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1、地下工程PBA工法施工原理、关键技术及工程实例 李青 4 徐可 09040519(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)摘 要：随着城市现代化步伐的加快地面交通压力日趋明显拓展地下空间修建地铁从而缓解地面交通压成为大中型城市的必要选择，本文通过探讨地铁施工中PBA工法施工原理及关键技术, 介绍了PBA工法的根本概念、所属范畴、优缺点、适用范围, 并结合沈阳地铁一、二号线换乘站青年大街站工程实例，阐述PBA的施工方法。关键词：PBA工法；地铁车站；洞桩法; 暗挖法; 扣拱;施工技术；浅埋暗挖第 7 页0 引 言 随着我国城市轨道交通事业的蓬勃开展, 地下铁道建立进入了空前繁荣的时期。地铁
2、车站的施工受到地质条件地面交通地下管线及建(构)筑物工期等多方面条件的影响,暗挖车站由于具有不影响交通无管线改移等优势，在国内外地铁车站建立中得到了越来越广泛的应用。 由于车站构造断面形式复杂断面尺寸较大地表沉降要求严格，因而在实际的暗挖工法选取以及施工过程中出现了非常多的问题。 PBA工法( 也称洞桩法) 是近年来在地铁车站施工中新出现的暗挖工法，该工法综合了暗挖明挖与盖挖法的优势，以构造受力明确，工序转换少，控制地表沉降好等优点，得到了广泛认可与推广。本文结合工程实例，从暗挖工法的选取工法的特点及相关措施等方面对 PBA工法进展了一定的技术探讨，以期为今后的工程提供指导。1 PBA工法的物
3、理意义P桩pile、B梁beam、A拱arc，即由边桩、中桩柱、顶底梁、顶拱共同构成初期受力体系，承受施工过程的荷载；其主要思想是将盖挖及分步暗挖法有机结合起来，发挥各自的优势，在顶盖的保护下可以逐层向下开挖土体，施作二次衬砌，可采用顺作与逆作两种方法施工，最终形成由初期支护二次衬砌组合而成的永久承载体系。2 PBA工法概述 该工法实际上是将盖挖法施工的桩、梁、柱等转入地下进展, 构成一个桩、梁、拱支撑框架体系, 共同承受施工过程中的外部荷载, 它是盖挖法、浅埋暗挖法与传统的框架形式的有机结合。在分类上,PBA工法可与全断面法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD工法、CRD工法、侧洞法、中洞法等
4、施工方法平行, 归入浅埋暗挖法范畴。 PBA工法有顺作法与逆作法之分。PBA顺作法,即利用小导洞施工钻孔围护桩及中柱, 再建立起桩、梁、柱支撑体系, 然后扣拱, 在顶拱的保护下由上而下逐层开挖土方, 按设计部位架设钢支撑至设计标高, 再由下而上修筑内部主体构造。PBA逆作法, 即在建立起桩、梁、柱支撑体系并扣拱后, 在拱、桩、柱支护构造下逐层向下开挖土体, 边开挖边自上而下施作内部构造。3 PBA工法施工原理工法原理： PBA工法即洞桩法。其原理就是将明挖框架构造施工方法与暗挖法进展有机结合，核心思想是在施过程中，首先开挖小导洞并在导洞里面施做钻孔桩，施工两排桩之间的拱顶构造，然后在拱顶与排桩
5、的保护下进展洞室开挖的施工模式。即地面不具备施工基坑围护构造条件时，先施工小导洞，然后在导洞内施工围护边桩、中柱、底梁与顶梁, 梁柱完成后, 再施工拱顶构造, 形成类似传统框架构造的桩、梁、拱支撑体系, 承受施工过程的外部荷载；然后在顶拱与边桩的保护下，逐层向下开挖必要时设预加力横向支撑，施工内部构造 ，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护与内层，二次衬砌组合而成的永久承载体系。4 PBA工法施工步骤 施工总原那么是少分块、快封闭，尽量减少荷载转换次数与地层被扰动的次数。导洞掘进与主拱施工遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测及“先护后挖，及时支撑的原那么。从竖井进入两侧导洞施工，导
6、洞贯穿后施作灌注桩。适时凿除桩头后施作桩顶钢筋混凝土纵梁。以此在导洞内施作主体构造拱边段，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与上部拱墙二次衬砌构造。分层实施下部开挖，分层架设横撑与实施桩间初期支护，然后进展下部主体构造施作。施工步序如图。具体做法如下： 第1步：超前注浆小导管加固地层，先开挖近桥桩侧导洞，导洞台阶法施工，格栅喷混凝土支护。第2步：导洞开挖支护完成后，用特制与改良的钻机由内向外跳孔施工钻孔桩(桩径800 mm、1000mm，间距1.2m、1.
