郭小娜，程　樺，盛飛國

地鐵車站與下穿橋結(jié)構(gòu)一體化施工數(shù)值分析

郭小娜1，程樺2，盛飛國1

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽大學(xué)，安徽 合肥 230031）

典型施工工藝條件下，地鐵車站與下穿橋結(jié)構(gòu)一體化施工的相關(guān)研究較少。本文采用有限元軟件MIDAS/GTS對合肥地鐵一號線某地鐵站的深基坑工程的施工過程采用分段明挖順作法進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并將地表沉降模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。研究表明：長條形地鐵車站明挖+局部蓋挖+分段分層對稱的復(fù)合開挖方式對地表沉降的影響較小，且開挖面的轉(zhuǎn)移會使地表沉降產(chǎn)生突變。該結(jié)論可為今后合肥類似的地鐵車站建設(shè)提供參考。

地鐵車站；深基坑；地表沉降；數(shù)值模擬；監(jiān)測

0　引　言

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展[1]，一線城市人口數(shù)量及機動車數(shù)量都迅猛增加，使得城市交通日趨擁擠，從而導(dǎo)致城市道路的使用效率降低，文獻(xiàn)[2-4]的作者對如何提高城市的交通效率進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]作者從施工工法方面對地鐵車站下穿橋梁進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[6]作者對復(fù)雜環(huán)境條件上跨下穿同一既有地鐵隧道的變形進(jìn)行了分析。近些年許多學(xué)者都致力于地鐵方面的研究，也得出了很多具有實踐意義的結(jié)論。

本文以合肥某地鐵車站的一體化設(shè)計施工建設(shè)為背景，創(chuàng)新性地將合肥某十字路口的平交路面改為下穿式立交路面并，從而達(dá)到改善該路口的交通擁堵現(xiàn)狀。其中一體化即是將獨立的若干部分加在一起或結(jié)合在一起成為整體，在地下工程中，為了實現(xiàn)某些目標(biāo)，如施工便利，節(jié)省造價，減少二次施工對先前建筑物的影響。這種結(jié)構(gòu)方式帶來的優(yōu)勢在文獻(xiàn)[3]中已詳細(xì)介紹，筆者在此不再贅述。

1　工程概況

明光路車站位于勝利路與明光路交口處，沿勝利路南北向布置，下穿東西方向待建的明光路下穿橋。車站里程起始于K6+179.787，終止于K6+448.697，總長268.91 m，車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬23.2 m，頂板覆土約0.8-4.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約22.8 m。明光路站基坑開挖原設(shè)計方案是采用明挖順作法，即開挖至基坑底后順作車站底、中、頂板及側(cè)墻和其它結(jié)構(gòu)，在車站主體施工完畢后，再架設(shè)梁體。而實際的施工方案采取的是局部蓋挖順作法，即在需要架設(shè)梁體的一段先架設(shè)梁體，再開挖至基坑底后順作底、中、頂板及側(cè)墻和其它結(jié)構(gòu)。本文以合肥地鐵一號線明光路站為依托，運用MIDAS/GTS有限元軟件動態(tài)分析在典型施工工藝下地鐵車站與下穿路（橋）一體化設(shè)計對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體的影響。

表1　 土體相關(guān)參數(shù)

2　相關(guān)參數(shù)

本車站主要土層的物理參數(shù)見表1，主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料相關(guān)參數(shù)見表2。

表2　 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料相關(guān)參數(shù)

本車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)方式，其中第一道支撐為混凝土支撐采用的是C35混凝土，其余采用的是C30混凝土，2-5道支撐為鋼支撐。

3　三維模型的建立和地表沉降數(shù)值分析

本文采用MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件對局部蓋挖+明挖+分段分層對稱開挖的施工過程進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬，根據(jù)相關(guān)資料對于基坑開挖對周圍巖體的影響范圍建立的模型尺寸如下：模型的平面尺寸為長362 m×寬118 m×深69.7 m，基坑的尺寸為269 m×25.5 m×23.25 m。根據(jù)實際的施工方案，把基坑模型共分為14段,三維模型如圖1。

