地鐵車站蓋挖逆作法圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

胡志耀

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

與傳統(tǒng)的覆蓋挖法相比，蓋挖逆作對周圍環(huán)境影響小，可在冬季施工，節(jié)省基坑的臨時支護，簡化了基坑的施工過程，更好地適應(yīng)了熙熙攘攘的鬧市區(qū)基坑施工。這種施工方法的運用在施工工程需求中具有重要的價值運用。本文在對這種分析方法了解的基礎(chǔ)上展開實際工程的研究，并以深圳地鐵7號線中的福民站作為實際的測量對象，在分析其結(jié)構(gòu)運用的方法上通過有限元數(shù)值模擬法進行模擬，并通過數(shù)據(jù)分析的方法展開其穩(wěn)定性結(jié)果分析。

1 工程概況

1.1 場地概述

本文以深圳地鐵7號線項目中福民站為例展開研究探討，通過研究分析該地段的主要特征為路段呈現(xiàn)海相沖積平原。

1.2 地鐵車站基坑布置

深圳市軌道交通7號線貫穿富民路地下段。主站北側(cè)毗鄰知本大廈，在施工要求上需要考量其地段特征所產(chǎn)生的基坑變形，需要加強布置，有效控制。在建設(shè)的過程需要考慮布置在道路地下的線路、管道，如電力通信、水供應(yīng)管道等。地下管線平行在第7線，富民站西端與現(xiàn)有4線福民站T形換乘，盾構(gòu)東端接好。地鐵車站深基坑的總長度為204.53 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面總長度為21.1 m，采用蓋挖法施工。主基坑支護結(jié)構(gòu)采用1 000 mm寬的連續(xù)墻和內(nèi)支撐系統(tǒng)，防止基坑降水。連續(xù)墻頂部設(shè)置有1 000 mm×1 100 mm的拱梁，格構(gòu)柱是由4×200×40等角角鋼作為承重構(gòu)件組成的。在計算主體結(jié)構(gòu)時，認(rèn)為擋土樁是一種永久結(jié)構(gòu)。火車站是一個3層的地下車站。從上到下是車站樓層、設(shè)備水平和站臺水平。平臺有效寬度為123 m，有效平臺長度為140 m，采用島式平臺。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 計算模型

三維有限元模型的尺寸為78 m×340 m×60 m，基礎(chǔ)下表面完全受約束，圓周為正常約束，基礎(chǔ)上表面自由。利用B31梁單元模擬了中樁和水平支撐結(jié)構(gòu)，給出了不同的材料參數(shù)。本構(gòu)模型為線性彈性。

2.2 地連墻與土體接觸算法

7號線福民站地下連續(xù)墻與周圍土體的剛度差異較大，變形差異明顯。因此，有限元法用于分析基坑的開挖。在本文中，使用ABAQUS有限元分析軟件模擬地鐵車站基坑的施工過程，土壁之間的接觸特征和土壤表面接觸模型模擬的。接觸表面是不允許進入到另一個接觸表面或本身有限滑動接觸表面采用庫侖摩擦模型，非線性和非對稱分析是必要的。臨時格列由三維梁單元模擬，它被視為節(jié)點組，然后point-to-face接觸模型是用來模擬。

2.3 施工過程模擬

對7號線富民站蓋挖法進行了動態(tài)施工過程的數(shù)值模擬，采用逐步法和逐層拆下不同單元組的方法。地下連續(xù)墻兩側(cè)噴射注漿樁的模擬采用現(xiàn)場變量技術(shù)實時更新巖土物理力學(xué)參數(shù)，模擬加固后土體的力學(xué)特性。計算模型只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，并在計算地應(yīng)力平衡后開始模擬主基坑的施工步驟。

