半蓋挖地鐵車站深基坑開挖變形規(guī)律研究

何文 周智鵬 郭地 張亞磊 盧姍青 盧雅欣 王玉鎖

摘要：隨著城市的快速發(fā)展，修建的城市軌道交通工程日益增多。由于城市空間有限，且上部主干道車流量大，采用半蓋挖逆作法進行地鐵車站的基坑開挖越來越普遍。文章基于實際在建某地鐵車站項目，利用Midas GTS NX軟件模擬深基坑開挖全過程，分析施工不同階段地表沉降、圍護結構及立柱變形的影響，結果表明：（1）深基坑開挖后明挖側和蓋挖側地表沉降變形型式為“凹槽”形，沉降曲線明顯不同，明挖側坡度更大，且該基坑開挖對兩側地表的影響范圍在45 m內(nèi)。（2）圍護樁的水平變形“弓”形，隨著基坑的開挖，最大變形點所在深度逐漸增加，開挖全部完成后，水平位移最大值位置均在樁體深度15 m處左右，明挖側最大位移值3.8 mm，蓋挖側最大位移值3 mm。（3）立柱水平位移曲線也呈弓形，立柱下部變形較小。立柱水平位移隨著基坑開挖逐漸增大的，最大值在開挖完成后為2.5 mm。

[作者簡介]何文（1989—），男，本科，高級工程師，主要從事城市軌道交通工程技術管理工作;周智鵬（1980—），男，本科，工程師，主要從事城市軌道交通工程、道橋工程全面管理工作;郭地（1990—），男，本科，工程師，主要從事城市軌道交通工程技術管理工作;張亞磊（1988—），男，本科，工程師，主要從事城市軌道交通工程技術管理工作。

地鐵車站往往建設在城市主干道、十字路口等交通流量大的路面下方，施工場地有限，受空間條件、工期等限制。半蓋挖法是結合明挖和蓋挖的修筑方法，蓋挖側保證城市主干道上的車輛通行，明挖側又方便施工出土與進料，因此半蓋挖法越來越多的應用于地鐵車站建設[1]。

深基坑施工過程中坑內(nèi)土體的卸載會引起周邊土體的地應力重分布以及圍護結構的變形，導致對周圍地表建筑物和地下結構的變形與破壞，另外，由于半蓋挖深基坑一般都在城市主干道之下，車流量大，受頂部蓋板上車輛荷載的擾動影響，且上部工作面開挖的不對稱會造成深基坑兩側的變形與內(nèi)力變化規(guī)律與傳統(tǒng)基坑的不同，因此有必要開展針對半蓋挖深基坑的研究。

文獻[2]以北京地鐵14號線平樂園車站為工程背景，綜合分析了蓋挖逆筑法車站圍護結構的受力特性、深基坑設計方案選用的原則及基坑豎向和水平體系的設計方法等關鍵問題。

文獻[3]等結合實測及數(shù)值分析，對基坑開挖過程中支護樁柱的變形和應力的特性進行了比較分析。得出樁身受力特性是一個動態(tài)變化過程。文獻[4]分析了地鐵車站蓋挖法的設計方法，對基坑圍護結構受力變形進行了分析，探明了明挖法與暗挖法的差異。

受交通條件限制，采用半蓋挖法的地鐵車站會越來越多，因此，研究該半蓋挖法車站基坑的變形規(guī)律以及基坑內(nèi)土方開挖對周邊環(huán)境的影響等是十分有必要的，能夠為后續(xù)類似地鐵深基坑的設計施工提供一定的參考和應用價值。

1 工程實例

1.1 工程概況

武侯祠站位于武侯祠大街與武侯祠橫街交叉口東北側，沿武侯祠大街南北向布置。武侯某地鐵車站為地下三層單柱兩跨框架結構，局部為無柱段。采用縱向半蓋挖、局部全蓋挖及明挖法施工，車站主體長度533 m，標準段寬度20.7 m，頂板覆土5.0 m，基坑深度約25.81 m。

