北京地铁大跨区间隧道“PBA”法施工关键技术

王海彦，姜学军，高少强

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041;3.中铁十八局集团有限公司，天津 300022)

北京地铁大跨区间隧道“PBA”法施工关键技术

王海彦1，2，姜学军3，高少强2

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041;3.中铁十八局集团有限公司，天津 300022)

以北京地铁10号线苏州街站至黄庄站区间单孔三线大跨隧道为例，介绍“PBA”法原理和施工关键技术，分析总结了“PBA”法取得的主要技术成果。“PBA”法在当前地铁区间大跨隧道施工中有一定的应用前景，可为今后类似工程施工提供借鉴和参考。

北京地铁 大跨区间隧道 “PBA”法 施工技术

1 情况简介

北京地铁10号线苏黄区间浅埋大跨隧道起讫里程K2+240.3～K2+296.3，全长56 m，最大开挖宽度17.5 m，高度10.5 m，为北京地铁所遇单跨最大断面，覆土厚度为6 m。

该段隧道位于海淀医院进出入口通道及海淀南路下方，地面交通十分繁忙，地下管线较多，对施工有较大影响的管线主要是与线路走向大致平行的φ800 mm上水、φ500mm 天然气、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雨水管距结构较近，φ800 mm上水管年代比较久，为50年代修建的混凝土预应力承插管，管节长度约为5 m，壁厚约为60 mm，对沉降要求极高。

根据目前国内大跨隧道的施工技术水平，适合选用浅埋暗挖法的工法有:双侧壁导坑法和在大跨地铁车站采用过的“PBA”法。结合该段隧道的工程特点，从项目的可实施性、安全性、经济性、工效、工期几个方面考虑，确定采用“PBA”法施工。

2 “PBA”法原理

“PBA”工法原理是将传统的明(盖)挖施工方法和暗挖法进行有机结合，在地面上不具备施工挖孔桩结构时，将明(盖)挖法施工的挖孔桩、梁等转入地下进行，因此也称做地下式盖挖法。即在地下提前暗挖好的施工导洞内施作挖孔桩、冠梁，然后施作主体顶拱，使边桩(pile)、冠梁(beam)及顶拱(arc)共同构成桩、梁、拱支撑框架体系(PBA)，承受施工过程中的外部荷载，然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖土体，自下而上施工主体结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和二次衬砌组合而成的永久承载体系。

3 “PBA”法关键施工技术

3.1 地层空洞探测技术

苏黄区间大跨段隧道地层主要位于人工杂填土及粉土、粉质黏土中，地质复杂、地层自稳能力差。据查此处原为一个大渔塘，道路施工时未能处理彻底，形成了较大的地下水囊。加之结构覆土较浅，地下土层受地铁隧道施工扰动影响，各种缺陷会进一步发展，从而导致管线破裂、地面沉陷、隧道坍塌等不利后果。

针对该地段路面交通繁忙，地层覆土较浅，地下管线密集的现状，不适宜进行钻孔探测地层空洞，通过比较分析，决定采用探地雷达检测(GPR)技术进行大跨段隧道结构上方地层空洞的检测。

探地雷达检测技术主要根据探测介质的电性差异进行地下异常现象的探测。一般情况下，地下空洞或地下松散区与周边完好地层有明显的电性差异，从而形成了电磁波反射界面。当探地雷达的发射天线向地下发射高频电磁波，并被地面接收天线接收，同时探地雷达采集记录下反射波信号，然后经过室内数据处理和分析，并结合测试场地地质情况进行综合分析，从而确定地下非密实区、空洞等地质异常体的存在性及其可能分布特征。

3.2 地下水处理技术

根据地质详勘资料表明，苏黄区间大跨段在开挖深度范围内主要受台地潜水、层间潜水的影响。台地潜水主要分布在结构顶板上方0.8～3.60 m的范围内，并且顶板上方覆盖较厚的粉质黏土层，富水的粉质黏土经施工扰动后极易液化，成流泥状，隧道开挖过程中易出现坍塌、掉块现象，加之隧道开挖扰动及地下水流失容易加剧地表沉降，增大了施工风险。根据“PBA”工法特点，并结合水文、地质情况，施工中采用了地面井点+洞内水平井降水的处理措施，保证施工过程的安全。

3.2.1 地面降水井

降水井顺线路方向，沿隧道两侧布置，间距6～8 m，共布降水井20眼，采用 φ400/50 mm无砂水泥管，井管缠尼龙纱网，管外填φ20～φ40 mm滤料至地面以下1.5 m处。施工采用反循环和冲击钻钻机成孔，孔径600 mm，采用高扬程潜水泵进行抽、排水。

3.2.2 洞内水平井

从前期竖井横通道开挖情况来看，拱部及掌子面渗水量较大。特别是隧道拱部位于黏土层中，地面深井降水不能形成降水漏斗，开挖过程中容易形成流泥，引起大量周边土层流失，容易造成地表超量下沉。施工单位经过认真分析研究之后，决定在大跨段隧道施工之前，利用竖井横通道空间，向大跨隧道方向增设水平井，对局部滞水提前引流，开挖时起到超前降水的效果。

