建筑密集區蓋挖法地鐵車站基坑通道式開挖設計及數值模擬*

趙 艷，張子洋，周博成

建筑密集區蓋挖法地鐵車站基坑通道式開挖設計及數值模擬*

趙 艷1，張子洋2，周博成3

(1.天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300392；2.中鐵一局集團天津建設工程有限公司，天津 300250；3.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

施工場地狹窄、變形控制嚴格是當前市區工程施工面臨的重要難題。針對建筑密集區地鐵車站基坑開挖出土方案、地層變形及結構安全性問題開展研究，設計了適用于建筑密集區地鐵車站基坑明挖順作+蓋挖逆作組合開挖方法，其中明挖段為分層順序開挖，蓋挖段為通道式分層分段開挖。進一步，采用數值模擬的方法對蓋挖段通道式開挖施工全過程進行仿真分析，結果表明：通道式開挖法兩側留土對抑制地層變形具有較好效果，整個施工循環，結構體系處于安全狀態，地層變形能夠滿足控制要求。

地鐵車站;基坑工程;建筑密集區;開挖設計;數值分析

科學合理的基坑開挖出土技術，在加快施工進度的同時，可以有效控制基坑變形，并降低基坑開挖對周邊環境所造成的不良影響。特別是對于地層變形敏感的城市建筑密集地區，其在安全性和經濟性上，均具有明顯的優勢。

近年來，隨著我國城市軌道交通建設的持續高速發展，諸如此類問題越來越受到社會的關注，并開展了大量的研究工作。賈堅研究提出了逆作法深基坑開挖卸載變形控制方法[1]；李鏡培等人分析了某框架逆作法基坑工程對周邊環境的影響[2]；李明廣研究了逆作土方運輸效率對運營高鐵和基坑變形的影響[3]；殷昊探討了基坑逆作法及土體-支護結構變形性狀[4]；李守濤等人基于實測與數值模擬結果，開展了基坑工程逆作法施工關鍵技術研究及結構分析[5-7]。

總之，針對基坑逆作法施工出土技術、開挖變形控制等方面，已有較多成功案例和實踐經驗，但總體來說，由于地層條件、結構設計、周邊環境等差異，類似工程的施工仍然存在較多現實問題，既有技術難以照搬使用。本文依托實際工程，重點針對施工場地極為狹窄、環境變形要求十分嚴格等工程特征，針對建筑密集區地鐵車站基坑蓋挖逆作法開挖出土方案及變形控制問題開展具體研究，以期豐富本領域的研究成果，為類似工程起到參考和借鑒作用。

1 建筑密集區基坑開挖出土方案

1.1 依托工程概況

依托工程為某城市軌道交通1號線一期工程的中間站，位于商業繁華的步行街正下方，沿街一字型布置。街道路寬僅為20 m，沿街商鋪及商場臨街而建，建筑外墻距基坑圍護結構最近距離不足2 m，人流量非常大。

車站中心里程為YCK18+681.000，有效站臺長118 m，標準段寬18.7 m，總長217.4 m，總建筑面積9233 m2，為地下二層島式車站。基坑平面尺寸如圖1所示，總長度約217.4 m，標準段寬度為18.7 m，端部寬度為22.4 m。

圖1 車站基坑平面尺寸/m

1.2 基坑開挖出土方案設計

考慮本工程所處周邊環境的實際條件以及盡量減少對商鋪經營的影響，施工之初便針對該車站的開挖出土方案進行了詳細設計與論證。擬定基坑南端采用明挖順作分層開挖方式，北端采用蓋挖逆作通道式開挖出土方案。其中，明挖順作段長24.2 m，支撐的標高設計作為分層標準，蓋挖逆作段長為193.2 m，見圖1。

逆作段開挖選用分段分層方式，開挖土體以頂板、中板為分界，共分為3層。常規推進式開挖方式如圖2所示，開挖時由出土口起始朝內分段開挖并跟進地下結構施工。當選用此類開挖方式時，土方開挖工程將因主體結構的澆筑和養護而不能連續進行，導致施工效率低下。因此，有必要結合依托工程項目的實際情況，設計更有效的開挖出土方案。

圖2 一次推進式開挖

在參考文獻[8]基礎上，設計了通道式逆作施工方法，其施工流程見圖3。如圖3所示，先從一側出土口出發，挖出一條順著基坑走向的縱向通道使兩個出土口相互連通，在滿足施工設備正常工作要求的同時，盡量減少縱向通道兩側土開挖量，用以抵御基坑支護結構產生變形。

通道開挖采用挖掘機挖土和水平運輸設備運土的方式，在基坑取土口處將開挖土方提升裝車外運。通道施工完成后，從另一端開始反向分段開挖通道兩側留土，樓板和疊墻施工隨之進行。通過臨近施工面樓板預留口洞垂直運輸施工材料至作業面，這樣便可使挖土作業面和樓板疊墻施工作業面的沖突情況得到規避，從而使現場施工效率得到大幅提升。

圖3 逆作通道式開挖

2 蓋挖法通道式開挖基坑穩定性分析

為進一步分析上述設計完成的逆作段通道式開挖方案基坑穩定性及對周邊環境的變形影響，采用有限元的方法建立數值模型，模擬整個施工循環過程。

2.1 數值模型的建立

（1）斷面選取及工況劃分。鑒于車站基坑標準段的規則性以及實際依托工程所處地層特性，故選用逆作通道開挖段典型斷面進行二維數值模擬分析，支護結構剖面如圖4。開挖工序見圖5：步驟1：頂板以上土開挖→步驟2：頂板施工→步驟3：第一層土槽開挖→步驟4：第一層土開挖→步驟5：第二層土槽開挖→步驟6：第二層土開挖→步驟7：中板及中疊墻施工，頂板以上土回填→步驟8：第三層土槽開挖→步驟9：第三層土開挖→步驟10：第四層土槽開挖→步驟11：第四層土開挖→步驟12：底板及底疊墻施工。其中，各層通道的寬度控制為基坑寬度的1/3，放坡率約1:0.5。

