蔡毅飛，郭欣

（合肥城市軌道交通有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引 言

在地鐵施工的過(guò)程中，基坑的開(kāi)挖深度深，對(duì)周邊的環(huán)境影響大，如何在保證施工的安全性的前提下，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，是施工中的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。目前，基坑開(kāi)挖主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移、地表沉降、內(nèi)支撐的軸力變化等[2-4]。基坑開(kāi)挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形問(wèn)題可以應(yīng)用桿系有限元法得到實(shí)用性解決[5-6]。在地鐵深基坑施工中，主要有明挖法、蓋挖法和礦山法。在實(shí)際施工中，施工方法一般會(huì)隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化而不斷改變，確保對(duì)周邊環(huán)境、附近居民的影響減小到最小。以合肥地鐵一號(hào)線為例，在明光路站施工中，為了減少對(duì)地面交通的影響，在明光路橋段施工中采用蓋挖順做法，其他部分采用明挖法。為確保施工方案的安全可行性，本文利用邁達(dá)斯軟件對(duì)車站的施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并計(jì)算出地連墻水平位移、地表沉降位移及圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載值，通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，來(lái)控制相關(guān)因素，從而達(dá)到保證工程質(zhì)量和安全、節(jié)約成本和工期的目標(biāo)。

1 工程概況

明光路車站位于勝利路與明光路交口處，沿勝利路南北向布置，下穿東西方向待建的明光路下穿橋。車站里程起始于K6+179.787，終止于K6+448.697，總長(zhǎng)268.91m。車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬23.2m，頂板覆土約0.8～4.4m,標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約22.8m。車站主體基坑距離周邊建筑物較遠(yuǎn)，東南角為合肥市長(zhǎng)安駕校、合肥長(zhǎng)途客運(yùn)站、金色梧桐30層商住樓及一些低矮商鋪和住宅，東北角為低、多層商鋪和住宅，西北角為合肥市郵政速遞局等低、多層建筑，車站北側(cè)為即將拆除的老淮南鐵路。擬建場(chǎng)地地形較為平坦，微地貌單元屬于南淝河一級(jí)階地。

車站原設(shè)計(jì)采用明挖順做法施工，即開(kāi)挖至基坑底后順作車站底、中、頂板及側(cè)墻和其他結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)方式，內(nèi)支撐為第一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼支撐。為減小對(duì)路面交通的影響，對(duì)明光路橋段部分采用蓋挖法施工，即為第一道混凝土支撐后即架設(shè)部分明光路下穿橋梁體，同時(shí)施作架設(shè)部分梁體的結(jié)構(gòu)層，恢復(fù)部分路面交通，然后在依次施工下部結(jié)構(gòu)。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)施工勘察報(bào)告，將土層做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，劃分的土層及各層土體的力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1所示。地下連續(xù)墻為C35混凝土，用線彈性梁?jiǎn)卧M計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將彈性模量E取為30GPa，泊松比取0.20，重度為25kN/m3；各支撐采用線彈性桁架單元模擬，彈性模量E取200GPa，泊松比0.30。結(jié)構(gòu)所受恒荷載為自重與土壓力，活荷載為地面超載，取20kPa，為模擬方便，將橋面車輛動(dòng)荷載及施工荷載簡(jiǎn)化為均布荷載，其值取為45kPa。

2.2 計(jì)算模型的建立

基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.2m，深為21.8m，地下連續(xù)墻深取34.8 m，第1道混凝土支撐距地面為2.3m，第2道鋼支撐距第1道混凝土支撐為3.5m，第3道鋼支撐距第2道鋼支撐為4.75m，第4道鋼支撐距第3道鋼支撐為4.2m，第5道鋼支撐距第4道鋼支撐為3.53m。深基坑開(kāi)挖的影響范圍取決于基坑開(kāi)挖的平面形狀、開(kāi)挖深度和土質(zhì)條件等因素。為滿足計(jì)算精度的要求，取模型的寬度為183m，深度為96m，長(zhǎng)度為338m，如圖所示的三維模型。節(jié)點(diǎn)數(shù)為208330個(gè)，單元數(shù)為211811個(gè)。土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，冠梁，角撐和鋼筋混凝土支撐采用梁?jiǎn)卧M，鋼支撐采用桁架單元進(jìn)行模擬，地連墻采用二維板單元進(jìn)行模擬。模型上表面為自由邊界，下表面由于位于巖石層取為固定邊界。模型其他四個(gè)側(cè)面僅限制法線方向的位移。