7、5m)，导管法灌注水下混凝土，凿除桩头后，施作桩顶纵梁。第3步：在导洞内施作主拱格栅钢架拱脚(即拱边段)，与导洞格栅钢架预留接头相连。 图1 洞桩法施工步序图第4步：浇筑拱边段后再进展背后回填。第5步：超前注浆小导管加固地层后弧形导坑法开挖导洞间的拱部土体、施作初期支护，必要时设置临时竖撑。第6步：撤除临时竖撑后向下开挖至中板下一定距离，撤除永久构造断面内导洞格栅钢架，撤除长度应根据监控量测严格控制。图2 洞桩法施工步序图第7步：依次施作拱墙部防水层、中板底模、中板浇筑、拱墙浇筑，预留边墙钢筋与防水层。第8步：向下开挖至钢管撑标高低0.5 m，桩间喷射50 mm厚C20混凝土找平，必要时进展桩
8、间注浆加固，架设腰梁及钢管撑。第9步：继续下挖至基底标高，桩间喷混凝土，施作底板垫层。 图3 洞桩法施工步序图第10步：铺设底板防水层及其保护层，浇筑底板及局部边墙，边墙水平施工缝应高出底板面15 m以上。第11步：待底板到达设计强度。70以上，跳拆横撑及腰梁，铺侧墙防水层，浇筑侧墙混凝土与上层边墙相接。第12步：施作站台板等车站内部构造，车站土建施工完成。图4 洞桩法施工步序图5 PBA工法主要施工方法与技术保证措施 5. 1 降水施工PBA工法施工时, 保证无水作业是工程施工中的关键控制点。由于受地面条件及车站布局等影响, 采用基坑外管井降水, 车站穿插节点部位是降水的薄弱环节, 为保证工
9、程顺利施工, 采用了在基坑外适当位置增设深井降水的措施, 另外, 也可根据降水情况在必要时增加洞内轻型井点辅助降水。5. 2 地下管线保护由于存在雨、污水地下管线, 管线年久失修, 管线渗漏具有不确定性, 存在局部坍塌与管线断裂的潜在风险。因此对地下管线采取了地面措施与洞内措施两种针对性的措施保证平安: ( 1) 地面措施。地面上通过地面注浆保护、管线导流与对管线进展防水处理, 降低风险。( 2) 洞内措施。洞内通过针对性的辅助技术措施( 超前预探、超前支护、掌子面及抑拱注浆加固、回填注浆、径向跟踪注浆、洞内监测等) 防止坍塌、控制沉降, 确保管线、周边建筑物及地面交通平安。5. 3 小导洞施
10、工采用PBA工法施工一般小导洞数量较多, 在如此多的小导洞工况下施工, 必然存在较为明显的群洞效应, 在粉细砂层中较容易出现坍塌现象。为了控制地表沉降、严防坍塌, 在导洞施工时,必须严格遵循管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测的浅埋暗挖十八字方针, 根据时空效应理论合理组织导洞开挖顺序及步距, 减小群洞效应, 将地表沉降控制在允许范围以内( 一般为30mm, 应根据车站、区间、周围环境等具体情况的不同而定) 。5. 4 洞内灌注桩施工根据施工现场条件的不同, PBA工法洞内灌注桩一般采用机械成孔灌注桩或人工挖孔灌注桩,当采用人工挖孔桩施工时, 应做好孔内通风、孔口防护等平安防护工作。
11、在导洞内施工灌注桩, 最显著的特征是操作空间狭小, 钢筋笼长度受到限制, 一般采用多节钢筋笼、机械连接的处理方式, 采用机械成孔时, 一般只能采用改装的冲抓钻机或小型循环钻机。为防止塌孔与保证成孔质量, 灌注桩施工应采用跳桩法施工。5. 5 钢管柱施工钢管混凝土柱作为PBA工法车站的核心承载构造之一, 其受力因施工进展中存在的中柱与边桩的不均匀沉降、柱的偶然偏心等原因而经常变化, 且由于导洞净空限制, 钢管柱需分节, 从而节点数较多, 因此对钢管柱连接节点的质量需要严格控制, 主要包括控制好以下三类连接节点的质量: 钢管柱与拱部天梁的连接节点、钢管柱与地梁的连接节点、钢管柱各节间的连接节点。5
