葉滔

(中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧 沈陽 110000)

在我國基礎(chǔ)建設(shè)中，城市軌道交通建設(shè)取得了很大的成果[1-2]。但是地鐵車站修建一直受路面道路交通、地下基礎(chǔ)及地下管線的影響，施工難度大。洞樁法（Pile-Beam-Arch method，PBA）依靠著施工靈活、路面圍護(hù)占用范圍小、能有效減小對地面沉降的影響等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵車站的修建。豎井開挖是整個施工階段的首個施工階段，由于地下管線密集、臨近建筑物較多。豎井開挖對臨近建筑物產(chǎn)生了直接的影響。因此，在地鐵車站豎井開挖施工過程中如何保證既有建筑物的安全是穿越施工成功與否的關(guān)鍵。因此對暗挖地鐵車站豎井對臨近建筑物的影響進(jìn)行分析是很有必要的。張偉[3]以北京暗挖地鐵車站為工程背景，通過數(shù)值模擬分析了設(shè)置隔離樁、不設(shè)置隔離樁、加大土體超前加固3種工況，研究表明：隔離樁可以限制樁后土體變形并能有效隔斷施工引起的應(yīng)力傳播。王國林等人[4]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。馬小超[5]以北京地鐵區(qū)間為工程背景，討論了洞內(nèi)雙排小導(dǎo)管施工方案，并對控制建筑物提出了相應(yīng)的控制措施。劉松弛[6]以實(shí)際工程為例，研究分析了地鐵施工對臨近建筑物的影響，并闡述了具體施工技術(shù)控制要點(diǎn)。陳卓友[7]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，對基坑開挖對臨近建筑的影響展開了研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

三好街站為地鐵三號線的第二十座車站，前一站為方形廣場站，后一站為工業(yè)展覽館站。車站所在路口西北象限為盛京醫(yī)院，西南象限金科大廈，東南象限南湖科技大廈，東北象限五金工具市場。

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)。本車站為暗挖島式站臺車站，有效站臺寬度為14 m，車站主體為地下兩層三跨框架結(jié)構(gòu)，車站總長為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。本站共設(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。車站平面圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告和有關(guān)因素，對該站進(jìn)行了分析。巖性的劃分主要考慮成因、時代和巖性。車站施工范圍內(nèi)自上而下依次雜填土、中粗砂、圓礫、礫砂-1、礫砂-2。

2 鋼支撐施工

2.1 支撐體系設(shè)計(jì)參數(shù)

在豎井基礎(chǔ)上，豎向設(shè)置了7 個支承，除1 個支座為鋼筋混凝土支承外，其他6個支座均為A609（t=16）。鋼管支撐的預(yù)應(yīng)力為：鋼圍梁的預(yù)應(yīng)力為2 個I45C 組合鋼，鋼圍梁和樁間的空隙用灰泥抹平，從而達(dá)到緊密接觸的目的。

2.2 安裝原則

在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循“隨挖隨撐”的原則，對無支護(hù)裸露時間進(jìn)行控制。鋼架必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，并定期對其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的檢測，并對其進(jìn)行復(fù)加。

2.3 鋼支撐制作

鋼制支架采用室外加工。在施工前，應(yīng)在最短時間內(nèi)，完成鋼筋支架的試樣和加工，為基礎(chǔ)工程的開挖創(chuàng)造良好的環(huán)境。

鋼支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是由固定端、活動端和多節(jié)不同長度的鋼管組成，由法蘭螺栓固定。鋼管按現(xiàn)場要求分節(jié)加工，現(xiàn)場組裝。

2.4 安裝工藝流程

按照土方施工的需要，預(yù)先準(zhǔn)備好支撐鋼管和輔助設(shè)備。每個支架都緊靠開挖面，挖邊撐。

在豎井開挖到設(shè)計(jì)基標(biāo)高度的500 mm處，應(yīng)立即將樁間網(wǎng)噴平整，再進(jìn)行鋼圍梁支承。鋼支架由航吊吊起，2個100 t的水力千斤頂在鋼支架上加載，然后用鋼楔將其緊固。千斤頂應(yīng)配有壓力計(jì)，在使用之前要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，兩個裝置的頂力應(yīng)同時作用，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再將鋼楔塞入，以拆卸千斤頂。安裝完畢后，對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行定期監(jiān)測，并適時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)。安裝工藝流程圖見圖2。

圖2 安裝工藝流程圖

3 有限元分析

3.1 模型的建立與本構(gòu)關(guān)系的選擇

通過有限元模擬軟件Midas GTS NX 建立工程模型，模擬豎井開挖及支護(hù)過程對臨近建筑的影響并進(jìn)行分析，本文模型尺寸X方向尺寸為100 m、Y方向尺寸為100 m、Z軸方向上尺寸為80 m。下表面與地下土體相連接，為了保持土體更貼合實(shí)際土體特性，選擇固定約束，在模型面的四面采用法向約束，為了保持模型更貼合實(shí)際，模型上表面為自由邊界。土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，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

