粉砂粉土地質條件下蓋挖逆作施工中臨時混凝土支撐對道路的影響

桑 義

上海地鐵咨詢監理科技有限公司 上海 200030

1 工程概況

武漢市軌道交通7號線一期工程起于東方馬城，止于野芷湖站。全長29.8 km，全部為地下線路，全線共設站18座。徐家棚站為軌交7號線一期工程大型地鐵樞紐，與地鐵5號、8號線通道三線換乘，與三陽路隧道公鐵合建，為過江第一站，距離長江僅800 m。

車站主體為地下4層的雙柱三跨現澆框架結構，地下1層為物業開發層，地下2層為公路隧道層，地下3層為站廳層及設備夾層，地下4層為站臺層，外包總長217.36 m，標準段寬25.3 m，基坑開挖深度34.16 m，采用全蓋挖逆作法施工。主體基坑總面積11 000 m2，土方開挖總量約320 000 m3。

圍護結構采用厚1.5 m及厚1.0 m、深度60 m的超深超厚地下連續墻，地下連續墻接縫采用φ850 mm雙高壓旋噴樁進行止水，鋼管立柱采用φ2 300 mm抗拔樁＋φ1 000 mm、長度60 m鋼管立柱的一樁一柱形式。

施工場地周邊環境也十分復雜：車站小里程南端頭靠近加油站，圍護結構外側距離加油站僅6 m；車站兩側分布有環衛所小區以及濱江花園小區，建筑密集，西側與城市主干道和平大道僅以臨時施工圍擋相隔。

車站布置于和平大道與秦園路交叉路口的秦園路下，車站站址范圍內地層從上至下主要為雜填土層、粉質黏土層、淤泥質土層、粉質黏土夾粉土層、粉砂、粉土、粉質黏土互層、粉細砂、細砂、強風化及中風化泥質粉砂巖。全站分為正線9個區、外掛9個區，其中正線1～9區和外掛1～6區為一期主體結構，外掛7～9區為二期5號線和7號線的換乘節點，特別是外掛9區，西鄰圍擋外的和平大道，整個蓋挖逆作施工過程中圍擋外的車流量大，如何減少施工過程中對城市主干道路的影響成為了一個非常重要的研究課題。

外掛9區5號、7號換乘節點為二期換乘結構，南側與一期主體結構接駁器連接，東側與二期結構連接，共2層結構，由于地下1層開挖深度接近10 m，所以在頂板完成后，地下1層開挖至6 m的深度需要施工臨時混凝土支撐梁，當臨時支撐梁施工完成達到設計規定強度的80%才能繼續往下開挖。

本文針對臨時混凝土支撐施工對和平大道路面結構的影響展開深度的分析研究，在基于前人的研究基礎上[1-6]，采用ABAQUS有限元軟件，對整個超深地鐵換乘節點蓋挖逆作法的施工過程進行模擬。在有臨時混凝土支撐和沒有臨時混凝土支撐的情況下，根據基坑開挖圍擋外的和平大道瀝青混凝土路面的位移和應力響應，結合現場實際情況，來評價超深基坑開挖時臨時混凝土支撐的及時施工對減少路面結構沉降以及附加拉應力的影響。

2 有限元模型

外掛9區5號、7號線換乘節點地下2層結構，換乘結構地下20 m，頂板距地下1層高度近10 m，頂板標高位置向下開挖6 m左右需要施作3道臨時混凝土支撐，再繼續開挖4 m施作地下1層中板（圖1）。西側地下連續墻厚度1 m，地下深度35 m，北側地下連續墻厚度1 m，地下深度55 m。地下連續墻以及主體結構采用C35強度等級混凝土，密度2 600 kg/m3，彈性模量32.5 GPa，泊松比0.2。瀝青混凝土路面采用線彈性模型，彈性模量1.2 GPa，泊松比0.25。

圖1 軌交5號、7號線換乘節點與和平大道位置示意

模型長50 m、寬35 m、深70 m；車站長38 m、寬22.5 m、深20 m。模型將整個外掛9區和圍擋外的和平大道劃分出來，建立了三維有限元數值計算模型（圖2），車站劃分為5 187個單元，土體劃分為11 900個單元，和平大道瀝青混凝土路面厚度20 cm，為了便于網格單位的劃分，模型將瀝青混凝土路面結構層作整體考慮。

圖2 有限元模型

為了保證計算結果與真實情況接近，模型結合了武漢地區粉砂粉土的特殊地質條件，將土層劃分為5層，由上至下主要地層為：雜填土、淤泥質黏土、細砂、強風化巖、中風化巖（表1）。