12、. 6 扣拱施工扣拱是PBA工法中最为关键的施工环节, 主要分为初期支护扣拱施工与二次衬砌扣拱施工两个过程。由于扣拱跨度一般较大, 扣拱时存在较大的平安风险,为了保证扣拱质量, 降低平安风险, 扣拱时必须做好以下几项工作。( 1) 初期支护扣拱时开挖断面大, 在开挖过程中要依靠预支护技术来维持拱顶周围土体的暂时稳定, 要在开挖完毕后才能施作拱顶初期支护, 因此预支护技术此时显得尤为重要, 需采用大管棚、小导管、锁脚锚管、回填注浆等一系列有效措施控制拱部开挖阶段的地层沉降。( 2) 根据地层情况、开挖跨度等的不同, 需采取不同的土方开挖方法, 选用适宜的注浆材料。( 3) 扣拱开挖完成后, 要及
13、时、快速施做扣拱衬砌,使构造尽早封闭成环。( 4) PBA工法扣拱施工时, 由于拱跨度不同、顶拱周边土体开挖、工序转换时差等因素的影响必然在顶拱形成前后存在不同程度的水平推力不平衡现象, 因此在顶拱形成前后均要考虑此水平推力不平衡问题。小导洞破除混凝土前, 在小导洞与顶纵梁之间加设临时支撑, 顶纵梁设钢拉杆, 可以有效平衡该水平推力。5. 7 构造防水构造防水遵循以防为主、刚柔相济、多道防线、因地制宜、综合治理的原那么, 地铁暗挖构造施工一般采用以钢筋混凝土构造自防水为主, 并辅以柔性防水层的防水体系, 多道防线并重, 施工缝、变形缝等接缝应作为防水处理的重点。因为PBA工法施工时, 顶纵梁上
14、拱部交接位置恰好处于拱顶U形槽的最低处, 是防水的薄弱环节, 该处极易形成渗水通道,影响防水效果。为了到达地铁新标准规定地铁的主体构造工程, 设计使用年限为100年的要求, 除了严格做好施工缝、变形缝等薄弱位置的防水工作外, 还要做好混凝土构造自防水工作。因为柔性防水层使用年限较短, 在施工中采取措施尽量减少混凝土温度裂缝、塑性收缩裂缝及干缩裂缝, 充分发挥混凝土的自防水作用,是保证主体构造耐久性、满足地铁正常使用极限状态的必然要求。5. 8 监控量测与动态设计地下构造周围土层软弱, 复杂多变, 现场实际的应力与变形情况各不一样, 而土压力多采用经典的理论公式, 与现场情况难免存有一定差异,
15、因此地下工程设计具有一种预设计的性质, 实际上需要在施工过程中根据工程实际情况不断地优化、完善。而监控量测能够提供现场实际的应力与应变情况, 给工程设计人员提供参考数据, 有助于到达工程动态设计的要求。同时, 地下工程的支护构造与周围土体发生破坏之前通常有大的位移、变形、受力异常等, 监测数据与成果可以为工程管理与技术人员判断施工过程中的平安性提供依据, 必要时采取针对性措施, 从而到达信息化施工的目的。因此,做好工程的监控量测工作至关重要, 既可以为优化、完善设计提供依据, 也可以为工程施工质量与平安提供动态信息指导。监测时要根据工程地质、水文地质、周边环境、支护构造的形式、施工方法等确定现
