地铁车站盖挖施工对周边建筑物变形影响分析

□文/时常悦

随着城市轨道交通的发展，地铁线网越来越密集，车站周边环境亦愈发复杂，由于具有占用场地小、对地面交通和管线迁改影响小等特点，对于周边建（构）筑物较多、前期工程及施工场地受限的车站，研究盖挖施工的安全性和对周边建（构）筑物变形控制效果具有一定意义[1]。

1 工程概况

某盖挖施工地铁车站北侧为居民区，南侧为学校，东侧为引桥。引桥宽26.1 m、高3.83 m，为重力式挡土墙结构，距大里程盾构井6.0 m。见图1。

图1 盖挖车站与引桥关系

2 施工对引桥变形影响

2.1 影响分析

车站地下三层，引桥邻近大里程盾构井处基坑深27.17 m。基坑竖向支护结构依次为φ800 mm×16 mm钢支撑、顶板、中一板、中二板、1 000 mm×1 200 mm混凝土支撑以及底板。车站基坑施工时，开挖卸荷将会影响周边土体应力场，在主动土压力作用下，引桥将产生一定的侧向剪力和附加沉降，若差异沉降过大则会导致建筑损坏[2]。

2.2 有限元计算

将模型简化，取引桥最高点作为计算高度来考虑大里程端盾构井基坑开挖整个施工过程对引桥的影响[3]。

采用Midas GTS 建立整体二维有限元模型进行计算分析。为消除模型边界效应，X轴方向取3～5倍基坑宽度、长195 m，Y轴方向取3～5 倍基坑深度、深100 m。模型计算采用四边形单元，共划分单元19 861个，节点19 741个。见图2。

图2 数值模型网格划分

基坑开挖范围地层主要为①填土、④1-1黏土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑨2-4粉砂，有限元模型认为各土层呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内，因考虑到基坑开挖是一个相对短期的过程，未充分考虑固结[4]。

模型边界条件：顶面为自由面，无约束；底面约束X、Y方向；侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

为准确模拟基坑开挖对引桥的影响，动态模拟施工过程的计算方法。分析中假定地下连续墙、水平支撑等结构均处于弹性阶段，岩土体采用二维实体单元模拟，地下连续墙、钢管柱、基础桩、主体结构板、钢支撑、混凝土支撑采用梁单元模拟。

本构模型为修正摩尔-库伦模型，计算中基坑不分区域开挖，每层开挖一次性施作。

计算步骤：

1）平衡初始地应力；

2）施工地下连续墙、钢管柱、钢管柱基础桩；

3）开挖一层土，施作浅基坑钢支撑；

4）开挖第二层土，施作主体结构顶板；

5）开挖第三层土，施作主体结构中一板；

6）开挖第四层土，施作主体结构中二板；

7）开挖第五层土，施作中二板和底板间混凝土支撑；

8）开挖第六层土，施作主体结构底板。

3 结果分析及施工控制

3.1 计算结果

各工况坑外沉降靠近基坑侧较大，远离基坑侧较小。见图3-图8。

引桥两侧控制节点的竖向位移和水平位移统计，见表2。

图3 开挖第一层土并架设钢支撑后引桥竖向位移

图4 开挖第二层土并施作结构顶板后引桥竖向位移

图5 开挖第三层土并施作结构中一板后引桥竖向位移

图6 开挖第四层土并施作结构中二板后引桥竖向位移

图7 开挖第五层土并施作混凝土支撑后引桥竖向位移

图8 开挖第五层土并施作结构底板后引桥竖向位移

表2 引桥两侧位移mm

续表2mm

由图3-图8 和表2 可以看出，施作浅基坑钢支撑作为支护时引桥最大竖向位移5.223 mm，施作盖挖顶板、中一板、中二板时最大竖向位移分别为4.670、4.598、5.527 mm，施作中二板和底板间混凝土支撑时最大竖向位移为6.201 mm，最后施作结构底板时最大竖向位移6.332 mm。可见首道钢支撑及中二板和底板间混凝土支撑时引桥竖向位移均较大，而盖挖结构板作为支撑时最大竖向位移呈减小趋势，最大水平位移亦呈减小趋势。

由于盖挖结构板为一个整体构件受力，较明挖法常用的钢支撑和混凝土支撑等不连续构件刚度要大得多[5]且在后续基坑开挖过程中盖挖结构板不会有应力损失，因此，无论是有限元模拟计算还是理论分析盖挖施工控制基坑周边建筑物变形方面均比明挖法更具优势[6]。

3.2 盖挖施工控制及保护措施

1）车站采用盖挖半逆作法方案，围护结构采用1 200 mm地下连续墙，工字钢刚性接头。

2）盖挖结构板、车站顶板上钢支撑（φ800 mm×16 mm），负三层混凝土支撑（1 000 mm×1 200 mm）作为水平支撑体系。主体结构顶顶、中板利用地下连续墙和永临结合钢管混凝土柱（φ1 000 mm×25 mm）作为竖向支撑体系。钢管混凝土柱下钢筋混凝土灌注桩（兼做抗拔桩），桩径2 200 mm，桩长40～45 m。

3）大里程端墙近引桥地下连续墙接缝处采用φ2.2 m 的RJP 桩进行补强（缝外），每缝一根，120°摆喷，有效长度为地面下6 m至基底以下8 m。加固体的水泥土28 d无侧限抗压强度≥1.0 MPa，抗渗系数≤1×10-7cm/s。

4 结论

根据理论与数值计算分析可知，车站主体基坑开挖及主体结构施工期间对引桥结构变形、地表沉降的影响均在规范要求内。表明盖挖逆作法对控制开挖基坑邻近建（构）筑物变形沉降效果较好。因此，对于周边建（构）筑物有严格变形控制要求的车站基坑工程，可以考虑采用盖挖逆作法施工。同时，施工期间应加强监测，对沉降情况实施24 h 自动化连续监测，根据监测结果及时调整施工参数，制定专项应急预案，保证工程和周边环境安全。