明挖法和局部蓋挖順作法地鐵車站施工影響分析

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

在地鐵施工的過程中，基坑的開挖深度深，對周邊的環境影響大，如何在保證施工的安全性的前提下，降低對周圍環境的影響，是施工中的一個重要問題[1]。目前，基坑開挖主要監測的對象有圍護結構的側移、地表沉降、內支撐的軸力變化等[2-4]。基坑開挖引起圍護結構的內力和變形問題可以應用桿系有限元法得到實用性解決[5-6]。在地鐵深基坑施工中，主要有明挖法、蓋挖法和礦山法。在實際施工中，施工方法一般會隨著現場環境的變化而不斷改變，確保對周邊環境、附近居民的影響減小到最小。以合肥地鐵一號線為例，在明光路站施工中，為了減少對地面交通的影響，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，本文利用邁達斯軟件對車站的施工過程進行模擬分析，并計算出地連墻水平位移、地表沉降位移及圍護結構所受荷載值，通過對結果進行比較分析，來控制相關因素，從而達到保證工程質量和安全、節約成本和工期的目標。

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268.91m。車站基坑標準段寬23.2m，頂板覆土約0.8～4.4m,標準段底板埋深約22.8m。車站主體基坑距離周邊建筑物較遠，東南角為合肥市長安駕校、合肥長途客運站、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，車站北側為即將拆除的老淮南鐵路。擬建場地地形較為平坦，微地貌單元屬于南淝河一級階地。

車站原設計采用明挖順做法施工，即開挖至基坑底后順作車站底、中、頂板及側墻和其他結構，圍護結構采用地下連續墻+內支撐的支護方式，內支撐為第一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼支撐。為減小對路面交通的影響，對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部分明光路下穿橋梁體，同時施作架設部分梁體的結構層，恢復部分路面交通，然后在依次施工下部結構。

土層物理力學參數 表1

2 數值計算

2.1 計算參數的選取

根據施工勘察報告，將土層做了相應簡化，劃分的土層及各層土體的力學計算參數見表1所示。地下連續墻為C35混凝土，用線彈性梁單元模擬計算，根據經驗將彈性模量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。結構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，將橋面車輛動荷載及施工荷載簡化為均布荷載，其值取為45kPa。

2.2 計算模型的建立

基坑標準段寬為23.2m，深為21.8m，地下連續墻深取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。深基坑開挖的影響范圍取決于基坑開挖的平面形狀、開挖深度和土質條件等因素。為滿足計算精度的要求，取模型的寬度為183m，深度為96m，長度為338m，如圖所示的三維模型。節點數為208330個，單元數為211811個。土體采用實體單元進行模擬，冠梁，角撐和鋼筋混凝土支撐采用梁單元模擬，鋼支撐采用桁架單元進行模擬，地連墻采用二維板單元進行模擬。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。模型其他四個側面僅限制法線方向的位移。

圖1 數值模型及網格劃分

圖2 圍護結構模型圖

2.3 開挖步驟

工況一：開挖前的初始應力分析及位移清零。

工況二：澆筑地連墻。

工況三：開挖第一層土在樁頂標高以下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，恢復路面交通。

工況四：開挖第二層土至樁頂標高以下6m，在樁頂標高以下5.5m處施做第二道鋼支撐。

工況五：開挖第三層土至樁頂標高以下12.25m，在樁頂標高以下11.75m處施做第三道鋼支撐。

工況六：開挖第四層土至樁頂標高以下16.45m，在樁頂標高以下15.95m處施做第四道鋼支撐。

工況七：開挖第五層土至樁頂標高以下19.98m，在樁頂標高以下19.48m處施做第五道鋼支撐。

工況八：開挖至坑底，即樁頂標高以下22.8m。

2.4 計算結果的分析

2.4.1 地連墻側移分析

地連墻的作用主要是抵抗基坑開挖卸荷導致墻背側土體向坑內滑動，從而保證基坑開挖的安全。基坑開挖過程后，土體的應力狀態發生改變，圍護墻受力開始產生變形，當基坑內側卸去原有的土壓力時，墻外側受到主動土壓力，在坑底的墻內側受到部分被動土壓力[7]。

選取基坑中部（明光路橋段）斷面位置，做出地連墻的側移圖。

圖3 蓋挖段地連墻側移曲線

選取基坑長度1/3的位置（明挖法段）做出地連墻側移圖。

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

圖4 明挖段地連墻側移曲線

取端頭井中部地連墻側移值如下圖所示。

圖5 端頭井中部地連墻側移曲線

由上圖可知，端頭井部位地連墻的側移變化趨勢仍為中間大兩頭小的弓型曲線，但最大側移值僅為2.62mm，遠小于基坑中部地連墻的側移值，一方面因為端頭井部位的角撐布置密集，對地連墻的變形起到了很好的抑制作用；另一方面因為施工過程中，端頭井部位受到的外部荷載比較少，所以對地連墻的影響較小。

2.4.2 地表沉降分析

基坑開挖過程中，地連墻受力產生變形，使得基坑外圍土體的原始應力狀態改變而引起地層移動，使得地面發生沉降。對周圍地表做好沉降監測，保證周圍建構筑物的安全，是施工中必不可少的內容。在所選的計算斷面上，每隔5m布置一個地表沉降監測點，在施工的同時進行現場監測。

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

選取基坑長度1/3的位置（明挖法段）做出地表沉降與坑邊距離的關系曲線：此時地表沉降的最大位置發生在距離坑邊20m左右的位置，在工況8，地表沉降達到最大值，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，根據地層損失法，估算地表最大沉降量為基坑圍護結構最大側移值的0.7倍左右。在本工程中，圍護結構的最大側移值為19.46mm，而地表最大沉降值為16.59mm，這與軟土地區的經驗值有較大的差距，說明在軟土地區的經驗并不適合合肥的土質。

3 結 論

本文對合肥地鐵一號線明光路站施工過程進行了分析，施工采用明挖法和蓋挖法相結合的施工方法，得出了以下結論。

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

②地表沉降的最大值不是發生在坑壁周圍，蓋挖段的最大沉降發生在距坑壁15m附近，明挖段的最大沉降發生在距坑壁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，都是呈現出兩邊小中間大的拋物線形式。

圖7 明挖法地表沉降圖

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