明挖法和局部盖挖顺作法地铁车站施工影响分析

蔡毅飞，郭欣

（合肥城市轨道交通有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引 言

在地铁施工的过程中，基坑的开挖深度深，对周边的环境影响大，如何在保证施工的安全性的前提下，降低对周围环境的影响，是施工中的一个重要问题[1]。目前，基坑开挖主要监测的对象有围护结构的侧移、地表沉降、内支撑的轴力变化等[2-4]。基坑开挖引起围护结构的内力和变形问题可以应用杆系有限元法得到实用性解决[5-6]。在地铁深基坑施工中，主要有明挖法、盖挖法和矿山法。在实际施工中，施工方法一般会随着现场环境的变化而不断改变，确保对周边环境、附近居民的影响减小到最小。以合肥地铁一号线为例，在明光路站施工中，为了减少对地面交通的影响，在明光路桥段施工中采用盖挖顺做法，其他部分采用明挖法。为确保施工方案的安全可行性，本文利用迈达斯软件对车站的施工过程进行模拟分析，并计算出地连墙水平位移、地表沉降位移及围护结构所受荷载值，通过对结果进行比较分析，来控制相关因素，从而达到保证工程质量和安全、节约成本和工期的目标。

1 工程概况

明光路车站位于胜利路与明光路交口处，沿胜利路南北向布置，下穿东西方向待建的明光路下穿桥。车站里程起始于K6+179.787，终止于K6+448.697，总长268.91m。车站基坑标准段宽23.2m，顶板覆土约0.8～4.4m,标准段底板埋深约22.8m。车站主体基坑距离周边建筑物较远，东南角为合肥市长安驾校、合肥长途客运站、金色梧桐30层商住楼及一些低矮商铺和住宅，东北角为低、多层商铺和住宅，西北角为合肥市邮政速递局等低、多层建筑，车站北侧为即将拆除的老淮南铁路。拟建场地地形较为平坦，微地貌单元属于南淝河一级阶地。

车站原设计采用明挖顺做法施工，即开挖至基坑底后顺作车站底、中、顶板及侧墙和其他结构，围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护方式，内支撑为第一道钢筋混凝土支撑+四道钢支撑。为减小对路面交通的影响，对明光路桥段部分采用盖挖法施工，即为第一道混凝土支撑后即架设部分明光路下穿桥梁体，同时施作架设部分梁体的结构层，恢复部分路面交通，然后在依次施工下部结构。

土层物理力学参数 表1

2 数值计算

2.1 计算参数的选取

根据施工勘察报告，将土层做了相应简化，划分的土层及各层土体的力学计算参数见表1所示。地下连续墙为C35混凝土，用线弹性梁单元模拟计算，根据经验将弹性模量E取为30GPa，泊松比取0.20，重度为25kN/m3；各支撑采用线弹性桁架单元模拟，弹性模量E取200GPa，泊松比0.30。结构所受恒荷载为自重与土压力，活荷载为地面超载，取20kPa，为模拟方便，将桥面车辆动荷载及施工荷载简化为均布荷载，其值取为45kPa。

2.2 计算模型的建立

基坑标准段宽为23.2m，深为21.8m，地下连续墙深取34.8 m，第1道混凝土支撑距地面为2.3m，第2道钢支撑距第1道混凝土支撑为3.5m，第3道钢支撑距第2道钢支撑为4.75m，第4道钢支撑距第3道钢支撑为4.2m，第5道钢支撑距第4道钢支撑为3.53m。深基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素。为满足计算精度的要求，取模型的宽度为183m，深度为96m，长度为338m，如图所示的三维模型。节点数为208330个，单元数为211811个。土体采用实体单元进行模拟，冠梁，角撑和钢筋混凝土支撑采用梁单元模拟，钢支撑采用桁架单元进行模拟，地连墙采用二维板单元进行模拟。模型上表面为自由边界，下表面由于位于岩石层取为固定边界。模型其他四个侧面仅限制法线方向的位移。

图1 数值模型及网格划分

图2 围护结构模型图

2.3 开挖步骤

工况一：开挖前的初始应力分析及位移清零。

工况二：浇筑地连墙。

工况三：开挖第一层土在桩顶标高以下2.8m(第1道混凝土支撑距地面为2.3m,为了方便支撑的施工，向下加挖0.5m)，施做冠梁及第一道混凝土支撑，在明光路桥段施工T梁桥，恢复路面交通。

工况四：开挖第二层土至桩顶标高以下6m，在桩顶标高以下5.5m处施做第二道钢支撑。

工况五：开挖第三层土至桩顶标高以下12.25m，在桩顶标高以下11.75m处施做第三道钢支撑。

工况六：开挖第四层土至桩顶标高以下16.45m，在桩顶标高以下15.95m处施做第四道钢支撑。

工况七：开挖第五层土至桩顶标高以下19.98m，在桩顶标高以下19.48m处施做第五道钢支撑。

工况八：开挖至坑底，即桩顶标高以下22.8m。

2.4 计算结果的分析

2.4.1 地连墙侧移分析

地连墙的作用主要是抵抗基坑开挖卸荷导致墙背侧土体向坑内滑动，从而保证基坑开挖的安全。基坑开挖过程后，土体的应力状态发生改变，围护墙受力开始产生变形，当基坑内侧卸去原有的土压力时，墙外侧受到主动土压力，在坑底的墙内侧受到部分被动土压力[7]。

