建筑密集区盖挖法地铁车站基坑通道式开挖设计及数值模拟*

赵 艳，张子洋，周博成

建筑密集区盖挖法地铁车站基坑通道式开挖设计及数值模拟*

赵 艳1，张子洋2，周博成3

(1.天津市地下铁道集团有限公司，天津 300392；2.中铁一局集团天津建设工程有限公司，天津 300250；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

施工场地狭窄、变形控制严格是当前市区工程施工面临的重要难题。针对建筑密集区地铁车站基坑开挖出土方案、地层变形及结构安全性问题开展研究，设计了适用于建筑密集区地铁车站基坑明挖顺作+盖挖逆作组合开挖方法，其中明挖段为分层顺序开挖，盖挖段为通道式分层分段开挖。进一步，采用数值模拟的方法对盖挖段通道式开挖施工全过程进行仿真分析，结果表明：通道式开挖法两侧留土对抑制地层变形具有较好效果，整个施工循环，结构体系处于安全状态，地层变形能够满足控制要求。

地铁车站;基坑工程;建筑密集区;开挖设计;数值分析

科学合理的基坑开挖出土技术，在加快施工进度的同时，可以有效控制基坑变形，并降低基坑开挖对周边环境所造成的不良影响。特别是对于地层变形敏感的城市建筑密集地区，其在安全性和经济性上，均具有明显的优势。

近年来，随着我国城市轨道交通建设的持续高速发展，诸如此类问题越来越受到社会的关注，并开展了大量的研究工作。贾坚研究提出了逆作法深基坑开挖卸载变形控制方法[1]；李镜培等人分析了某框架逆作法基坑工程对周边环境的影响[2]；李明广研究了逆作土方运输效率对运营高铁和基坑变形的影响[3]；殷昊探讨了基坑逆作法及土体-支护结构变形性状[4]；李守涛等人基于实测与数值模拟结果，开展了基坑工程逆作法施工关键技术研究及结构分析[5-7]。

总之，针对基坑逆作法施工出土技术、开挖变形控制等方面，已有较多成功案例和实践经验，但总体来说，由于地层条件、结构设计、周边环境等差异，类似工程的施工仍然存在较多现实问题，既有技术难以照搬使用。本文依托实际工程，重点针对施工场地极为狭窄、环境变形要求十分严格等工程特征，针对建筑密集区地铁车站基坑盖挖逆作法开挖出土方案及变形控制问题开展具体研究，以期丰富本领域的研究成果，为类似工程起到参考和借鉴作用。

1 建筑密集区基坑开挖出土方案

1.1 依托工程概况

依托工程为某城市轨道交通1号线一期工程的中间站，位于商业繁华的步行街正下方，沿街一字型布置。街道路宽仅为20 m，沿街商铺及商场临街而建，建筑外墙距基坑围护结构最近距离不足2 m，人流量非常大。

车站中心里程为YCK18+681.000，有效站台长118 m，标准段宽18.7 m，总长217.4 m，总建筑面积9233 m2，为地下二层岛式车站。基坑平面尺寸如图1所示，总长度约217.4 m，标准段宽度为18.7 m，端部宽度为22.4 m。

图1 车站基坑平面尺寸/m

1.2 基坑开挖出土方案设计

考虑本工程所处周边环境的实际条件以及尽量减少对商铺经营的影响，施工之初便针对该车站的开挖出土方案进行了详细设计与论证。拟定基坑南端采用明挖顺作分层开挖方式，北端采用盖挖逆作通道式开挖出土方案。其中，明挖顺作段长24.2 m，支撑的标高设计作为分层标准，盖挖逆作段长为193.2 m，见图1。

逆作段开挖选用分段分层方式，开挖土体以顶板、中板为分界，共分为3层。常规推进式开挖方式如图2所示，开挖时由出土口起始朝内分段开挖并跟进地下结构施工。当选用此类开挖方式时，土方开挖工程将因主体结构的浇筑和养护而不能连续进行，导致施工效率低下。因此，有必要结合依托工程项目的实际情况，设计更有效的开挖出土方案。

图2 一次推进式开挖

在参考文献[8]基础上，设计了通道式逆作施工方法，其施工流程见图3。如图3所示，先从一侧出土口出发，挖出一条顺着基坑走向的纵向通道使两个出土口相互连通，在满足施工设备正常工作要求的同时，尽量减少纵向通道两侧土开挖量，用以抵御基坑支护结构产生变形。

通道开挖采用挖掘机挖土和水平运输设备运土的方式，在基坑取土口处将开挖土方提升装车外运。通道施工完成后，从另一端开始反向分段开挖通道两侧留土，楼板和叠墙施工随之进行。通过临近施工面楼板预留口洞垂直运输施工材料至作业面，这样便可使挖土作业面和楼板叠墙施工作业面的冲突情况得到规避，从而使现场施工效率得到大幅提升。

图3 逆作通道式开挖

2 盖挖法通道式开挖基坑稳定性分析

为进一步分析上述设计完成的逆作段通道式开挖方案基坑稳定性及对周边环境的变形影响，采用有限元的方法建立数值模型，模拟整个施工循环过程。

2.1 数值模型的建立

（1）断面选取及工况划分。鉴于车站基坑标准段的规则性以及实际依托工程所处地层特性，故选用逆作通道开挖段典型断面进行二维数值模拟分析，支护结构剖面如图4。开挖工序见图5：步骤1：顶板以上土开挖→步骤2：顶板施工→步骤3：第一层土槽开挖→步骤4：第一层土开挖→步骤5：第二层土槽开挖→步骤6：第二层土开挖→步骤7：中板及中叠墙施工，顶板以上土回填→步骤8：第三层土槽开挖→步骤9：第三层土开挖→步骤10：第四层土槽开挖→步骤11：第四层土开挖→步骤12：底板及底叠墙施工。其中，各层通道的宽度控制为基坑宽度的1/3，放坡率约1:0.5。