表1 模型計算土體參數

3 蓋挖逆作法臨時混凝土支撐對路面位移的影響

從路面沉降對比曲線（圖3）可知，在有混凝土支撐的條件下靠近基坑側路面沉降值為45.35 mm，遠離基坑側路面沉降最小值為42.17 mm，可以看出整個路面橫斷面的沉降值差異較小，路面的橫向在基坑開挖過程中基本呈現均勻沉降的情況。圖3（b）中，時間步4時地下連續墻施工完成，時間步7時鋼管樁施工完成，時間步8時地表土開挖至頂板底標高位置，時間步10時頂板施工完成，時間步15時繼續從頂板預留洞口向下開挖6 m，時間步16時3道臨時混凝土支撐梁完成，時間步20時繼續從臨時混凝土支撐梁底標高向下開挖4 m至地下1層板標高位置，時間步22時地下1層板施工完成，時間步32時底板施工完成。

圖3 路面沉降對比曲線

通過對整個開挖過程進行了動態模擬分析，可以看出臨時混凝土支撐施工完成后，在后續4 m深度的開挖過程中，最大可以減少11.7 mm的沉降，但是地下1層板施工完成后，在向地下2層開挖的過程中，3道臨時混凝土支撐對路面的沉降控制效果較弱，說明此時的地下1層板已經基本取代了3道臨時混凝土支撐對地層位移的抑制效果。

再通過對無臨時混凝土支撐情況下路面的沉降曲線分析，發現地下1層直接開挖10 m后再施工地下1層板時，和平大道的沉降曲線較陡，沉降差值37.6 mm；而地下2層直接開挖7 m后再施工底板，和平大道的沉降曲線就較緩和，沉降差值31 mm，說明了樓板對地層位移的抑制效果僅對一定深度的范圍效果較理想。

在一次開挖深度超過6 m的深基坑工程中，臨時支撐的及時架設可以緩和地表的沉降速度，對路面的結構也有一定的保護作用，但是在后續的開挖過程中，此道臨時混凝土支撐對地層的位移抑制效果逐漸減弱，有臨時混凝土支撐的開挖較無臨時混凝土支撐的開挖在最終的路面沉降控制方面僅相差1.7 mm。

4 蓋挖逆作法臨時混凝土支撐對路面結構應力的影響

在路面橫向彎拉應力對比曲線（圖4）中，時間步10時地下連續墻施工完成，時間步18時鋼管樁完成，時間步26時開挖3 m至頂板底標高，時間步26～31頂板施工完成，時間步34時頂板洞口向下開挖6 m并完成3道臨時混凝土支撐，時間步78時從臨時混凝土支撐標高位置繼續向下挖4 m，時間90～98時地下1層板施工完成，時間步132時開挖至底板標高，時間步136時底板施工完成。與無臨時混凝土支撐情況對比，有臨時混凝土支撐的可以有效地減少88%的路面附加彎拉應力，這也大大減少了因路面裂縫而產生的路面坑洼破壞（圖5）。

圖4 路面橫向彎拉應力對比曲線

圖5 基坑圍擋外的和平大道路面情況

在地鐵車站蓋挖逆作施工過程中，當路面產生較大的附加彎拉應力時，在車輛荷載以及重載罐車渣土車的反復作用下，路面極易出現斷裂，加上雨水對破損路面基層的長期浸泡和車輛荷載作用就很容易形成坑洼，即使對面層及時修補，后續的雨水和車輛荷載作用仍然會對此處產生破壞，只有等到工程主體結構施工完成后，地層穩定了，路面附加彎拉應力值也隨之減弱至較低值，才不足以對路面產生后續破壞。

在實際的工程施工過程中，在基坑圍擋外側的和平大道的路面，正如理論計算結果預測的一樣（圖6），出現了路面坑洼破壞的情況，但總體情況良好，特別是車站結構完成后，路面結構也趨于穩定。

圖6 路面縱向彎拉應力對比曲線

5 結語

1）臨時混凝土支撐在深基坑工程中，僅對一定深度范圍的地層位移起到了一定的抑制作用，隨著繼續開挖至完成地下1層結構樓板后，深基坑再往下開挖時，臨時支撐對地層位移的抑制能力基本已經被地下1層結構中板所取代，在最終的路面沉降控制效果方面一般。因此也證明了在蓋挖逆作法地鐵車站施工中，地下連續墻和結構樓板不但是主體結構的一部分，而且是抑制地層位移和路面沉降的主要結構，而臨時混凝土支撐的支撐效果隨著開挖深度的增加逐漸減弱。

2）軌交5號、7號線換乘節點深基坑開挖對路面產生的縱向附加彎拉應力值較小，但是橫向附加彎拉應力值較大，與無臨時混凝土支撐情況對比，有臨時混凝土支撐的可以有效地減少88%的路面附加彎拉應力，這也大大減少了因路面裂縫而產生的路面坑洼破壞。

3）雖然3道臨時混凝土支撐對路面的最終沉降影響較小，但是卻讓車站在蓋挖逆作施工過程中不可避免的地應力和地層位移有了較緩和的釋放，大大減少了附加彎拉應力的產生，也減少了因過大的附加應力而對路面結構產生的破壞。