选取基坑中部（明光路桥段）断面位置，做出地连墙的侧移图。

图3 盖挖段地连墙侧移曲线

选取基坑长度1/3的位置（明挖法段）做出地连墙侧移图。

随着开挖深度的加深，地连墙的侧移值不断的增大，并且侧移最大值随着开挖深度的加深而加深，在开挖到坑底时，侧移值达到最大，并且开挖变化趋势都呈现出中间大两头小的弓型曲线。数值模拟最大侧移发生在坑深15m附近，在基坑中部盖挖段，最大侧移值达到19.46mm，仅为开挖深度的0.089%；在基坑的1/3部位明挖段，最大侧移发生在坑深14.5m附近，达18.77mm，仅为开挖深度的0.086%，远小于规范规定的0.3%H（H为开挖深度），并且基坑中部的地连墙侧移值要大于基坑断面1/3部位的地连墙侧移值。

图4 明挖段地连墙侧移曲线

取端头井中部地连墙侧移值如下图所示。

图5 端头井中部地连墙侧移曲线

由上图可知，端头井部位地连墙的侧移变化趋势仍为中间大两头小的弓型曲线，但最大侧移值仅为2.62mm，远小于基坑中部地连墙的侧移值，一方面因为端头井部位的角撑布置密集，对地连墙的变形起到了很好的抑制作用；另一方面因为施工过程中，端头井部位受到的外部荷载比较少，所以对地连墙的影响较小。

2.4.2 地表沉降分析

基坑开挖过程中，地连墙受力产生变形，使得基坑外围土体的原始应力状态改变而引起地层移动，使得地面发生沉降。对周围地表做好沉降监测，保证周围建构筑物的安全，是施工中必不可少的内容。在所选的计算断面上，每隔5m布置一个地表沉降监测点，在施工的同时进行现场监测。

选取基坑中部（明光路桥段）的位置，提取地表沉降的结果，做出地表沉降与坑边距离的关系曲线，如图6所示，由图可知：地表沉降的最大位置不是发生在坑边，而是距离基坑15m左右的地方，并且呈现出抛物线的变化趋势，随着施工的不断推进，地表的沉降数值不断增加，在工况8时达到最大，最大值为16.59mm。

选取基坑长度1/3的位置（明挖法段）做出地表沉降与坑边距离的关系曲线：此时地表沉降的最大位置发生在距离坑边20m左右的位置，在工况8，地表沉降达到最大值，为15mm。

由图6和图7可知，采用盖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，而且采用盖挖段最大沉降的位置要小于采用明挖段的位置，原因是采用盖挖断受到的行车荷载比较大的缘故，但明挖段和盖挖段的沉降变化曲线大致相同，都是呈现出两边小中间大的抛物线形式。

图6 盖挖法地表沉降图

在软土地区，根据地层损失法，估算地表最大沉降量为基坑围护结构最大侧移值的0.7倍左右。在本工程中，围护结构的最大侧移值为19.46mm，而地表最大沉降值为16.59mm，这与软土地区的经验值有较大的差距，说明在软土地区的经验并不适合合肥的土质。

3 结 论

本文对合肥地铁一号线明光路站施工过程进行了分析，施工采用明挖法和盖挖法相结合的施工方法，得出了以下结论。

①随着开挖深度的加深，地连墙的侧移值不断的增大，并且侧移最大值随着开挖深度的加深而加深，并且开挖变化趋势呈现出中间大两头小的弓型曲线。最大侧移值都发生在基坑深度的2/3处附近，端头井部位地连墙的侧移值远小于基坑其他部位的地连墙侧移值。盖挖段最大侧移值为19.46mm，明挖段最大侧移值为18.77mm。

②地表沉降的最大值不是发生在坑壁周围，盖挖段的最大沉降发生在距坑壁15m附近，明挖段的最大沉降发生在距坑壁20m附近。采用盖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，明挖段和盖挖段的沉降变化曲线大致相同，都是呈现出两边小中间大的抛物线形式。

图7 明挖法地表沉降图

[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1997．

[2]杨有海,王建军,武进广,等.杭州地铁秋涛路车站深基坑信息化施工监测分析[J].岩土工程学报，2008(10)．

[3]王绍君,刘宗仁,陶夏新.浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析[J].土木工程学报，2007(6)．

[4]杨敏，卢俊义.上海地区深基坑周围地面沉降特点及预测研究[J].同济大学学报(自然科学版),2010(2).

[5]肖武权,冷伍明,律文田.某深基坑支护结构内力与变形研究[J].岩土力学，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.武汉地铁深基坑围护结构钢支撑轴力研究[J].地下空间与工程学报,2013(6).