水平井共设置6个，长度30～40 m。施工采用HXY-500M地质钻机成孔，孔径为108 mm，然后在孔内安放φ50 mm钢花管，钢花管外部并缠裹两层自滤网。水平井施工技术要点:

1)施工前钻机要固定牢固，调平;钻进过程要保持缓慢匀速，保证成孔水平度。

2)提前将滤水管准备好，成孔后迅速下管，防止因延误时间而塌孔。

3)下管前检查保证滤水管完好，外部滤网缠裹牢固，下完管后要对孔口进行封堵，封堵深度不小于50 mm。

3.3 长大管棚施工技术

苏黄区间三线大跨段拱部超前大管棚设计采用φ159 mm，厚t=10 mm，长 l=56 m的无缝钢管，间距为0.4 m，管棚施工完毕后进行注浆，注浆材料采用水泥浆。

由于56 m长管棚一次性打设不利于管棚施工精度控制，加之结构上方管线繁多，也难以保证结构上方管线安全。综合各方因素，决定采用将56 m长管棚分段打设的方案，管棚之间纵向搭接长度为3 m。首先利用竖井横通道做为第一段管棚操作空间，管棚打设长度为25 m;然后在两侧小导洞开挖至K2+279.3处时，把左线小导洞和右线小导洞连通，设置成管棚操作室，第二段和第三段管棚利用操作室空间分别向小里程和大里程方向施作各20 m长的大管棚。

3.4 初支扣拱施工技术

“PBA”工法扣拱分小导洞内边跨扣拱施工和主体拱顶大弧扣拱施工两个阶段进行。首先在两侧小导洞进行边跨扣拱，然后进行小导洞背后回填工作，最后再进行主体扣拱施工。

3.4.1 扣拱施工顺序

扣拱施工顺序:第一步:施工小导洞内冠梁并预埋连接钢筋;第二步:小导洞内扣拱安装与施工;第三步:回填导洞内扣拱背部混凝土;第四步:开挖左侧拱部(1#导洞)，架设拱部格栅和临时支撑;第五步:开挖右侧拱部(2#导洞)，架设拱部格栅;第六步:开挖左侧下导洞(3#导洞)，施作下部临时支撑;第七步:开挖右侧下导洞(4#导洞)，导洞封闭成环。如图1所示。

图1 扣拱施工顺序图

3.4.2 细部节点施工

“PBA”工法扣拱施工时，格栅钢架连接的细部结构处理的好坏，直接影响格栅安装的精度，以及初期支护结构的质量，是施工过程中不可忽视的问题。格栅钢架细部节点如图2所示。

图2 细部节点示意图

1)边跨拱脚处(A节点)

拱脚部分格栅同冠梁连接处，直接将格栅钢架主筋延伸插入冠梁混凝土内，保证初期支护结构同冠梁连接的整体性，锚固长度≥35 d。

2)边跨与主拱格栅钢架连接处(B节点)

施工过程中，改变了以往在大跨车站采用“PBA”工法施工小导洞内边跨扣拱时，首先在冠梁施工时预埋拱脚格栅，然后在主体开挖时，将主拱格栅与小导洞相接部位凿开，最后采用连接钢筋将Ⅱ部主拱格栅与Ⅰ部预埋拱脚格栅采用搭接焊连接的传统做法。采用了在小导洞初支施工时预埋连接筋的方法:即施工小导洞时先预埋连接钢筋，然后架设Ⅰ部小导洞格栅拱架，并将小导洞格栅与预埋钢筋采用搭接焊连接，在主体开挖时，将主拱格栅Ⅱ部与连接钢筋搭接焊连接，使之与小导洞格栅连接成整体。创新、改进施工方法后，减少了连接部位的凿除工艺，缩短了初支封闭时间，提高了扣拱施工的安全度。并且可以根据预埋钢筋的位置对主拱格栅架设的步距进行微调，有效地控制了连接精度。

3)主拱拱顶连接处(C节点)

结构拱顶部分地质差，开挖极易塌方，对施工安全、质量造成影响，安装主体扣拱时，将格栅钢架接头距隧道断面中线由原来的40 cm改为20 cm。调整之后，减少了开挖量，提高了施工安全度。格栅角钢同钢板采用M24螺栓连接，钢板同工字钢采用搭接焊，焊缝长度不小于8 mm。

3.5 监控量测技术

在地下工程浅埋暗挖法施工中，通过现场监控量测，及时获取地层变动与结构的动态信息，用以修正支护参数与施工措施，以期达到施工安全与经济合理的目的。苏黄区间大跨段地质条件复杂、结构上方地下管线繁多、施工方法难以模拟，因此必须通过信息化施工，及时反馈施工并修正完善设计，确保地下工程施工和周边环境的安全。