1.2 工程地質條件

經(jīng)勘察揭示，本標段范圍內(nèi)組成巖性主要有三層結構：第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）：雜填土層;第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）：粉質黏土層、黏質粉土層、黏質粉土層、細砂層、中砂層、卵石層;白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）：強風化泥巖層、中等風化泥巖層等。自上而下依次為雜填土、粉質黏土、細砂、松散卵石、細砂、稍密卵石、中密卵石、中砂、稍密卵石、細砂、稍密卵石、密實卵石。基底位于密實卵石層中。地下水位在地面以下約6.9 m，基坑開挖深度約26.9 m，基底處于地下水位以下20 m，為保證施工安全，基坑內(nèi)地下水位已降至基坑底面以下不小于0.5 m后才能進行基坑土方開挖。

2 深基坑開挖施工影響數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

依托成都市軌道交通某車站深基坑工程，采用Midas GTX/NX建立3維地層結構模型進行計算。考慮到邊界效應，模型邊界取為112 m×30 m×145 m（X×Y×Z）。其中，模型底部進行固定約束，模型側面進行法向約束，模型頂部取至地面標高，不施加任何約束，為自由面。模型荷載僅考慮自重作用。數(shù)值模型如圖1所示，支撐體系包括地下連續(xù)墻、混凝土支撐、鋼支撐及立柱樁，如圖2所示。

2.2 參數(shù)的選取

結合地質勘測資料及相關規(guī)范確定土體參數(shù)，如表1所示。

本項目中，基坑支護體系主要包括：混凝土支撐、鋼支撐、立柱樁及圍護樁。其中，混凝土支撐按照實際采用實體建模，鋼支撐和中立柱不考慮實體建模，簡化為梁單元。同時，將混凝土圍護樁按照抗彎剛度相等的原則考慮為地下連續(xù)墻，所取模擬段圍護樁樁徑為1.2 m，間距為2.0 m，取1.2 m長進行等剛度計算，計算公式：

式中，E1為實際圍護樁所用材料的彈性模量;E2為等效后地下連續(xù)墻的彈性模量;I1為圍護樁的慣性矩;I2為地下連續(xù)墻的慣性矩。

結構部分參數(shù)如表2所示。

2.3 施工過程模擬

本研究使用的模擬軟件以激活/鈍化網(wǎng)格組來對施工各個環(huán)節(jié)予以模擬。結合項目實際施工方案，本次對深基坑開挖支護施工過程的模擬方式具體如下。

（1）S1：激活地層和開挖部分網(wǎng)格生成初始應力場并進行位移清零。

（2）S2：圍護樁施工。

（3）S3：第一次土體開挖并布置第一道鋼支撐。

（4）S4：第二次土體開挖。

（5）S5：第三次土體開挖，同時施作蓋板、立柱樁及第二道混凝土支撐。

（6）S6：開挖第四層土體明挖部分，同時對蓋板下部土體靠近明挖段邊界進行側向X方向約束。

（7）S7：開挖第四層蓋板下部土體同時施作第三道鋼支撐。

（8）S8：開挖第五層同時布置第四道混凝土支撐。

（9）S9：開挖第六層土體到基坑底部。

3 計算結果分析

3.1 地表沉降

基坑開挖導致圍護樁向基坑內(nèi)的變形，周邊土體向基坑內(nèi)方向移動，從而地表產(chǎn)生沉降，提取明挖側及蓋挖側不同施工階段的地表沉降繪制沉降曲線，如圖3、圖4 所示。

由圖中可以看出，基坑兩側靠近圍護樁墻附近的土體有明顯沉降趨勢，開挖完成后的穩(wěn)定階段，沉降值達到最大，明挖側沉降曲線的凹槽最低點更靠近基坑一些，蓋挖側最低點距基坑邊為6 m，最大值為6.99 mm，而明挖側距基坑邊為6 m，最大值為7.35 mm。根據(jù)GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》，取20 mm作為地表沉降允許值，根據(jù)數(shù)值分析結果，地表沉降在限定控制標準范圍內(nèi)。