圖1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

2.3 開(kāi)挖步驟

工況一：開(kāi)挖前的初始應(yīng)力分析及位移清零。

工況二：澆筑地連墻。

工況三：開(kāi)挖第一層土在樁頂標(biāo)高以下2.8m(第1道混凝土支撐距地面為2.3m,為了方便支撐的施工，向下加挖0.5m)，施做冠梁及第一道混凝土支撐，在明光路橋段施工T梁橋，恢復(fù)路面交通。

工況四：開(kāi)挖第二層土至樁頂標(biāo)高以下6m，在樁頂標(biāo)高以下5.5m處施做第二道鋼支撐。

工況五：開(kāi)挖第三層土至樁頂標(biāo)高以下12.25m，在樁頂標(biāo)高以下11.75m處施做第三道鋼支撐。

工況六：開(kāi)挖第四層土至樁頂標(biāo)高以下16.45m，在樁頂標(biāo)高以下15.95m處施做第四道鋼支撐。

工況七：開(kāi)挖第五層土至樁頂標(biāo)高以下19.98m，在樁頂標(biāo)高以下19.48m處施做第五道鋼支撐。

工況八：開(kāi)挖至坑底，即樁頂標(biāo)高以下22.8m。

2.4 計(jì)算結(jié)果的分析

2.4.1 地連墻側(cè)移分析

地連墻的作用主要是抵抗基坑開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致墻背側(cè)土體向坑內(nèi)滑動(dòng)，從而保證基坑開(kāi)挖的安全。基坑開(kāi)挖過(guò)程后，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍護(hù)墻受力開(kāi)始產(chǎn)生變形，當(dāng)基坑內(nèi)側(cè)卸去原有的土壓力時(shí)，墻外側(cè)受到主動(dòng)土壓力，在坑底的墻內(nèi)側(cè)受到部分被動(dòng)土壓力[7]。

選取基坑中部（明光路橋段）斷面位置，做出地連墻的側(cè)移圖。

圖3 蓋挖段地連墻側(cè)移曲線

選取基坑長(zhǎng)度1/3的位置（明挖法段）做出地連墻側(cè)移圖。

隨著開(kāi)挖深度的加深，地連墻的側(cè)移值不斷的增大，并且側(cè)移最大值隨著開(kāi)挖深度的加深而加深，在開(kāi)挖到坑底時(shí)，側(cè)移值達(dá)到最大，并且開(kāi)挖變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)出中間大兩頭小的弓型曲線。數(shù)值模擬最大側(cè)移發(fā)生在坑深15m附近，在基坑中部蓋挖段，最大側(cè)移值達(dá)到19.46mm，僅為開(kāi)挖深度的0.089%；在基坑的1/3部位明挖段，最大側(cè)移發(fā)生在坑深14.5m附近，達(dá)18.77mm，僅為開(kāi)挖深度的0.086%，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的0.3%H（H為開(kāi)挖深度），并且基坑中部的地連墻側(cè)移值要大于基坑斷面1/3部位的地連墻側(cè)移值。

圖4 明挖段地連墻側(cè)移曲線

取端頭井中部地連墻側(cè)移值如下圖所示。

圖5 端頭井中部地連墻側(cè)移曲線

由上圖可知，端頭井部位地連墻的側(cè)移變化趨勢(shì)仍為中間大兩頭小的弓型曲線，但最大側(cè)移值僅為2.62mm，遠(yuǎn)小于基坑中部地連墻的側(cè)移值，一方面因?yàn)槎祟^井部位的角撐布置密集，對(duì)地連墻的變形起到了很好的抑制作用；另一方面因?yàn)槭┕み^(guò)程中，端頭井部位受到的外部荷載比較少，所以對(duì)地連墻的影響較小。