16、场需监测的内容。PBA工法暗挖施工监控量测的主要内容有: ( 1) 地下水位监测; ( 2) 地质及支护观察; ( 3) 地表沉降监测; ( 4) 周边建筑物沉降及倾斜; ( 5) 地下管线监测; ( 6) 拱顶下沉及净空收敛监测; ( 7) 钢管柱下沉监测; ( 8) 土体水平位移与桩体位移监测; ( 9) 钢管柱受力监测; ( 10) 构造应力监测; ( 11) 围岩压力监测;( 12) 钢支撑轴力监测; ( 13) 基底回弹监测。假设周边建筑多, 地下管线密集, 采用PBA工法施工时开挖跨度大、工序多, 应力转换频繁, 因此对构造自身的平安监测、施工时对周边建筑物与地下管线影响的监测是监
17、测工作的重点。6 PBA工法工程实例及施工过程关键控制点1、工程概况设计简介 沈阳地铁一号线沈阳站站位于沈阳火车站站前广场下胜利北街与中华路交口处，车站沿中华路布置，根本呈东西走向，全长米，覆土深度6米，本站为明、暗挖结合双层岛式车站，站台宽度为12.0米。车站暗挖段里程起讫里程为DK12+007.85DK12+150.85，构造长 ，采用双柱三跨地下两层拱顶直墙框架构造，构造暗挖标准段总宽度，车站东端设置盾构接收井，该部位的构造总宽度为车站明挖构造长，采用地下四层框架构造暗挖段采用PBA工法逆作施工。水文地质条件 水文条件为富水砂层，渗透系数70140m/d。水位埋深，站体施工范围内存在潜水
18、、承压水，二者水位埋深根本一样，构造大局部位于潜水层、承压水层，二层水对站体地下施工均造成影响。车站通过主要地层从上至下为：杂填土、粉质粘土层中粗砂层、砾砂层、圆砾层，基底位于花岗岩砂砾岩组成的圆砾层。周边环境状况站位所处的中华路与胜利大街为主要交通干道，附近有25条公交线路，车流量大，交通繁忙需要保护的古建筑：南侧为4层沈铁大旅社，北侧为3层沈阳饭店，距主体构造约5米，均为砖混构造，西侧为沈阳火车站，东南侧为沃尔玛购物广场，东北侧为置力大厦暗挖站位上方管线密集，且大多为年久失修的雨污水管、自来水管、燃气管、电力电信等，暗挖段拱顶上方横向为1米混凝土污水暗渠，拱顶上方3m纵向为直径600毫米混
19、凝土污水管，施工受周边环境影响较大。2、工程重难点分析构造所处位置地下水位高，工程地质条件差 局部位于粉细砂层中，自稳性较差，暗挖施工风险大。 车站所处位置车流量大，交通繁忙，地下管线密集，纵横交织，地下情况复杂，需采取措施控制沉降。断面跨度大，工序转换多，受力体系复杂初期支护与二次衬砌构造存在屡次转换，二次衬砌断面存在多种形式，而且三连拱隧道分别与双洞隧道与明挖构造相连，应力变化复杂，施工困难。施工环境狭小，工序繁杂，临时竖井进出材料困难，出土压力大，钢管柱钢支撑钢围檩钢筋笼运输安装难度大。小导洞初支导洞扣拱施工中格栅钢架的链接，边纵梁 顶纵梁拱脚处的链接是扣拱施工的关键。3、施工方法及技术
20、要点本站采用PBA工法施工逆作。PBA工法是在地面上不具备基坑围护构造条件时，在地下采取小分块 强支护减少开挖跨度施作导洞，在导洞内施作围护边桩中柱底纵梁顶纵梁顶拱共同形成支撑框架体系，承受施工过程外部荷载 然后在顶拱与边桩的保护下，逐层向下开挖土体，施工内部构造最终形成由外层边桩及顶拱初期支护与内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。深井降水，施工竖井及横通道 通过横通道按先两边后中间顺序台阶法施工车站主体上面4个导洞，中导洞架设水平临时支撑，导洞拱墙采用小导管超前注浆加固，导洞开挖注意群洞效应，掌子面间距应大于15米。在边洞内施作构造围护边桩，并及时封闭导洞底板注意：底板钻孔桩的施工必须间隔施
