點(diǎn):

1)施工前鉆機(jī)要固定牢固，調(diào)平;鉆進(jìn)過(guò)程要保持緩慢勻速，保證成孔水平度。

2)提前將濾水管準(zhǔn)備好，成孔后迅速下管，防止因延誤時(shí)間而塌孔。

3)下管前檢查保證濾水管完好，外部濾網(wǎng)纏裹牢固，下完管后要對(duì)孔口進(jìn)行封堵，封堵深度不小于50 mm。

3.3 長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)

蘇黃區(qū)間三線大跨段拱部超前大管棚設(shè)計(jì)采用φ159 mm，厚t=10 mm，長(zhǎng) l=56 m的無(wú)縫鋼管，間距為0.4 m，管棚施工完畢后進(jìn)行注漿，注漿材料采用水泥漿。

由于56 m長(zhǎng)管棚一次性打設(shè)不利于管棚施工精度控制，加之結(jié)構(gòu)上方管線繁多，也難以保證結(jié)構(gòu)上方管線安全。綜合各方因素，決定采用將56 m長(zhǎng)管棚分段打設(shè)的方案，管棚之間縱向搭接長(zhǎng)度為3 m。首先利用豎井橫通道做為第一段管棚操作空間，管棚打設(shè)長(zhǎng)度為25 m;然后在兩側(cè)小導(dǎo)洞開(kāi)挖至K2+279.3處時(shí)，把左線小導(dǎo)洞和右線小導(dǎo)洞連通，設(shè)置成管棚操作室，第二段和第三段管棚利用操作室空間分別向小里程和大里程方向施作各20 m長(zhǎng)的大管棚。

3.4 初支扣拱施工技術(shù)

“PBA”工法扣拱分小導(dǎo)洞內(nèi)邊跨扣拱施工和主體拱頂大弧扣拱施工兩個(gè)階段進(jìn)行。首先在兩側(cè)小導(dǎo)洞進(jìn)行邊跨扣拱，然后進(jìn)行小導(dǎo)洞背后回填工作，最后再進(jìn)行主體扣拱施工。

3.4.1 扣拱施工順序

扣拱施工順序:第一步:施工小導(dǎo)洞內(nèi)冠梁并預(yù)埋連接鋼筋;第二步:小導(dǎo)洞內(nèi)扣拱安裝與施工;第三步:回填導(dǎo)洞內(nèi)扣拱背部混凝土;第四步:開(kāi)挖左側(cè)拱部(1#導(dǎo)洞)，架設(shè)拱部格柵和臨時(shí)支撐;第五步:開(kāi)挖右側(cè)拱部(2#導(dǎo)洞)，架設(shè)拱部格柵;第六步:開(kāi)挖左側(cè)下導(dǎo)洞(3#導(dǎo)洞)，施作下部臨時(shí)支撐;第七步:開(kāi)挖右側(cè)下導(dǎo)洞(4#導(dǎo)洞)，導(dǎo)洞封閉成環(huán)。如圖1所示。

圖1 扣拱施工順序圖

3.4.2 細(xì)部節(jié)點(diǎn)施工

“PBA”工法扣拱施工時(shí)，格柵鋼架連接的細(xì)部結(jié)構(gòu)處理的好壞，直接影響格柵安裝的精度，以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，是施工過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題。格柵鋼架細(xì)部節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 細(xì)部節(jié)點(diǎn)示意圖

1)邊跨拱腳處(A節(jié)點(diǎn))

拱腳部分格柵同冠梁連接處，直接將格柵鋼架主筋延伸插入冠梁混凝土內(nèi)，保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)同冠梁連接的整體性，錨固長(zhǎng)度≥35 d。

2)邊跨與主拱格柵鋼架連接處(B節(jié)點(diǎn))

