建筑密集區(qū)蓋挖法地鐵車站基坑通道式開挖設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬*

趙 艷，張子洋，周博成

建筑密集區(qū)蓋挖法地鐵車站基坑通道式開挖設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬*

趙 艷1，張子洋2，周博成3

(1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300392；2.中鐵一局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300250；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

施工場(chǎng)地狹窄、變形控制嚴(yán)格是當(dāng)前市區(qū)工程施工面臨的重要難題。針對(duì)建筑密集區(qū)地鐵車站基坑開挖出土方案、地層變形及結(jié)構(gòu)安全性問題開展研究，設(shè)計(jì)了適用于建筑密集區(qū)地鐵車站基坑明挖順作+蓋挖逆作組合開挖方法，其中明挖段為分層順序開挖，蓋挖段為通道式分層分段開挖。進(jìn)一步，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)蓋挖段通道式開挖施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：通道式開挖法兩側(cè)留土對(duì)抑制地層變形具有較好效果，整個(gè)施工循環(huán)，結(jié)構(gòu)體系處于安全狀態(tài)，地層變形能夠滿足控制要求。

地鐵車站;基坑工程;建筑密集區(qū);開挖設(shè)計(jì);數(shù)值分析

科學(xué)合理的基坑開挖出土技術(shù)，在加快施工進(jìn)度的同時(shí)，可以有效控制基坑變形，并降低基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境所造成的不良影響。特別是對(duì)于地層變形敏感的城市建筑密集地區(qū)，其在安全性和經(jīng)濟(jì)性上，均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，諸如此類問題越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注，并開展了大量的研究工作。賈堅(jiān)研究提出了逆作法深基坑開挖卸載變形控制方法[1]；李鏡培等人分析了某框架逆作法基坑工程對(duì)周邊環(huán)境的影響[2]；李明廣研究了逆作土方運(yùn)輸效率對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵和基坑變形的影響[3]；殷昊探討了基坑逆作法及土體-支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀[4]；李守濤等人基于實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果，開展了基坑工程逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)分析[5-7]。

總之，針對(duì)基坑逆作法施工出土技術(shù)、開挖變形控制等方面，已有較多成功案例和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但總體來(lái)說(shuō)，由于地層條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、周邊環(huán)境等差異，類似工程的施工仍然存在較多現(xiàn)實(shí)問題，既有技術(shù)難以照搬使用。本文依托實(shí)際工程，重點(diǎn)針對(duì)施工場(chǎng)地極為狹窄、環(huán)境變形要求十分嚴(yán)格等工程特征，針對(duì)建筑密集區(qū)地鐵車站基坑蓋挖逆作法開挖出土方案及變形控制問題開展具體研究，以期豐富本領(lǐng)域的研究成果，為類似工程起到參考和借鑒作用。

1 建筑密集區(qū)基坑開挖出土方案

1.1 依托工程概況

依托工程為某城市軌道交通1號(hào)線一期工程的中間站，位于商業(yè)繁華的步行街正下方，沿街一字型布置。街道路寬僅為20 m，沿街商鋪及商場(chǎng)臨街而建，建筑外墻距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離不足2 m，人流量非常大。

車站中心里程為YCK18+681.000，有效站臺(tái)長(zhǎng)118 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.7 m，總長(zhǎng)217.4 m，總建筑面積9233 m2，為地下二層島式車站。基坑平面尺寸如圖1所示，總長(zhǎng)度約217.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.7 m，端部寬度為22.4 m。

圖1 車站基坑平面尺寸/m

1.2 基坑開挖出土方案設(shè)計(jì)

考慮本工程所處周邊環(huán)境的實(shí)際條件以及盡量減少對(duì)商鋪經(jīng)營(yíng)的影響，施工之初便針對(duì)該車站的開挖出土方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與論證。擬定基坑南端采用明挖順作分層開挖方式，北端采用蓋挖逆作通道式開挖出土方案。其中，明挖順作段長(zhǎng)24.2 m，支撐的標(biāo)高設(shè)計(jì)作為分層標(biāo)準(zhǔn)，蓋挖逆作段長(zhǎng)為193.2 m，見圖1。

