地铁车站暗挖竖井对临近建筑的影响分析

叶滔

(中铁七局集团第二工程有限公司 辽宁 沈阳 110000)

在我国基础建设中，城市轨道交通建设取得了很大的成果[1-2]。但是地铁车站修建一直受路面道路交通、地下基础及地下管线的影响，施工难度大。洞桩法（Pile-Beam-Arch method，PBA）依靠着施工灵活、路面围护占用范围小、能有效减小对地面沉降的影响等优点，被广泛应用于地铁车站的修建。竖井开挖是整个施工阶段的首个施工阶段，由于地下管线密集、临近建筑物较多。竖井开挖对临近建筑物产生了直接的影响。因此，在地铁车站竖井开挖施工过程中如何保证既有建筑物的安全是穿越施工成功与否的关键。因此对暗挖地铁车站竖井对临近建筑物的影响进行分析是很有必要的。张伟[3]以北京暗挖地铁车站为工程背景，通过数值模拟分析了设置隔离桩、不设置隔离桩、加大土体超前加固3种工况，研究表明：隔离桩可以限制桩后土体变形并能有效隔断施工引起的应力传播。王国林等人[4]从基坑临近建筑物、临近地下地铁、基坑地下管线等几个方面进行了综合阐述。马小超[5]以北京地铁区间为工程背景，讨论了洞内双排小导管施工方案，并对控制建筑物提出了相应的控制措施。刘松弛[6]以实际工程为例，研究分析了地铁施工对临近建筑物的影响，并阐述了具体施工技术控制要点。陈卓友[7]以科学中心站基坑开挖为工程背景，通过建立三维有限元模型，对基坑开挖对临近建筑的影响展开了研究。

1 工程背景

1.1 工程概况

三好街站为地铁三号线的第二十座车站，前一站为方形广场站，后一站为工业展览馆站。车站所在路口西北象限为盛京医院，西南象限金科大厦，东南象限南湖科技大厦，东北象限五金工具市场。

三好街站为3号线和规划8号线的换乘站，3号线车站先期建设，规划8 号线车站远期建设。本车站为暗挖岛式站台车站，有效站台宽度为14 m，车站主体为地下两层三跨框架结构，车站总长为220.7 m。标准段宽度为22.7 m，标准段高度为15.6 m，顶板覆土厚度约7.0 m。车站共设置3 个施工竖井，其中1#施工竖井兼做站前区间盾构吊出井。本站共设4个出入口通道、4个地面出入口、1个安全出口、2组风道、2组地面风亭。其中1#施工竖井结合1号风道设置，2#施工竖井结合B出入口设置，3#施工竖井结合D 出入口设置。车站平面图如图1所示。

1.2 工程地质

根据地质调查报告和有关因素，对该站进行了分析。岩性的划分主要考虑成因、时代和岩性。车站施工范围内自上而下依次杂填土、中粗砂、圆砾、砾砂-1、砾砂-2。

2 钢支撑施工

2.1 支撑体系设计参数

在竖井基础上，竖向设置了7 个支承，除1 个支座为钢筋混凝土支承外，其他6个支座均为A609（t=16）。钢管支撑的预应力为：钢围梁的预应力为2 个I45C 组合钢，钢围梁和桩间的空隙用灰泥抹平，从而达到紧密接触的目的。

2.2 安装原则

在施工过程中，应严格遵循“随挖随撑”的原则，对无支护裸露时间进行控制。钢架必须严格按照设计要求进行预应力处理，并定期对其进行预应力的检测，并对其进行复加。

2.3 钢支撑制作

钢制支架采用室外加工。在施工前，应在最短时间内，完成钢筋支架的试样和加工，为基础工程的开挖创造良好的环境。

钢支架结构的设计是由固定端、活动端和多节不同长度的钢管组成，由法兰螺栓固定。钢管按现场要求分节加工，现场组装。

2.4 安装工艺流程

按照土方施工的需要，预先准备好支撑钢管和辅助设备。每个支架都紧靠开挖面，挖边撑。

在竖井开挖到设计基标高度的500 mm处，应立即将桩间网喷平整，再进行钢围梁支承。钢支架由航吊吊起，2个100 t的水力千斤顶在钢支架上加载，然后用钢楔将其紧固。千斤顶应配有压力计，在使用之前要在实验室进行校准，两个装置的顶力应同时作用，当压力达到设计要求后，再将钢楔塞入，以拆卸千斤顶。安装完毕后，对预应力进行定期监测，并适时进行预应力补强。安装工艺流程图见图2。

