畢永濤

(中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧沈陽 110000)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)也進(jìn)入了高速擴(kuò)張階段，隨著城市地上空間被不斷開發(fā)利用，城市建設(shè)會越來越多地向地下空間發(fā)展，其中，地鐵路線的建設(shè)必然會對原本的地面建筑物產(chǎn)生影響，這個問題已經(jīng)發(fā)展到亟須解決的程度[1]。在目前地鐵建設(shè)過程中，施工地點(diǎn)位于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通繁忙地區(qū)的一般多采取暗挖法進(jìn)行開挖建設(shè)。而在暗挖建設(shè)車站的過程中會出現(xiàn)一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，特別是在建設(shè)車站附近存在既有建筑物時，有可能對車站建設(shè)和周邊建筑物造成難以估量的損失。在PBA暗挖車站施工區(qū)域過長或者是工程量特別巨大時，工程過程中一般會先建設(shè)數(shù)量不等的豎井來增加工程工作面，從而加快施工的進(jìn)度，盡量縮短工期，節(jié)約工程成本和造價。我國不少學(xué)者都對豎井臨近建筑物這一方面進(jìn)行了理論研究，一些學(xué)者提出了施工工法改進(jìn)和軟件的數(shù)值模擬分析方法[2-3]。陳卓友[4]以科學(xué)中心站基坑開挖為工程背景，通過建立三維有限元模型，以開挖深度、基坑與建筑物樁基距離、樁基剛度等為變量，并與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，對基坑開挖對臨近建筑的影響展開了研究。鄭翠玲[5]以南昌城市三號線基坑工程為背景，采用模糊評價體系的方法，從建筑物年限使用狀況等因素對進(jìn)坑支護(hù)優(yōu)化進(jìn)行了分析。王國林等人[6]從基坑臨近建筑物、臨近地下地鐵、基坑地下管線等幾個方面進(jìn)行了綜合闡述，并指出了基坑施工中存在的一些問題，并給出了一定的建議。

結(jié)合以上各位學(xué)者的研究總結(jié)，當(dāng)前關(guān)于地鐵暗挖車站建設(shè)中的豎井研究對周遭建筑物的影響研究特別稀缺，可供研究的工程實(shí)例也相對較少，由此可見，進(jìn)行暗挖車站的豎井開挖對周邊建筑物影響是特別有研究價值和工程必要的。

1 工程概況

三好街站為地鐵3 號線的第二十座車站，前一站為方型廣場站，下一站為工業(yè)展覽館站。三好街站為3號線和規(guī)劃8號線的換乘站，3號線車站先期建設(shè)，規(guī)劃8 號線車站遠(yuǎn)期建設(shè)。該車站為暗挖島式站臺車站，有效站臺寬度14 m，車站主體為地下兩層三跨框架結(jié)構(gòu)，車站總長220.7 m。標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段高度為15.6 m，頂板覆土厚度約7.0 m。車站共設(shè)置3 個施工豎井，其中1#施工豎井兼做站前區(qū)間盾構(gòu)吊出井。該站共設(shè)4個出入口通道、4個地面出入口、1個安全出口、2組風(fēng)道、2組地面風(fēng)亭。其中，1#施工豎井結(jié)合1號風(fēng)道設(shè)置，2#施工豎井結(jié)合B出入口設(shè)置，3#施工豎井結(jié)合D出入口設(shè)置。車站主體結(jié)構(gòu)總平面圖如圖1所示。

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)總平面圖

本工程下穿南運(yùn)河、高層建筑、既有綜合管廊、立交橋、大型市政管線等，工程施工風(fēng)險(xiǎn)大。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

三好街站1號豎井結(jié)構(gòu)尺寸為11.3 m×9.8 m，深度分別為29.3 m，豎井采用鉆孔圍護(hù)樁+鋼支撐支護(hù)形式,內(nèi)支撐第一層內(nèi)支撐采用600 mm×1 000 mm混凝土支撐+樁頂冠梁，井口樁頂冠梁采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基坑鋼支撐采用A609 mm，t=16，預(yù)加軸力300～500 kN的鋼管支撐，鋼圍檁采用雙拼工45C工字鋼。

3 施工重難點(diǎn)

（1）本工程位于文化路的正下方，施工的關(guān)鍵是保證公路的安全。該項(xiàng)目的施工豎井設(shè)置在文化路的機(jī)動車道和非機(jī)動車道上，地下車站和地下隧道均在文化路的正下方，施工過程中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，加強(qiáng)施工監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，如有需要，可以在人行道上鋪上鋼板，以預(yù)防路面沉降、塌陷，保證施工過程中的道路安全。

（2）洞內(nèi)材料全部采用豎井式航吊進(jìn)行垂直輸送，保證施工的安全是重點(diǎn)。該項(xiàng)目隧道內(nèi)的材料全部由垂直式井口航吊機(jī)進(jìn)行垂直輸送，其使用率高，工作負(fù)荷大，為保證其在使用中的安全，提升系統(tǒng)必須通過相關(guān)部門的驗(yàn)收，并在使用期間安排專門人員對抓斗、吊鉤、鋼絲繩等各部件進(jìn)行定期與不定期安全檢查，并經(jīng)常性地進(jìn)行保養(yǎng)維修，損壞嚴(yán)重的要進(jìn)行更換處理。航吊司機(jī)和信號員必須經(jīng)過訓(xùn)練才能進(jìn)入工作崗位。

