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(jìn)行地鐵車站的基坑開挖越來越普遍。文章基于實(shí)際在建某地鐵車站項(xiàng)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(hù)結(jié)構(gòu)及立柱變形的影響，結(jié)果表明：（1）深基坑開挖后明挖側(cè)和蓋挖側(cè)地表沉降變形型式為“凹槽”形，沉降曲線明顯不同，明挖側(cè)坡度更大，且該基坑開挖對(duì)兩側(cè)地表的影響范圍在45 m內(nèi)。（2）圍護(hù)樁的水平變形“弓”形，隨著基坑的開挖，最大變形點(diǎn)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(cè)最大位移值3.8 mm，蓋挖側(cè)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(jí)工程師，主要從事城市軌道交通工程技術(shù)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(shù)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(shù)管理工作。

地鐵車站往往建設(shè)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(jié)合明挖和蓋挖的修筑方法，蓋挖側(cè)保證城市主干道上的車輛通行，明挖側(cè)又方便施工出土與進(jìn)料，因此半蓋挖法越來越多的應(yīng)用于地鐵車站建設(shè)[1]。

深基坑施工過程中坑內(nèi)土體的卸載會(huì)引起周邊土體的地應(yīng)力重分布以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，導(dǎo)致對(duì)周圍地表建筑物和地下結(jié)構(gòu)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(dòng)影響，且上部工作面開挖的不對(duì)稱會(huì)造成深基坑兩側(cè)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(duì)半蓋挖深基坑的研究。

文獻(xiàn)[2]以北京地鐵14號(hào)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性、深基坑設(shè)計(jì)方案選用的原則及基坑豎向和水平體系的設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)[3]等結(jié)合實(shí)測及數(shù)值分析，對(duì)基坑開挖過程中支護(hù)樁柱的變形和應(yīng)力的特性進(jìn)行了比較分析。得出樁身受力特性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。文獻(xiàn)[4]分析了地鐵車站蓋挖法的設(shè)計(jì)方法，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)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(huì)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(duì)周邊環(huán)境的影響等是十分有必要的，能夠?yàn)楹罄m(xù)類似地鐵深基坑的設(shè)計(jì)施工提供一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

1 工程實(shí)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(cè)，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(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)條件

經(jīng)勘察揭示，本標(biāo)段范圍內(nèi)組成巖性主要有三層結(jié)構(gòu)：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(zhì)黏土層、黏質(zhì)粉土層、黏質(zhì)粉土層、細(xì)砂層、中砂層、卵石層;白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）：強(qiáng)風(fēng)化泥巖層、中等風(fēng)化泥巖層等。自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、松散卵石、細(xì)砂、稍密卵石、中密卵石、中砂、稍密卵石、細(xì)砂、稍密卵石、密實(shí)卵石?；孜挥诿軐?shí)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(jìn)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(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算?？紤]到邊界效應(yīng)，模型邊界取為112 m×30 m×145 m（X×Y×Z）。其中，模型底部進(jìn)行固定約束，模型側(cè)面進(jìn)行法向約束，模型頂部取至地面標(biāo)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(jié)合地質(zhì)勘測資料及相關(guān)規(guī)范確定土體參數(shù)，如表1所示。

本項(xiàng)目中，基坑支護(hù)體系主要包括：混凝土支撐、鋼支撐、立柱樁及圍護(hù)樁。其中，混凝土支撐按照實(shí)際采用實(shí)體建模，鋼支撐和中立柱不考慮實(shí)體建模，簡化為梁單元。同時(shí)，將混凝土圍護(hù)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(hù)樁樁徑為1.2 m，間距為2.0 m，取1.2 m長進(jìn)行等剛度計(jì)算，計(jì)算公式：

式中，E1為實(shí)際圍護(hù)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(hù)樁的慣性矩;I2為地下連續(xù)墻的慣性矩。

結(jié)構(gòu)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(duì)施工各個(gè)環(huán)節(jié)予以模擬。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際施工方案，本次對(duì)深基坑開挖支護(hù)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(yīng)力場并進(jìn)行位移清零。

（2）S2：圍護(hù)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(shí)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(shí)對(duì)蓋板下部土體靠近明挖段邊界進(jìn)行側(cè)向X方向約束。

（7）S7：開挖第四層蓋板下部土體同時(shí)施作第三道鋼支撐。

（8）S8：開挖第五層同時(shí)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(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

基坑開挖導(dǎo)致圍護(hù)樁向基坑內(nèi)的變形，周邊土體向基坑內(nèi)方向移動(dòng)，從而地表產(chǎn)生沉降，提取明挖側(cè)及蓋挖側(cè)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(cè)靠近圍護(hù)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(dá)到最大，明挖側(cè)沉降曲線的凹槽最低點(diǎn)更靠近基坑一些，蓋挖側(cè)最低點(diǎn)距基坑邊為6 m，最大值為6.99 mm，而明挖側(cè)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(shù)規(guī)范》，取20 mm作為地表沉降允許值，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，地表沉降在限定控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

兩側(cè)最低點(diǎn)左邊的沉降曲線明顯不同，明挖側(cè)坡度更大，各步驟蓋挖側(cè)鄰近地表具有一定的沉降值，而明挖側(cè)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(duì)兩側(cè)地表的影響范圍在45 m內(nèi)。

3.2 圍護(hù)樁墻側(cè)移分析

深基坑開挖完成后，圍護(hù)樁側(cè)移云圖如圖5所示。

進(jìn)行土體開挖后，由于明挖側(cè)部分土體的卸載，導(dǎo)致明挖側(cè)圍護(hù)樁發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)的變形，位移最大值在樁體上部，后續(xù)步驟，隨著開挖的進(jìn)行，位移逐漸增大，且側(cè)移最大值發(fā)生位置逐漸向下發(fā)展。

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

對(duì)比兩側(cè)曲線可知：隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)樁的整體側(cè)移值逐漸增大，圍護(hù)樁變形呈兩頭小中間大的“弓”形，且樁體側(cè)移峰值隨開挖的進(jìn)行向下移動(dòng)。上層土體的不對(duì)稱開挖使得蓋挖側(cè)與明挖側(cè)的樁體水平位移變化趨勢不一致。后續(xù)步驟兩側(cè)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(cè)最大位移值3.8 mm，蓋挖側(cè)最大位移值3 mm。

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

3.3 立柱側(cè)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(cè)彎曲變形趨勢，與圍護(hù)樁的側(cè)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(shí)由于該部分土體的卸載導(dǎo)致明挖側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)的變形，而對(duì)蓋挖側(cè)的影響較小，所以該施工階段下立柱頂部有向蓋挖側(cè)移動(dòng)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(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)及立柱變形的影響，得出結(jié)論：

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

（2）圍護(hù)樁的水平變形“弓”形，隨著基坑的開挖，最大變形點(diǎn)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(cè)最大位移值3.8 mm，蓋挖側(cè)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(xiàn)

[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.

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