逆作段開挖選用分段分層方式，開挖土體以頂板、中板為分界，共分為3層。常規(guī)推進(jìn)式開挖方式如圖2所示，開挖時(shí)由出土口起始朝內(nèi)分段開挖并跟進(jìn)地下結(jié)構(gòu)施工。當(dāng)選用此類開挖方式時(shí)，土方開挖工程將因主體結(jié)構(gòu)的澆筑和養(yǎng)護(hù)而不能連續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致施工效率低下。因此，有必要結(jié)合依托工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)更有效的開挖出土方案。

圖2 一次推進(jìn)式開挖

在參考文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了通道式逆作施工方法，其施工流程見圖3。如圖3所示，先從一側(cè)出土口出發(fā)，挖出一條順著基坑走向的縱向通道使兩個(gè)出土口相互連通，在滿足施工設(shè)備正常工作要求的同時(shí)，盡量減少縱向通道兩側(cè)土開挖量，用以抵御基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。

通道開挖采用挖掘機(jī)挖土和水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)土的方式，在基坑取土口處將開挖土方提升裝車外運(yùn)。通道施工完成后，從另一端開始反向分段開挖通道兩側(cè)留土，樓板和疊墻施工隨之進(jìn)行。通過(guò)臨近施工面樓板預(yù)留口洞垂直運(yùn)輸施工材料至作業(yè)面，這樣便可使挖土作業(yè)面和樓板疊墻施工作業(yè)面的沖突情況得到規(guī)避，從而使現(xiàn)場(chǎng)施工效率得到大幅提升。

圖3 逆作通道式開挖

2 蓋挖法通道式開挖基坑穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步分析上述設(shè)計(jì)完成的逆作段通道式開挖方案基坑穩(wěn)定性及對(duì)周邊環(huán)境的變形影響，采用有限元的方法建立數(shù)值模型，模擬整個(gè)施工循環(huán)過(guò)程。

2.1 數(shù)值模型的建立

（1）斷面選取及工況劃分。鑒于車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段的規(guī)則性以及實(shí)際依托工程所處地層特性，故選用逆作通道開挖段典型斷面進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖4。開挖工序見圖5：步驟1：頂板以上土開挖→步驟2：頂板施工→步驟3：第一層土槽開挖→步驟4：第一層土開挖→步驟5：第二層土槽開挖→步驟6：第二層土開挖→步驟7：中板及中疊墻施工，頂板以上土回填→步驟8：第三層土槽開挖→步驟9：第三層土開挖→步驟10：第四層土槽開挖→步驟11：第四層土開挖→步驟12：底板及底疊墻施工。其中，各層通道的寬度控制為基坑寬度的1/3，放坡率約1:0.5。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/m

圖5 逆作通道式開挖/m

（2）材料參數(shù)選取。土體選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，各土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。樓板、疊墻、連續(xù)墻選用梁?jiǎn)卧M，具體參數(shù)見表2。

（3）臨近建筑物模擬。本模型將建筑物荷載等效為均布荷載施加在基坑兩側(cè)，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境情況，取最不利情況（5層鋼筋混凝土建筑），計(jì)算后得等效荷載取為75 kPa/m，按建筑物實(shí)際寬度取等效荷載寬度為30 m。最終，建立數(shù)值分析模型如圖6所示。

表1 土層厚度及物理參數(shù)

圖6 計(jì)算模型

2.2 地層位移分析

基坑開挖各工序地表沉降曲線見圖7，開挖完成后地層位移云圖見圖8。

分析圖7、圖8可知：

（1）開挖完成后，基坑坑外地表沉降范圍約為基坑開挖寬度的2.5倍，寬度約40 m。沉降槽形狀類似“煙斗”形，墻外5 m處為沉降最大位置，最大沉降量為1.8 mm。

（2）基坑內(nèi)土體開挖后，開挖面出土體出現(xiàn)卸載回彈現(xiàn)象。

（3）開挖各層通道時(shí)均采用1:0.5坡率放坡開挖，以保證中槽寬度。計(jì)算數(shù)據(jù)表明各開挖階段，基坑內(nèi)放坡面土體水平位移值均小于10 mm，此放坡率滿足基坑開挖要求。