圖1　三維模型及網(wǎng)格劃分圖

圖2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐圖

3.1開挖過程及工況

根據(jù)施工方對本車站的施工方案，施工圖中將該長條形基坑劃分為14段進(jìn)行開挖，每個開挖段分6個工況，先從北端頭開挖至市政橋梁位置，架設(shè)T梁后進(jìn)行該部分的蓋挖；蓋挖結(jié)束后再從南端頭進(jìn)行對稱開挖?；用看伍_挖的最低面位于支撐下方0.5 m處，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果好，模擬過程中不考慮地下水的影響。在初始應(yīng)力和地連墻及樁施工工況計算結(jié)束后每一段主要的模擬開挖過程如下：

（1）開挖至2.75 m并在開挖面以上0.5 m處架設(shè)第一道支撐；

（2）開挖至7.7 m并在開挖面以上0.5 m處架設(shè)第二道支撐；

（3）開挖至12.45 m并在開挖面以上0.5 m處架設(shè)第三道支撐；

（4）開挖至16.65 m并在開挖面以上0.5 m處架設(shè)第四道支撐；

（5）開挖至20.18 m并在開挖面以上0.5 m處架設(shè)第五道支撐；

（6）開挖至基坑底部。

3.2地表沉降數(shù)值分析

整個施工過程中取典型的施工階段的模擬變形云圖如圖3-圖6：

整理的數(shù)值計算土體地表沉降如圖7：

圖3　分段1開挖地表沉降云圖

圖4　分段5開挖地表沉降云圖

圖5　分段6開挖地表沉降云圖

圖6　分段14開挖地表沉降云圖

圖7　各分段地表沉降位移

從數(shù)值計算的曲線圖7中可以得出：周圍土體的地表沉降在開挖初期是比較小的，最大值為6.66 mm，出現(xiàn)在分段5蓋挖部分；自分段5之后土體的沉降出現(xiàn)明顯的增大，是由于之后的開挖段轉(zhuǎn)移到另一端，并且當(dāng)開挖面位于測點所在位置時達(dá)到最大值，最大值為18.33 mm，增加了11.47 mm，占整個沉降值的63.27%。開挖初期土體卸荷較少，沉降最大值距離基坑比較近，隨著卸荷的增大，最大沉降值位于墻后0.4H～0.42 H（H為基坑深度）處。圖中還可以得出在結(jié)構(gòu)中板施工完成后沉降值會有微小的回彈，這是由于結(jié)構(gòu)板相對于臨時支撐其剛度變大，導(dǎo)致墻后土體的主動土壓力減小而造成回彈。

4　基坑周圍地表沉降監(jiān)測分析

為了分析基坑開挖過程對周邊地表沉降的影響規(guī)律，分別取基坑地表沉降監(jiān)測點DB-09-1～DB-09-10的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測點布置如圖8所示，地表沉降變化曲線如圖9和圖10所示，測點距基坑邊緣的距離分別為2 m，3 m，3 m，4 m，4 m，5 m。

圖8　明光路監(jiān)測布置圖

圖9　基坑DB-9斷面地表沉降變化曲線

圖10　基坑DB-9斷面地表沉降擬合曲線圖

從圖9和圖10的基坑中部斷面地表沉降變化曲線可以看出：基坑中部斷面地表沉降變化曲線隨著基坑開挖時間的增加，基坑開挖引起坑邊地表沉降值逐漸加大，最后逐漸趨于穩(wěn)定；隨著距離基坑邊緣距離的增加，地表沉降變化趨勢呈勺子形狀，引起地表沉降最大值出現(xiàn)在14 m～16 m處左右，這與合肥土層條件以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)種類，支撐形式有一定關(guān)系。在基坑開挖初期監(jiān)測1周時，距離基坑邊緣距離2 m處，地表沉降值為1.65 mm，地表沉降最大值出現(xiàn)在距基坑邊緣8 m處，最大值為9.15 mm，沉降值變化趨于平緩，距離基坑邊緣處16 m，地表沉降值為0.57 mm；監(jiān)測10周時，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定，地表沉降最大值出現(xiàn)在距基坑邊緣8處，沉降最大值為14.29 mm，之后遠(yuǎn)離基坑邊緣，沉降趨勢逐漸減少，直至21 m處，地表沉降位移值為0.32 mm。