21、工，防止导洞底板构造遭到连续破坏而失稳。边桩完成后，施作下导洞，同时施工边跨导洞内的桩顶纵梁及背后回填。顶纵梁施工时注意预留钢筋接驳器。钢筋施工中在下导洞顶部预留开孔加强构造。施工中在下导洞顶部预留注浆管。铺设底纵梁防水层，施作底纵梁；安装钢管柱；施作柱顶纵梁上防水层顶纵梁及回填。各工序采用流水作业，相隔两跨钢管柱安装完成后，将孔内钢管四 周填实，顶纵梁浇筑时，在顶部防水板内预留注浆管，顶纵梁浇筑后压水泥浆。注浆压力控制在内。顶纵梁施工时注意预留初支扣拱钢筋搭接长度。底纵梁施工时预留钢筋接驳器并保护好。在中柱的支撑保护下，开挖中跨土体，封闭中跨初期支护，并施加中跨临时支撑，注意监测梁体移位。铺
22、设中跨拱顶防水层，施作中跨拱部构造二次衬砌。施工边拱扣拱，在不破坏边跨导洞边墙的前提下，拱部采用小导管超前注浆加固，对称开挖边跨土体，封闭构造主体拱部初期支护分段撤除中跨边跨内的导洞边墙，铺设拱部防水层 ，分段浇筑边跨拱部二次衬砌，对二衬拱部注水泥浆。开挖土体至中纵梁下，在土体上铺设方木与竹胶板施工中纵梁与中板，形成刚性支撑 施工中板时注意预留轨迎风道钢筋搭接长度。施工中板上侧墙。侧墙到达强度后开挖中板下土方，挖至钢支撑下50公分，安装钢支撑，然后挖至基底。施作综合接地网，施作底板垫层、防水层，浇筑底板及局部边墙封闭构造主体。施工站台板支撑墙站台板与轨迎风道，完成主体土建施工。9 结 语 PB
23、A工法由导洞开挖开场, 自上而下形成构造, 构造构件受力明确,是一种高效、经济的暗挖施工方法。PBA工法思路新颖, 将几种常规的施工方法进展了有机的结合与创新, 构造施工简便, 受力合理, 废弃量少, 技术经济效益显著。尤其适用于多跨构造的暗挖施工。相信这种工法将在地下空间开发利用中得到更多的应用与开展。参考文献：1施仲衡.地下铁道设计与施工M西安: 陕西科学技术出版社，19972夏耀明，曾进伦.地下工程设计施工手册M北京: 中国建筑工业出版社，19993彭泽瑞，郭建国北京地铁复八线土建工程施工技术M北京: 中国科学技术出版社，20034朱泽民，地铁暗挖车站洞桩法( PBA) 施工技术J.隧道
24、建立 20065：92945刘肇光.宗封仪等测量学M北京:中国建筑工业出版社,19956王海彦，宓荣三，周法军 工法在北京地铁10号线 中的应用J路基工程, 2021 ，47曹保利,PBA暗挖逆作工法在城市地铁车站工程中的应用 J科技致富向导，2021 ，98王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论 M . 安徽教育出版社, 2004.9关宝树. 隧道工程施工要点集 M . 人民交通出版社,2003.10刘建航, 侯学渊. 基坑工程手册M. 中国建筑工业出版社, 1997.11DBJ01-87-2005北京市市政根底设施工程暗挖施工平安技术规程S. 2005.12GB50299-1999地下铁道工程施工及验收标准 S. 北京: 中国方案出版社, 2004.