圖7 通道式開挖墻后地表沉降

圖8 開挖完成后的土體位移

2.3 地下連續(xù)墻水平變形分析

圖9為開挖過(guò)程連續(xù)墻的水平變形，從中分析可知：

（1）頂板以上土開挖并施工頂板階段，此時(shí)基坑連續(xù)墻處于無(wú)支撐懸臂狀態(tài)，連續(xù)墻變形類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻最大位移發(fā)生在頂部，約為5 mm。

（2）蓋挖地下一層土并施工地下一層結(jié)構(gòu)階段，此時(shí)頂板施作完成，改變了連續(xù)墻無(wú)支撐懸臂狀態(tài)，其上部水平位移被有效限制，連續(xù)墻變形逐步發(fā)展為頂端穩(wěn)定，深層內(nèi)凸形狀，此時(shí)連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生在中板以上約3 m位置，約為 7 mm。

（3）蓋挖地下二層土并施工地下二層結(jié)構(gòu)階段，此時(shí)中板以上連續(xù)墻的變形被頂板與中板所限制，連續(xù)墻的變形發(fā)展為地下一層連續(xù)墻位移變化不大，地下二層連續(xù)墻向內(nèi)凸出的情況。

（4）開挖完成后，連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生于頂板與中板之間，約為7.5 mm，基坑底部土體為砂巖層，工程性質(zhì)較好，連續(xù)墻底部約束效應(yīng)顯著，無(wú)踢腳現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖9 通道式開挖連續(xù)墻水平位移變化

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

各工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表明：

（1）頂板施工至中板以上土開挖階段，頂板軸力隨開挖進(jìn)程逐漸增大，當(dāng)中板以上土開挖完成時(shí)，頂板軸力達(dá)到最大值?350 kN；施工中板至底板以上土開挖完成階段，頂板軸力變化較小，中板軸力隨開挖進(jìn)程逐步增加，底板以上土開挖完成時(shí)，中板軸力達(dá)到最大值?550 kN，此時(shí)頂板軸力值為?360 kN。

（2）頂板與連續(xù)墻交接部在整個(gè)開挖過(guò)程中一直是彎矩最大值處，最大彎矩值約為1990 kN·m，且中板以下階段內(nèi)變化值較小；頂板彎矩明顯大于中板彎矩，是蓋挖法施工基坑，頂板受回填土荷載的原因。

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境特征，設(shè)計(jì)了適用于建筑密集區(qū)地鐵車站基坑明挖順作+蓋挖段逆作組合開挖方法，其中明挖段為分層順序開挖，蓋挖段為通道式分層分段開挖。工程實(shí)踐表明，該開挖出土方案較好地解決了依托工程存在施工場(chǎng)地極為狹窄、周邊環(huán)境變形控制嚴(yán)格的難題。

（2）數(shù)值模擬分析表明，通道式開挖兩側(cè)留土對(duì)抑制地層變形具有較好效果，整個(gè)施工循環(huán)，地下連續(xù)墻最大水平位移為7.5 mm，地表沉降值為1.8 mm，滿足該基坑工程變形控制要求，且結(jié)構(gòu)體系處于安全狀態(tài)。

[1] 賈 堅(jiān).逆作開挖深基坑控制卸載變形的方法與實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(2):304-308.

[2] 李鏡培,柏 挺,楊 軍.框架逆作超大基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(11):2354-2362.

[3] 李明廣,徐安軍, 董 鋒,等.逆作土方運(yùn)輸效率對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵和基坑變形的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012, 4(S):134-138.

[4] 殷 昊.基坑逆作法及土體?支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀研究[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2011.

[5] 李守濤.逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)與施工動(dòng)態(tài)模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[6] 謝小松.大型深基坑逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)分析[D].上海: 同濟(jì)大學(xué),2007.

[7] 齊如明.逆作法施工技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[8] 徐安軍.逆作法通道式土方開挖工藝及其應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(10):1558-1562.

(2018-12-05)

趙 艷(1973—), 女, 高級(jí)工程師, 主要從事工程管理工作,Email:953897231@qq.com。

周博成，男，碩士研究生,研究方向?yàn)閹r土工程，Email:786493781@qq. com。

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2018JJ3657); 江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ171292).