施工過(guò)程中，改變了以往在大跨車(chē)站采用“PBA”工法施工小導(dǎo)洞內(nèi)邊跨扣拱時(shí)，首先在冠梁施工時(shí)預(yù)埋拱腳格柵，然后在主體開(kāi)挖時(shí)，將主拱格柵與小導(dǎo)洞相接部位鑿開(kāi)，最后采用連接鋼筋將Ⅱ部主拱格柵與Ⅰ部預(yù)埋拱腳格柵采用搭接焊連接的傳統(tǒng)做法。采用了在小導(dǎo)洞初支施工時(shí)預(yù)埋連接筋的方法:即施工小導(dǎo)洞時(shí)先預(yù)埋連接鋼筋，然后架設(shè)Ⅰ部小導(dǎo)洞格柵拱架，并將小導(dǎo)洞格柵與預(yù)埋鋼筋采用搭接焊連接，在主體開(kāi)挖時(shí)，將主拱格柵Ⅱ部與連接鋼筋搭接焊連接，使之與小導(dǎo)洞格柵連接成整體。創(chuàng)新、改進(jìn)施工方法后，減少了連接部位的鑿除工藝，縮短了初支封閉時(shí)間，提高了扣拱施工的安全度。并且可以根據(jù)預(yù)埋鋼筋的位置對(duì)主拱格柵架設(shè)的步距進(jìn)行微調(diào)，有效地控制了連接精度。

3)主拱拱頂連接處(C節(jié)點(diǎn))

結(jié)構(gòu)拱頂部分地質(zhì)差，開(kāi)挖極易塌方，對(duì)施工安全、質(zhì)量造成影響，安裝主體扣拱時(shí)，將格柵鋼架接頭距隧道斷面中線由原來(lái)的40 cm改為20 cm。調(diào)整之后，減少了開(kāi)挖量，提高了施工安全度。格柵角鋼同鋼板采用M24螺栓連接，鋼板同工字鋼采用搭接焊，焊縫長(zhǎng)度不小于8 mm。

3.5 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

在地下工程淺埋暗挖法施工中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)獲取地層變動(dòng)與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信息，用以修正支護(hù)參數(shù)與施工措施，以期達(dá)到施工安全與經(jīng)濟(jì)合理的目的。蘇黃區(qū)間大跨段地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)上方地下管線繁多、施工方法難以模擬，因此必須通過(guò)信息化施工，及時(shí)反饋施工并修正完善設(shè)計(jì)，確保地下工程施工和周邊環(huán)境的安全。

3.5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

地表沉降監(jiān)測(cè)中每橫斷面布設(shè)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，量測(cè)斷面間距為5 m;拱頂下沉監(jiān)測(cè)中每斷面布設(shè)測(cè)點(diǎn)4個(gè)，即主體拱頂布設(shè)2個(gè)，小導(dǎo)洞各布設(shè)1個(gè)，量測(cè)斷面間距5 m;凈空收斂點(diǎn)在大跨、拱腰部位分別布設(shè)一組，量測(cè)斷面間距5 m。具體如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

地下管線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在管線的接頭處，或?qū)ξ灰谱兓舾械牟课?，沿線路方向布置6個(gè)點(diǎn)，每10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

地下管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方法:通過(guò)豎直探孔將測(cè)點(diǎn)鋼筋(通常用φ20 mm的圓鋼)埋設(shè)在管線上方，并引出地面，測(cè)點(diǎn)鋼筋外套φ100 mm的鋼管，測(cè)點(diǎn)和鋼管之間用細(xì)沙填充。如圖4所示。

圖4 地下管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方法

3.5.2 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值的確定

1)地表沉降控制基準(zhǔn)值

地表沉降值是施工對(duì)結(jié)構(gòu)上方地層、管線、及結(jié)構(gòu)物等造成影響的最直接體現(xiàn)，是區(qū)間隧道施工過(guò)程中的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。充分考慮施工中的各種影響因素，采用有限元分析法，通過(guò)科學(xué)的理論計(jì)算，輔以參照許多其他工程施工中的沉降控制結(jié)果，制訂出本大跨段區(qū)間隧道在PBA工法施工各工序時(shí)需要控制地表沉降的管理基準(zhǔn)值，詳見(jiàn)表1。

表1 “PBA法”施工地表沉降控制基準(zhǔn)值 mm

2)其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制基準(zhǔn)值

拱頂下沉和水平收斂監(jiān)控基準(zhǔn)值也是施工影響因素的具體體現(xiàn)，控制基準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn)值 mm