（3）施工豎井規(guī)模小，井口深度大，材料全部由豎井吊裝，施工過程中的各個環(huán)節(jié)相互影響，施工組織困難。豎井比較小，也比較深，在井中的臨時生產(chǎn)設(shè)備（如上下樓梯、風(fēng)管等）比較困難。在掘進(jìn)和裝渣過程中，掘進(jìn)機(jī)的工作受到了制約，各個工序之間的相互影響很大，施工組織困難，進(jìn)度緩慢，是該項(xiàng)目的一個難題。

（4）地下管線密集，大型管線多，管線防護(hù)是該項(xiàng)目的重點(diǎn)。由于該標(biāo)段地處鬧市區(qū)，車站和部分施工區(qū)域地下管線密集，建筑物上部的重要市政管道與建筑物之間距離較近，因此，對工程的施工安全影響較大。

（5）降水施工是施工中的關(guān)鍵問題。由于該項(xiàng)目不需要用水，因此，該項(xiàng)目的關(guān)鍵是降水。為疏干隧道和隧道中的土層，進(jìn)行排水加固，有利于土方開挖，有利于改善支護(hù)結(jié)構(gòu)被動區(qū)域的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而為隧道安全提供了有利的條件。

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元軟件建立1號豎井基坑臨近建筑物三維有限元仿真模型。在三維基坑豎井模型建立方面將施工現(xiàn)場簡化成X方向長度是60 m，Y方向是60 m，Z方向是45 m；豎井基坑的尺寸是X方向10 m、Y方向15 m、Z方向30 m。周邊建筑物位置簡化到距基坑豎井10 m位置，模型在約束方面附加X、Y、Z方向底部約束位移，土體上表面不加約束。其中，土體、豎井基坑、建筑物均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，豎井內(nèi)支撐、腰梁冠梁、豎井圍護(hù)樁均用梁單元進(jìn)行模擬，建筑物筏板樁采用植入式梁單元，建筑物筏板采用板單元進(jìn)行模擬。三維模型如圖2、圖3所示。

圖2 三維有限元分析模型

圖3 基坑豎井與建筑物的相對位置

4.2 計(jì)算參數(shù)

模型共分為五層土體，各層土體的物理參數(shù)、材料計(jì)算取值如表1、表2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計(jì)算取值

4.3 模擬工序

豎井基坑分層開挖，分層支護(hù)，豎井開挖總深為30 m，分6次開挖，在開挖基坑之前需要先將周圍建筑物地上部分，地下部分進(jìn)行激活，地上部分包括25 m高的建筑物，地下部分包括地下室3 m 建筑物筏板和長14 m 的建筑物筏板樁。然后在進(jìn)行初次支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時，將圍護(hù)樁、地連墻、冠梁進(jìn)行激活，在開挖時每開挖一次進(jìn)行一次內(nèi)支撐與腰梁的建設(shè)，保證開挖一部分支護(hù)一部分，模擬過程一共分為15步。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

在車站豎井建筑物4個角進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位移沉降的檢測，對豎井的每一個施工步驟進(jìn)行檢測分析。建筑物沉降檢測節(jié)點(diǎn)的編號及具體位置，如圖4所示。

圖4 檢測節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)在各個施工過程中的地表沉云圖結(jié)果如圖5所示，施工步序圖如圖6所示。

圖5 結(jié)果云圖

圖6 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 中曲線詳細(xì)描述了建筑物4 個節(jié)點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的沉降。由圖6可知，最大沉降處出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)40 481處，達(dá)到了15.44 mm；最小建筑物沉降在節(jié)點(diǎn)40 473處，僅為3.78 mm。隨著基坑豎井的開挖，在開始階段建筑物沉降變化不大，隨著施工段的不斷進(jìn)行，建筑物沉降開始增加。本工程基坑部分采用的是鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)形式增加混凝土內(nèi)支撐等方法，建筑物下放設(shè)置有建筑物筏板樁，建筑物筏板等使其使沉降控制在一定范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

基坑豎井開挖暗挖地鐵車站前一道非常重要的施工工序，其中極其重要的一步是控制由于基坑豎井開挖引起的周邊建筑物沉降。通過Midas Gts Nx 軟件進(jìn)行了簡單的基坑豎井開挖施工模擬，可以得到以下結(jié)論。

（1）本文通過模型分析了豎井開挖過程中引起得建筑物沉降值在節(jié)點(diǎn)40 481 處最大為19.44 mm，在40 473節(jié)點(diǎn)處最小值為3.78 mm。

（2）通過有限元Midas Gts Nx模擬基坑豎井開挖過程中內(nèi)支撐，圍護(hù)樁、冠梁腰梁等支護(hù)措施得加固，有效地控制了開挖過程中引起的建筑物的沉降值。