3.5.1 监测点布设

地表沉降监测中每横断面布设测点5个，量测断面间距为5 m;拱顶下沉监测中每断面布设测点4个，即主体拱顶布设2个，小导洞各布设1个，量测断面间距5 m;净空收敛点在大跨、拱腰部位分别布设一组，量测断面间距5 m。具体如图3所示。

图3 监控量测点布设示意

地下管线的监测点布置在管线的接头处，或对位移变化敏感的部位，沿线路方向布置6个点，每10 m布置一个测点。

地下管线监测点埋设方法:通过竖直探孔将测点钢筋(通常用φ20 mm的圆钢)埋设在管线上方，并引出地面，测点钢筋外套φ100 mm的钢管，测点和钢管之间用细沙填充。如图4所示。

图4 地下管线监测点埋设方法

3.5.2 监测基准值的确定

1)地表沉降控制基准值

地表沉降值是施工对结构上方地层、管线、及结构物等造成影响的最直接体现，是区间隧道施工过程中的重点监测项目。充分考虑施工中的各种影响因素，采用有限元分析法，通过科学的理论计算，辅以参照许多其他工程施工中的沉降控制结果，制订出本大跨段区间隧道在PBA工法施工各工序时需要控制地表沉降的管理基准值，详见表1。

表1 “PBA法”施工地表沉降控制基准值 mm

2)其它监测项目控制基准值

拱顶下沉和水平收敛监控基准值也是施工影响因素的具体体现，控制基准见表2。

表2 监测控制基准值 mm

3.5.3 监测数据的整理、分析

建立数据库对监测数据进行管理，每周绘制变形与时间关系曲线，变形与时间关系曲线按下列函数形式进行回归、图形处理:

式中:u为累计变形值;t为量测时间;a、b为回归常数。

根据回归曲线的拟合好坏程度，判断地层被扰动状态和洞室稳定性。详见图5所示。

图5 回归曲线分析图示

如果出现反常曲线，表明地层和支护呈不稳定状态，应加强监视和保护措施，必要时停止开挖并进行施工处理。

监测结果显示，地表沉降量普遍在30～50 mm，这与数值模拟分析结果相吻合。同时，在监测实施过程中，做到了对监测数据的及时分析研究，随时调整施工方案和施工参数，实现了动态控制。

4 成果分析

“PBA”法施工技术首次应用于浅埋暗挖地铁区间大跨隧道施工中，取得了如下主要技术成果:

1)采用“PBA”法进行浅埋暗挖大跨隧道施工，突破了以往“PBA”法仅局限用于多跨多层地下车站及停车场浅埋暗挖工程项目中，解决了该法应用于浅埋暗挖大跨隧道中的技术难题。

2)采用探地雷达检测(GPR)技术进行大跨段隧道结构上方地层空洞的检测，解决了在地层条件差，周边环境复杂，受施工干扰大的情况下，进行地层空洞检测的难题。

3)采用地面井点+洞内水平井降水的处理措施，有效地解决了“PBA”法在富水区域进行大跨隧道浅埋暗挖施工时地下水处理的难题。

4)采用钻孔静压顶入，并在主体结构中部增设管棚操作室办法，解决了施工操作空间受限，上部管线密集，对管棚施工精度、沉降要求极高的情况下，进行长大管棚施作的技术性难题。

5)创新、改进格栅钢架连接施工方法后，解决了大跨隧道“PBA”工法扣拱施工安全性差，两次扣拱连接精度不高的技术性难题。

6)选用合理的临时支护拆除、换撑方法及二衬混凝土支撑体系，确保了大跨隧道二次衬砌施工临时支护拆除过程中结构的安全，保证了超大断面混凝土结构的施工质量。

7)通过有限元法分析，确定合理、经济的监测基准值，并制定有效的监测手段，建立完善的数据分析系统，采取了科学的信息反馈手段，解决了“PBA”法信息化施工的技术性难题。

8)主体初支大弧扣拱完成后，增大了下方土体开挖的安全性，提高了工效，共缩短工期两个月，保障了北京地铁10号线总体控制性工期目标的实现。

9)采用“PBA”施工技术后，节省投资300多万元，比原计划工程造价节约20%，取得了良好的经济效益。

施工实践证明采用“PBA”法进行浅埋暗挖超大断面隧道施工是可靠的、成功的，可以为今后浅埋暗挖大跨软岩隧道施工提供经验借鉴。

[1]黄广锴.“PBA”工法在北京地铁10号线区间超大断面隧道施工中的应用[J].铁道标准设计，2008(12):31-33.

[2]朱泽民.地铁暗挖车站洞桩法(PBA)施工技术[J].隧道建设，2006(5):35-37.

[3]雷永生.超浅埋大跨隧道 PBA工法[J].甘肃科技，2007(6):28-30.

[4]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.

U455.45

B

1003-1995(2010)04-0059-04

2009-11-15;

2010-02-20

王海彦(1975— )，男，河北张北人，讲师，博士研究生。

(责任审编 王天威)