3.5.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理、分析

建立數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，每周繪制變形與時(shí)間關(guān)系曲線，變形與時(shí)間關(guān)系曲線按下列函數(shù)形式進(jìn)行回歸、圖形處理:

式中:u為累計(jì)變形值;t為量測(cè)時(shí)間;a、b為回歸常數(shù)。

根據(jù)回歸曲線的擬合好壞程度，判斷地層被擾動(dòng)狀態(tài)和洞室穩(wěn)定性。詳見(jiàn)圖5所示。

圖5 回歸曲線分析圖示

如果出現(xiàn)反常曲線，表明地層和支護(hù)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視和保護(hù)措施，必要時(shí)停止開(kāi)挖并進(jìn)行施工處理。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地表沉降量普遍在30～50 mm，這與數(shù)值模擬分析結(jié)果相吻合。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中，做到了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)分析研究，隨時(shí)調(diào)整施工方案和施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)控制。

4 成果分析

“PBA”法施工技術(shù)首次應(yīng)用于淺埋暗挖地鐵區(qū)間大跨隧道施工中，取得了如下主要技術(shù)成果:

1)采用“PBA”法進(jìn)行淺埋暗挖大跨隧道施工，突破了以往“PBA”法僅局限用于多跨多層地下車(chē)站及停車(chē)場(chǎng)淺埋暗挖工程項(xiàng)目中，解決了該法應(yīng)用于淺埋暗挖大跨隧道中的技術(shù)難題。

2)采用探地雷達(dá)檢測(cè)(GPR)技術(shù)進(jìn)行大跨段隧道結(jié)構(gòu)上方地層空洞的檢測(cè)，解決了在地層條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜，受施工干擾大的情況下，進(jìn)行地層空洞檢測(cè)的難題。

3)采用地面井點(diǎn)+洞內(nèi)水平井降水的處理措施，有效地解決了“PBA”法在富水區(qū)域進(jìn)行大跨隧道淺埋暗挖施工時(shí)地下水處理的難題。

4)采用鉆孔靜壓頂入，并在主體結(jié)構(gòu)中部增設(shè)管棚操作室辦法，解決了施工操作空間受限，上部管線密集，對(duì)管棚施工精度、沉降要求極高的情況下，進(jìn)行長(zhǎng)大管棚施作的技術(shù)性難題。

5)創(chuàng)新、改進(jìn)格柵鋼架連接施工方法后，解決了大跨隧道“PBA”工法扣拱施工安全性差，兩次扣拱連接精度不高的技術(shù)性難題。

6)選用合理的臨時(shí)支護(hù)拆除、換撐方法及二襯混凝土支撐體系，確保了大跨隧道二次襯砌施工臨時(shí)支護(hù)拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全，保證了超大斷面混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

7)通過(guò)有限元法分析，確定合理、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值，并制定有效的監(jiān)測(cè)手段，建立完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，采取了科學(xué)的信息反饋手段，解決了“PBA”法信息化施工的技術(shù)性難題。

8)主體初支大弧扣拱完成后，增大了下方土體開(kāi)挖的安全性，提高了工效，共縮短工期兩個(gè)月，保障了北京地鐵10號(hào)線總體控制性工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

9)采用“PBA”施工技術(shù)后，節(jié)省投資300多萬(wàn)元，比原計(jì)劃工程造價(jià)節(jié)約20%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

施工實(shí)踐證明采用“PBA”法進(jìn)行淺埋暗挖超大斷面隧道施工是可靠的、成功的，可以為今后淺埋暗挖大跨軟巖隧道施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1]黃廣鍇.“PBA”工法在北京地鐵10號(hào)線區(qū)間超大斷面隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(12):31-33.

[2]朱澤民.地鐵暗挖車(chē)站洞樁法(PBA)施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2006(5):35-37.

[3]雷永生.超淺埋大跨隧道 PBA工法[J].甘肅科技，2007(6):28-30.

[4]王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社，2004.

U455.45

B

1003-1995(2010)04-0059-04

2009-11-15;

2010-02-20

王海彥(1975— )，男，河北張北人，講師，博士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)