2.4 計算結(jié)果分析

1)主廠房竣工后車站結(jié)構(gòu)變形分析見圖1，圖2是富民車站主基坑開挖后車站地下連續(xù)墻和混凝土樓板的總位移云圖。

圖1 基坑主體完工后地下連續(xù)墻變形云圖（單位：m）

在完成車站主體結(jié)構(gòu)的施工后，地下連續(xù)墻(外壁)的總位移為3 mm～15.7 mm，主要表現(xiàn)為基坑內(nèi)部變形。最大變形位于基坑兩側(cè)的第二側(cè)和負側(cè)。這三個位置是由于基坑開挖卸載能夠承受一定的阻力和浮力。混凝土板的總位移為0 mm～21.0 mm，水平變形非常小。主要變形是垂直變形。板坯的中間部分是回彈變形，周圍是小的沉降變形。最大回彈變形位于第二層的負側(cè)。跨度的中間部分主要受挖掘卸載的影響。

2)連續(xù)墻頂位移的時空變化分析。

由于地下連續(xù)墻的自重效應(yīng)，地下連續(xù)墻的豎向位移表現(xiàn)為沉降，在中部，地面連接墻的垂直沉降達到最大值為－5.9 mm。隨著施工工程的進行降低了基坑開挖卸荷土體的自重，但整體仍有沉降。

連續(xù)墻豎向位移的空間分布是:地面連接墻長度較大的墻1和墻6側(cè)墻的豎向變形，較小的墻1、墻3、墻5和墻7側(cè)墻的豎向變形長度。空間效應(yīng)顯著。

3 基坑變形仿真計算與監(jiān)測結(jié)果對比

富民站線上建筑圍護結(jié)構(gòu)到基坑主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束期間地下連續(xù)墻的水平和垂直位移測量值與模擬值的對比曲線，墻頂?shù)乃轿灰坪痛怪蔽灰品謩e與監(jiān)測點的水平位移和垂直位移相同，分別編號為QW和QC。

全站儀開挖過程按照從上到下的開挖方法，每個監(jiān)測的水平位移點坑傾向于增加。在基坑的施工過程中，基坑的變形速率相對較高。三次的測量和計算值穩(wěn)定后的5 mm～7 mm內(nèi)的建設(shè)主體結(jié)構(gòu)的基坑。數(shù)值模擬方法的水平變形結(jié)果與測量值吻合較好。

主站結(jié)構(gòu)自上而下應(yīng)用，開挖卸荷效果明顯。在基坑開挖的關(guān)鍵步驟和層、梁、柱等混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)應(yīng)用中，地下連續(xù)墻回彈豎向變形。根據(jù)實際監(jiān)測值與計算值的比較曲線，可以看出QC1(基坑角隅)和QC5(基坑長邊)的墻頂豎向變形規(guī)律是一致的，最終沉降值穩(wěn)定在5 mm和6 mm附近。結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法對基坑開挖施工中基坑變形的預(yù)測具有一定的可信度。QC26測點位于基坑短邊中點，通過數(shù)值計算得到的墻頂沉降量大于實際監(jiān)測值。達到大約4 mm(測量值大約2 mm)，不排除由監(jiān)測點的移動引起的干擾或施工期間由干擾引起的其他測量誤差。

4 結(jié)語

綜上的實測分析與判斷，可以得出以下實際結(jié)論:

1)通過有效的測量、數(shù)據(jù)的判斷，可以看出在施工完成后，總體的位移發(fā)生了以下變化，墻基坑是3 mm～157 mm，主要由基坑的變形。由于大型地下連續(xù)墻的重量，垂直位移出現(xiàn)沉降。

2)對比有限元模擬和監(jiān)測表明，水平位移與垂直位移的計算值可以看出與施工檢測值保持一致，其數(shù)值確定在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)要求下。而在墻側(cè)位移的變化與監(jiān)測值是保持了一致，其數(shù)值反映了懸臂梁的變形狀況。通過有限數(shù)值模擬分析得出的結(jié)果與實測數(shù)值保持一致，可以得出數(shù)值計算的可信度較高。