3.2 施工工況的模擬

本豎井開挖深度為30 m，將模型開挖支護(hù)共分為12個施工工序，首先做好圍護(hù)樁、冠梁支護(hù)施工模擬，在支護(hù)完成后開始豎井第一段開挖并及時進(jìn)行支護(hù)，直至豎井開挖完成，保證豎井在開挖過程中的安全。

4 數(shù)值分析結(jié)果

4.1 豎井內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

通過數(shù)值模擬分析，提取了內(nèi)支撐上節(jié)點(diǎn)單元在各個施工段的彎矩值，其彎矩值的變化情況，如圖3所示。

圖3 內(nèi)支撐彎矩值變化圖

隨著施工段的進(jìn)行，內(nèi)支撐的數(shù)量從內(nèi)支撐1 增加到內(nèi)支撐5，從圖3可以看出在內(nèi)支撐2彎矩值最大約為9 kN·m，內(nèi)支撐5彎矩值最小約為0.002 7 kN·m，隨著各施工段進(jìn)行，內(nèi)支撐彎矩一直在增加，當(dāng)內(nèi)支撐2 支護(hù)時，彎矩值增加緩慢，隨之內(nèi)支撐的支護(hù)增加，其支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值斜率變小，彎矩值增加緩慢，從中可以得出：隨著內(nèi)支撐的增加，能夠有效減少內(nèi)支撐的彎矩值。因此，在一定開挖深度范圍內(nèi)，適當(dāng)增加內(nèi)支撐，可以有效控制豎井開挖變形。

通過數(shù)值模擬分析，提取了內(nèi)支撐上節(jié)點(diǎn)單元在各個施工段的軸力值，其軸力值在各個施工段的變化情況，如圖4所示。

圖4 內(nèi)支撐軸力值變化圖

如圖4 所示，內(nèi)支撐軸力隨著各施工段的進(jìn)行不斷增加，軸力為負(fù)數(shù)，內(nèi)支撐被周圍土體擠壓，產(chǎn)生向內(nèi)的壓力。內(nèi)支撐5的軸力最小，內(nèi)支撐4的軸力最大約為260 kN，施工段初期，內(nèi)支撐受到側(cè)向土壓力一直增大，隨著內(nèi)支撐支護(hù)個數(shù)的增加，所受壓力逐漸趨于穩(wěn)定，在內(nèi)支撐4處產(chǎn)生的壓力最大，說明靠在豎井開挖一定距離時，側(cè)向土壓力達(dá)到最大，也是豎井開挖支護(hù)最需要注意的地方。

4.2 建筑物地層水平位移分析

通過對建筑物地層進(jìn)行水平位移監(jiān)測，繪制圖5所示的建筑物地表水平位移歷時曲線圖。

圖5 建筑物水平位移圖

從圖5 中可以看出，在豎井開挖過程中水平位移一直在增大，在豎井開挖并支護(hù)完成后，建筑物水平位移變化緩慢，水平位移最大不超過10 mm，當(dāng)豎井開挖一定深度時，豎井側(cè)壁壓力失去平衡，導(dǎo)致外側(cè)土體壓力大于豎井內(nèi)側(cè)壓力，外側(cè)土體向坑內(nèi)移動，從而導(dǎo)致建筑物地層產(chǎn)生附加位移。所以，在豎井施工過程中要先對土體進(jìn)行預(yù)加固，在開挖一段距離后做好內(nèi)支撐，是減小豎井內(nèi)外壓力平衡時控制臨近建筑地層產(chǎn)生較大水平位移的關(guān)鍵。

豎井對周邊土體產(chǎn)生很小的影響。在豎井開挖并支護(hù)完成后，豎井開挖會對豎井周邊臨近建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，降低建筑物地基承載力，從而導(dǎo)致建筑物地表沉降增大，并且可能導(dǎo)致建筑物墻體開裂。因此，豎井在開挖時，要先對豎井進(jìn)行預(yù)加固，并在開挖一定深度后立即進(jìn)行支護(hù)，減少開挖對臨近建筑造成的影響，以保證臨近建筑物地表沉降在一定安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文以沈陽地鐵三號線三好街站為工程背景，結(jié)合有限元分析軟件Midas Gts NX對豎井開挖對臨近建筑物的影響進(jìn)行模擬分析，得到如下結(jié)論。

（1）豎井開挖過程中對臨近建筑地層造成水平位移最大約為9 mm，支護(hù)能有效控制臨近地層水平位移，是控制建筑物地層水平位移的關(guān)鍵。（2）隨著內(nèi)支撐的增加，能夠有效減少內(nèi)支撐的彎矩值。在一定開挖深度范圍內(nèi)，適當(dāng)增加內(nèi)支撐，可以有效控制豎井開挖變形。（3）豎井內(nèi)支撐1 和內(nèi)支撐2 處產(chǎn)生的彎矩較大、內(nèi)支撐4處側(cè)向土壓力最大，是豎井開挖支護(hù)最需要注意的地方。