5　數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

周圍土體地表沉降的數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析如圖11：

圖11　地表沉降對比圖

根據(jù)周圍土體地表沉降的數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析可知：監(jiān)測結(jié)果的最大地表沉降值為14.29 mm，而數(shù)值計算結(jié)果的最大地表沉降為18.01 mm，造成二者差距的因素較多，有土體參數(shù)取值的準(zhǔn)確性及建模時把土體當(dāng)作均質(zhì)土層、施工環(huán)境的復(fù)雜性等，但是監(jiān)測曲線和數(shù)值計算的曲線變化趨勢是基本一致的，呈“勺子形”；地表沉降的最大值均位于距離基坑0.4～0.45 H處。從數(shù)值計算的曲線圖中，可以得出地表沉降在開挖面轉(zhuǎn)移到另一端時會出現(xiàn)和墻體水平位移一樣的突變情況，并且沉降值隨著開挖段距離測點距離變小而增大。數(shù)值計算的結(jié)果也表明主體結(jié)構(gòu)板的完成，板作為永久支撐其剛度增大，墻后主動土壓力相應(yīng)減小，使地表沉降有回彈的趨勢，最大值從18.01 mm減小到17.42 mm。

6　結(jié)論

在對基坑施工中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形進(jìn)行相關(guān)力學(xué)模型的分析之后，用有限元軟件MIDAS/GTS對車站的整個施工過程建立三維模型分析，對地鐵車站與下穿路（橋）結(jié)構(gòu)一體化在典型施工工藝條件下的地表沉降分析得出如下結(jié)論：

(1)地鐵車站與下穿橋結(jié)構(gòu)一體化在明挖+局部蓋挖+分段分層對稱開挖的復(fù)合開挖方式下，對地表沉降的影響較小；該開挖方式在基坑開挖過程中，開挖面的轉(zhuǎn)移階段地表沉降會出現(xiàn)突變。

(2)隨著開挖深度的增加，基坑開挖引起周邊地表沉降逐漸增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定；隨著離基坑邊緣距離的增加，基坑開挖引起的地表沉降變化幅度逐漸變小，直至最后趨于穩(wěn)定，整體變化形勢為中間大兩端小，監(jiān)測曲線和數(shù)值計算曲線的變化趨勢基本一致，類似于“勺形”。地表沉降的最大值均位于距離基坑0.4～0.45 H(H為基坑深度)，最大地表沉降為18.01 mm，數(shù)值都在允許范圍內(nèi)。

[1]劉皆誼.城市立體化發(fā)展與軌道交通[D].南京：東南大學(xué)，2012.

[2]宋冰晶.地鐵車站與立交結(jié)合設(shè)計[J].工程建設(shè)，2011，24(6):78-81.

[3]朱斌.地鐵車站與城市立體交通結(jié)合設(shè)計的研究[J].工程與建設(shè)，2014，28(1):12-14.

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[5]韋京，王芳,孫明志.PBA工法地鐵車站下穿橋梁方案優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(6):101-107.

[6]沈良帥，賀少輝.復(fù)雜環(huán)境條件上跨下穿同一既有地鐵隧道的變形控制分析及施工方案優(yōu)化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(S1):2893-2900.

Analysis of Integrated Construction for Subway Station and Underpass Bridge

GUO Xiaona1, CHENG Hua2, SHENG Feiguo1
(1. School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022, China; 2.Anhui University Hefei, 230031, China)

Under the condition of typical construction technology,there is little research on the integrated construction of the metro station and the underbridge structure.The finite element software MIDAS/GTS was adopted to make a numerical simulation of the deep foundation pit of Hefei metro 1# station,and the simulation results were compared with the monitoring settlement data.Analysis showed that the complex excavation method consisting of open excavation of long strip subway station,covered excavation,and the symmetrical segmentation and layer method had smaller effect on the ground surface settlement,and the transfer of excavated surfaces influenced the surface subsidence.The conclusion can provide reference for the construction of similar subway station in Hefei in the future.

metro station; deep foundation pit; ground surface settlement; numerical simulation; monitoring

TN911.8

A

2095-8382(2016)03-012-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160303

2015-11-12

郭小娜（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向為地下結(jié)構(gòu)工程。