图4 支护结构设计/m

图5 逆作通道式开挖/m

（2）材料参数选取。土体选用摩尔库伦本构模型，各土层厚度及物理力学参数取值见表1。楼板、叠墙、连续墙选用梁单元模拟，具体参数见表2。

（3）临近建筑物模拟。本模型将建筑物荷载等效为均布荷载施加在基坑两侧，根据工程现场真实环境情况，取最不利情况（5层钢筋混凝土建筑），计算后得等效荷载取为75 kPa/m，按建筑物实际宽度取等效荷载宽度为30 m。最终，建立数值分析模型如图6所示。

表1 土层厚度及物理参数

图6 计算模型

2.2 地层位移分析

基坑开挖各工序地表沉降曲线见图7，开挖完成后地层位移云图见图8。

分析图7、图8可知：

（1）开挖完成后，基坑坑外地表沉降范围约为基坑开挖宽度的2.5倍，宽度约40 m。沉降槽形状类似“烟斗”形，墙外5 m处为沉降最大位置，最大沉降量为1.8 mm。

（2）基坑内土体开挖后，开挖面出土体出现卸载回弹现象。

（3）开挖各层通道时均采用1:0.5坡率放坡开挖，以保证中槽宽度。计算数据表明各开挖阶段，基坑内放坡面土体水平位移值均小于10 mm，此放坡率满足基坑开挖要求。

图7 通道式开挖墙后地表沉降

图8 开挖完成后的土体位移

2.3 地下连续墙水平变形分析

图9为开挖过程连续墙的水平变形，从中分析可知：

（1）顶板以上土开挖并施工顶板阶段，此时基坑连续墙处于无支撑悬臂状态，连续墙变形类似于悬臂梁结构，连续墙最大位移发生在顶部，约为5 mm。

（2）盖挖地下一层土并施工地下一层结构阶段，此时顶板施作完成，改变了连续墙无支撑悬臂状态，其上部水平位移被有效限制，连续墙变形逐步发展为顶端稳定，深层内凸形状，此时连续墙最大水平位移发生在中板以上约3 m位置，约为 7 mm。

（3）盖挖地下二层土并施工地下二层结构阶段，此时中板以上连续墙的变形被顶板与中板所限制，连续墙的变形发展为地下一层连续墙位移变化不大，地下二层连续墙向内凸出的情况。

（4）开挖完成后，连续墙最大水平位移发生于顶板与中板之间，约为7.5 mm，基坑底部土体为砂岩层，工程性质较好，连续墙底部约束效应显著，无踢脚现象出现。

图9 通道式开挖连续墙水平位移变化

2.4 围护结构内力分析

各工况围护结构内力计算结果表明：

（1）顶板施工至中板以上土开挖阶段，顶板轴力随开挖进程逐渐增大，当中板以上土开挖完成时，顶板轴力达到最大值−350 kN；施工中板至底板以上土开挖完成阶段，顶板轴力变化较小，中板轴力随开挖进程逐步增加，底板以上土开挖完成时，中板轴力达到最大值−550 kN，此时顶板轴力值为−360 kN。

（2）顶板与连续墙交接部在整个开挖过程中一直是弯矩最大值处，最大弯矩值约为1990 kN·m，且中板以下阶段内变化值较小；顶板弯矩明显大于中板弯矩，是盖挖法施工基坑，顶板受回填土荷载的原因。

3 结 论

（1）结合实际工程环境特征，设计了适用于建筑密集区地铁车站基坑明挖顺作+盖挖段逆作组合开挖方法，其中明挖段为分层顺序开挖，盖挖段为通道式分层分段开挖。工程实践表明，该开挖出土方案较好地解决了依托工程存在施工场地极为狭窄、周边环境变形控制严格的难题。

（2）数值模拟分析表明，通道式开挖两侧留土对抑制地层变形具有较好效果，整个施工循环，地下连续墙最大水平位移为7.5 mm，地表沉降值为1.8 mm，满足该基坑工程变形控制要求，且结构体系处于安全状态。

[1] 贾 坚.逆作开挖深基坑控制卸载变形的方法与实践[J].岩土工程学报,2007,29(2):304-308.

[2] 李镜培,柏 挺,杨 军.框架逆作超大基坑施工对周边环境的影响[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2354-2362.

[3] 李明广,徐安军, 董 锋,等.逆作土方运输效率对运营高铁和基坑变形的影响[J].岩土工程学报,2012, 4(S):134-138.

[4] 殷 昊.基坑逆作法及土体−支护结构变形性状研究[D].北京:中国地质大学(北京),2011.

[5] 李守涛.逆作法施工关键技术与施工动态模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[6] 谢小松.大型深基坑逆作法施工关键技术研究及结构分析[D].上海: 同济大学,2007.

[7] 齐如明.逆作法施工技术的设计与实践[D].长春:吉林大学,2006.

[8] 徐安军.逆作法通道式土方开挖工艺及其应用[J].上海交通大学学报,2012,46(10):1558-1562.

(2018-12-05)

赵 艳(1973—), 女, 高级工程师, 主要从事工程管理工作,Email:953897231@qq.com。

周博成，男，硕士研究生,研究方向为岩土工程，Email:786493781@qq. com。

湖南省自然科学基金项目(2018JJ3657); 江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ171292).