2.4.2 地表沉降分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地連墻受力產(chǎn)生變形，使得基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)改變而引起地層移動(dòng)，使得地面發(fā)生沉降。對(duì)周圍地表做好沉降監(jiān)測(cè)，保證周圍建構(gòu)筑物的安全，是施工中必不可少的內(nèi)容。在所選的計(jì)算斷面上，每隔5m布置一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在施工的同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

選取基坑中部（明光路橋段）的位置，提取地表沉降的結(jié)果，做出地表沉降與坑邊距離的關(guān)系曲線，如圖6所示，由圖可知：地表沉降的最大位置不是發(fā)生在坑邊，而是距離基坑15m左右的地方，并且呈現(xiàn)出拋物線的變化趨勢(shì)，隨著施工的不斷推進(jìn)，地表的沉降數(shù)值不斷增加，在工況8時(shí)達(dá)到最大，最大值為16.59mm。

選取基坑長(zhǎng)度1/3的位置（明挖法段）做出地表沉降與坑邊距離的關(guān)系曲線：此時(shí)地表沉降的最大位置發(fā)生在距離坑邊20m左右的位置，在工況8，地表沉降達(dá)到最大值，為15mm。

由圖6和圖7可知，采用蓋挖法段的地表沉降的最大值比采用明挖段沉降的最大值大，而且采用蓋挖段最大沉降的位置要小于采用明挖段的位置，原因是采用蓋挖斷受到的行車荷載比較大的緣故，但明挖段和蓋挖段的沉降變化曲線大致相同，都是呈現(xiàn)出兩邊小中間大的拋物線形式。

圖6 蓋挖法地表沉降圖

在軟土地區(qū)，根據(jù)地層損失法，估算地表最大沉降量為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值的0.7倍左右。在本工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值為19.46mm，而地表最大沉降值為16.59mm，這與軟土地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值有較大的差距，說(shuō)明在軟土地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)并不適合合肥的土質(zhì)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)合肥地鐵一號(hào)線明光路站施工過(guò)程進(jìn)行了分析，施工采用明挖法和蓋挖法相結(jié)合的施工方法，得出了以下結(jié)論。

①隨著開(kāi)挖深度的加深，地連墻的側(cè)移值不斷的增大，并且側(cè)移最大值隨著開(kāi)挖深度的加深而加深，并且開(kāi)挖變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出中間大兩頭小的弓型曲線。最大側(cè)移值都發(fā)生在基坑深度的2/3處附近，端頭井部位地連墻的側(cè)移值遠(yuǎn)小于基坑其他部位的地連墻側(cè)移值。蓋挖段最大側(cè)移值為19.46mm，明挖段最大側(cè)移值為18.77mm。

②地表沉降的最大值不是發(fā)生在坑壁周圍，蓋挖段的最大沉降發(fā)生在距坑壁15m附近，明挖段的最大沉降發(fā)生在距坑壁20m附近。采用蓋挖法段的地表沉降的最大值比采用明挖段沉降的最大值大1.59mm，明挖段和蓋挖段的沉降變化曲線大致相同，都是呈現(xiàn)出兩邊小中間大的拋物線形式。

圖7 明挖法地表沉降圖

[1]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997．

[2]楊有海,王建軍,武進(jìn)廣,等.杭州地鐵秋濤路車站深基坑信息化施工監(jiān)測(cè)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008(10)．

[3]王紹君,劉宗仁,陶夏新.淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007(6)．

[4]楊敏，盧俊義.上海地區(qū)深基坑周圍地面沉降特點(diǎn)及預(yù)測(cè)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(2).

[5]肖武權(quán),冷伍明,律文田.某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究[J].巖土力學(xué)，2004(8)．

[6]DIAOYu,ZHENGGang.Numericalanalysisofeffectof friction between diaphragm wall and soil on braced excavation[J].Journal of Central South University of Technology,2008(S2).

[7]Milligen G W E.Soil deformation near anchored sheet pile walls[J].Geotechnique,1983(1).

[8]郭利娜,胡斌,李方成,等.武漢地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐軸力研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013(6).