兩側最低點左邊的沉降曲線明顯不同，明挖側坡度更大，各步驟蓋挖側鄰近地表具有一定的沉降值，而明挖側鄰近地表沉降值很小。另外由曲線可知，在距基坑45 m處曲線趨于水平，且沉降值約等于零，因此該基坑開挖對兩側地表的影響范圍在45 m內(nèi)。

3.2 圍護樁墻側移分析

深基坑開挖完成后，圍護樁側移云圖如圖5所示。

進行土體開挖后，由于明挖側部分土體的卸載，導致明挖側圍護樁發(fā)生向基坑內(nèi)側的變形，位移最大值在樁體上部，后續(xù)步驟，隨著開挖的進行，位移逐漸增大，且側移最大值發(fā)生位置逐漸向下發(fā)展。

分別提取明挖側及蓋挖側不同深度圍護樁體在不同施工階段的水平位移，繪制時程曲線如圖6、圖7 所示。

對比兩側曲線可知：隨著開挖的進行，圍護樁的整體側移值逐漸增大，圍護樁變形呈兩頭小中間大的“弓”形，且樁體側移峰值隨開挖的進行向下移動。上層土體的不對稱開挖使得蓋挖側與明挖側的樁體水平位移變化趨勢不一致。后續(xù)步驟兩側變形趨勢均穩(wěn)定，開挖全部完成后，水平位移最大值位置均在樁體深度15 m處左右，明挖側最大位移值3.8 mm，蓋挖側最大位移值3 mm。

根據(jù)GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》，取30 mm作為坑圍護墻水平位移允許值，根據(jù)數(shù)值分析結果，圍護樁墻水平位移在限定控制標準范圍內(nèi)。

3.3 立柱側移分析

深基坑開挖完成后立柱水平位移云圖如圖8所示，立柱柱身的水平位移曲線如圖9所示。

由圖可知，立柱有向明挖側彎曲變形趨勢，與圍護樁的側移曲線類似，立柱水平位移曲線也呈弓形，立柱下部變形較小。土體開挖時由于該部分土體的卸載導致明挖側圍護結構向基坑內(nèi)的變形，而對蓋挖側的影響較小，所以該施工階段下立柱頂部有向蓋挖側移動趨勢。由曲線可看出，立柱水平位移是逐漸增大的，最大值在開挖完成后為2.5 mm。

5 結論

利用維有限元分析軟件Midas GTS/NX，建立半蓋挖地鐵車站深基坑開挖數(shù)值模型，分析了施工過程中地表沉降、圍護結構及立柱變形的影響，得出結論：

（1）深基坑開挖后明挖側和蓋挖側地表沉降變形型式為“凹槽”形，沉降曲線明顯不同，明挖側坡度更大，且該基坑開挖對兩側地表的影響范圍在45 m內(nèi)。

（2）圍護樁的水平變形“弓”形，隨著基坑的開挖，最大變形點所在深度逐漸增加，開挖全部完成后，水平位移最大值位置均在樁體深度15 m處左右，明挖側最大位移值3.8 mm，蓋挖側最大位移值3 mm。

（3）立柱水平位移曲線也呈弓形，立柱下部變形較小。立柱水平位移隨著基坑開挖逐漸增大的，最大值在開挖完成后為2.5 mm。

參考文獻

[1] 張寧. 黃土地區(qū)半蓋挖地鐵車站深基坑變形分析 [J]. 現(xiàn)代城市軌道交通， 2017（6）： 16-9.

[2] 王志紅. 北京地鐵平樂園站蓋挖逆筑深基坑設計 [J]. 巖土工程學報， 2012， 34（S1）： 699-704.

[3] 張建新， 仲曉梅， 張淑朝， 等. 超深基坑蓋挖逆作立柱樁承載變形性狀分析 [J]. 巖土工程學報， 2008， 30（S1）： 400-3.

[4] 李鐵生. 蓋挖法地鐵車站設計分析方法 [D]. 上海： 同濟大學， 2007.