圖4 支護結構設計/m

圖5 逆作通道式開挖/m

（2）材料參數選取。土體選用摩爾庫倫本構模型，各土層厚度及物理力學參數取值見表1。樓板、疊墻、連續墻選用梁單元模擬，具體參數見表2。

（3）臨近建筑物模擬。本模型將建筑物荷載等效為均布荷載施加在基坑兩側，根據工程現場真實環境情況，取最不利情況（5層鋼筋混凝土建筑），計算后得等效荷載取為75 kPa/m，按建筑物實際寬度取等效荷載寬度為30 m。最終，建立數值分析模型如圖6所示。

表1 土層厚度及物理參數

圖6 計算模型

2.2 地層位移分析

基坑開挖各工序地表沉降曲線見圖7，開挖完成后地層位移云圖見圖8。

分析圖7、圖8可知：

（1）開挖完成后，基坑坑外地表沉降范圍約為基坑開挖寬度的2.5倍，寬度約40 m。沉降槽形狀類似“煙斗”形，墻外5 m處為沉降最大位置，最大沉降量為1.8 mm。

（2）基坑內土體開挖后，開挖面出土體出現卸載回彈現象。

（3）開挖各層通道時均采用1:0.5坡率放坡開挖，以保證中槽寬度。計算數據表明各開挖階段，基坑內放坡面土體水平位移值均小于10 mm，此放坡率滿足基坑開挖要求。

圖7 通道式開挖墻后地表沉降

圖8 開挖完成后的土體位移

2.3 地下連續墻水平變形分析

圖9為開挖過程連續墻的水平變形，從中分析可知：

（1）頂板以上土開挖并施工頂板階段，此時基坑連續墻處于無支撐懸臂狀態，連續墻變形類似于懸臂梁結構，連續墻最大位移發生在頂部，約為5 mm。

（2）蓋挖地下一層土并施工地下一層結構階段，此時頂板施作完成，改變了連續墻無支撐懸臂狀態，其上部水平位移被有效限制，連續墻變形逐步發展為頂端穩定，深層內凸形狀，此時連續墻最大水平位移發生在中板以上約3 m位置，約為 7 mm。

（3）蓋挖地下二層土并施工地下二層結構階段，此時中板以上連續墻的變形被頂板與中板所限制，連續墻的變形發展為地下一層連續墻位移變化不大，地下二層連續墻向內凸出的情況。

（4）開挖完成后，連續墻最大水平位移發生于頂板與中板之間，約為7.5 mm，基坑底部土體為砂巖層，工程性質較好，連續墻底部約束效應顯著，無踢腳現象出現。

圖9 通道式開挖連續墻水平位移變化

2.4 圍護結構內力分析

各工況圍護結構內力計算結果表明：

（1）頂板施工至中板以上土開挖階段，頂板軸力隨開挖進程逐漸增大，當中板以上土開挖完成時，頂板軸力達到最大值?350 kN；施工中板至底板以上土開挖完成階段，頂板軸力變化較小，中板軸力隨開挖進程逐步增加，底板以上土開挖完成時，中板軸力達到最大值?550 kN，此時頂板軸力值為?360 kN。

（2）頂板與連續墻交接部在整個開挖過程中一直是彎矩最大值處，最大彎矩值約為1990 kN·m，且中板以下階段內變化值較小；頂板彎矩明顯大于中板彎矩，是蓋挖法施工基坑，頂板受回填土荷載的原因。

3 結 論

（1）結合實際工程環境特征，設計了適用于建筑密集區地鐵車站基坑明挖順作+蓋挖段逆作組合開挖方法，其中明挖段為分層順序開挖，蓋挖段為通道式分層分段開挖。工程實踐表明，該開挖出土方案較好地解決了依托工程存在施工場地極為狹窄、周邊環境變形控制嚴格的難題。

（2）數值模擬分析表明，通道式開挖兩側留土對抑制地層變形具有較好效果，整個施工循環，地下連續墻最大水平位移為7.5 mm，地表沉降值為1.8 mm，滿足該基坑工程變形控制要求，且結構體系處于安全狀態。

[1] 賈 堅.逆作開挖深基坑控制卸載變形的方法與實踐[J].巖土工程學報,2007,29(2):304-308.

[2] 李鏡培,柏 挺,楊 軍.框架逆作超大基坑施工對周邊環境的影響[J].巖石力學與工程學報,2012,31(11):2354-2362.

[3] 李明廣,徐安軍, 董 鋒,等.逆作土方運輸效率對運營高鐵和基坑變形的影響[J].巖土工程學報,2012, 4(S):134-138.

[4] 殷 昊.基坑逆作法及土體?支護結構變形性狀研究[D].北京:中國地質大學(北京),2011.

[5] 李守濤.逆作法施工關鍵技術與施工動態模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007.

[6] 謝小松.大型深基坑逆作法施工關鍵技術研究及結構分析[D].上海: 同濟大學,2007.

[7] 齊如明.逆作法施工技術的設計與實踐[D].長春:吉林大學,2006.

[8] 徐安軍.逆作法通道式土方開挖工藝及其應用[J].上海交通大學學報,2012,46(10):1558-1562.

(2018-12-05)

趙 艷(1973—), 女, 高級工程師, 主要從事工程管理工作,Email:953897231@qq.com。

周博成，男，碩士研究生,研究方向為巖土工程，Email:786493781@qq. com。

湖南省自然科學基金項目(2018JJ3657); 江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ171292).