图2 安装工艺流程图

3 有限元分析

3.1 模型的建立与本构关系的选择

通过有限元模拟软件Midas GTS NX 建立工程模型，模拟竖井开挖及支护过程对临近建筑的影响并进行分析，本文模型尺寸X方向尺寸为100 m、Y方向尺寸为100 m、Z轴方向上尺寸为80 m。下表面与地下土体相连接，为了保持土体更贴合实际土体特性，选择固定约束，在模型面的四面采用法向约束，为了保持模型更贴合实际，模型上表面为自由边界。土体采用修正摩尔-库伦本构关系，各层土体的物理参数、材料计算取值如表1、表2所示。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

3.2 施工工况的模拟

本竖井开挖深度为30 m，将模型开挖支护共分为12个施工工序，首先做好围护桩、冠梁支护施工模拟，在支护完成后开始竖井第一段开挖并及时进行支护，直至竖井开挖完成，保证竖井在开挖过程中的安全。

4 数值分析结果

4.1 竖井内支撑结构内力分析

通过数值模拟分析，提取了内支撑上节点单元在各个施工段的弯矩值，其弯矩值的变化情况，如图3所示。

图3 内支撑弯矩值变化图

随着施工段的进行，内支撑的数量从内支撑1 增加到内支撑5，从图3可以看出在内支撑2弯矩值最大约为9 kN·m，内支撑5弯矩值最小约为0.002 7 kN·m，随着各施工段进行，内支撑弯矩一直在增加，当内支撑2 支护时，弯矩值增加缓慢，随之内支撑的支护增加，其支护结构弯矩值斜率变小，弯矩值增加缓慢，从中可以得出：随着内支撑的增加，能够有效减少内支撑的弯矩值。因此，在一定开挖深度范围内，适当增加内支撑，可以有效控制竖井开挖变形。

通过数值模拟分析，提取了内支撑上节点单元在各个施工段的轴力值，其轴力值在各个施工段的变化情况，如图4所示。

图4 内支撑轴力值变化图

如图4 所示，内支撑轴力随着各施工段的进行不断增加，轴力为负数，内支撑被周围土体挤压，产生向内的压力。内支撑5的轴力最小，内支撑4的轴力最大约为260 kN，施工段初期，内支撑受到侧向土压力一直增大，随着内支撑支护个数的增加，所受压力逐渐趋于稳定，在内支撑4处产生的压力最大，说明靠在竖井开挖一定距离时，侧向土压力达到最大，也是竖井开挖支护最需要注意的地方。

4.2 建筑物地层水平位移分析

通过对建筑物地层进行水平位移监测，绘制图5所示的建筑物地表水平位移历时曲线图。

图5 建筑物水平位移图

从图5 中可以看出，在竖井开挖过程中水平位移一直在增大，在竖井开挖并支护完成后，建筑物水平位移变化缓慢，水平位移最大不超过10 mm，当竖井开挖一定深度时，竖井侧壁压力失去平衡，导致外侧土体压力大于竖井内侧压力，外侧土体向坑内移动，从而导致建筑物地层产生附加位移。所以，在竖井施工过程中要先对土体进行预加固，在开挖一段距离后做好内支撑，是减小竖井内外压力平衡时控制临近建筑地层产生较大水平位移的关键。

竖井对周边土体产生很小的影响。在竖井开挖并支护完成后，竖井开挖会对竖井周边临近建筑物基础产生影响，降低建筑物地基承载力，从而导致建筑物地表沉降增大，并且可能导致建筑物墙体开裂。因此，竖井在开挖时，要先对竖井进行预加固，并在开挖一定深度后立即进行支护，减少开挖对临近建筑造成的影响，以保证临近建筑物地表沉降在一定安全范围内。

5 结论

本文以沈阳地铁三号线三好街站为工程背景，结合有限元分析软件Midas Gts NX对竖井开挖对临近建筑物的影响进行模拟分析，得到如下结论。

（1）竖井开挖过程中对临近建筑地层造成水平位移最大约为9 mm，支护能有效控制临近地层水平位移，是控制建筑物地层水平位移的关键。（2）随着内支撑的增加，能够有效减少内支撑的弯矩值。在一定开挖深度范围内，适当增加内支撑，可以有效控制竖井开挖变形。（3）竖井内支撑1 和内支撑2 处产生的弯矩较大、内支撑4处侧向土压力最大，是竖井开挖支护最需要注意的地方。