地鐵車站蓋挖施工對圍護樁及鄰近高架橋墩的影響

高文華

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 100000）

目前，地鐵車站的建設正與城市建設同步進行中。車站基坑往往鄰近高層、超高層建筑以及高架橋等重要建筑物，基坑開挖將影響地表以下既有管道的正常使用，阻礙交通正常運行等問題。所以，地鐵車站的開挖施工將對周邊環境產生重要影響。如何在車站基坑施工過程中保證周邊環境的安全以及公共基礎設備正常使用是整個建設工程的重要保證。

在車站開挖引起鄰近建筑變形及控制研究方面，Peck[1]依據多個國家的基坑開挖過程中的檢測資料提出了沉降范圍與地表沉降的關系曲線，并給出了相應的計算方法。曾遠等[2]對上海市某地鐵車站建立了有限元計算模型，通過數值計算的方法研究2個車站之間的距離、變形、土的彈模等因素對既有車站的影響。楊敏等[3]對基坑開挖過程中鄰近樁基的影響進行了數值模擬計算，針對時間、開挖深度、樁-基坑間距、樁的剛度及支護方式等不同條件下對變形的影響，并對不同工況條件下對土體變形進行了詳細的分析。姚燕明等[4]針對基坑開挖過程中的支護方式進行有限元計算分析，考慮到支護集度、剛度等對地下連續墻變形的影響，隨著支護強度的增加，地下連續墻的變形有所減小，但當支護強度達到某一值時，變形減小不明顯，即存在某一支護強度使得支護效果最明顯。任建喜等[5]對公交車站基坑的開挖進行現場檢測，通過理論計算和數值模擬驗證了基坑破壞方式，分析了影響基坑穩定性的重要因素，針對數值模擬結果對基坑的開挖方式和支護情況進行了優化。林鵬[6]利用灰色理論對基坑開挖引起的變形進行了預測，并通過數值模擬的計算方法驗證了預測變形，類比分析了板樁墻支護方式對深基坑變形的影響程度和相應的變形特點。趙延林等[7-8]等對樁錨支護條件下的深基坑開挖進行了有限元分析，應用彈塑性大變形的相關理論分析了錨桿的數量、既有建筑物的間距、開挖的不同工法等因素與地表周圍變形的關系曲線。劉杰、陳小巍等[9-11]結合實際地鐵車站基坑開挖，類比分析了基坑開挖過程中各種圍護結構形式的利弊，分析了不同圍護結構對基坑開挖的影響，建立了開挖深度與圍護結構變形的關系，并通過有限元數值分析軟件對開挖進行模擬分析。

本文結合沈陽地鐵北大營街站基坑工程為例，結合工程特點及結構形式，研究了地鐵車站蓋挖施工對鄰近高架橋墩的影響，并結合ABAQUS巖土分析軟件進行分析，以監測數據為驗證依據，給出了變形的發展規律。

1 工程概況

1.1 北大營街站地鐵車站概況

本工程為沈陽市北大營街站，地鐵車站為地鐵10號線與地鐵4號線的換乘站，2個車站的平面分布形式為L型。車站全長189.0 m，結構標準段寬度22.7 m，頂板覆土約3.9～4.4 m，車站標準段底板埋深約18.25 m，西端頭盾構井底板埋深19.404 m，東端頭底板埋深26.811 m。車站總建筑面積8 885.33 m2。車站主體采用局部蓋挖法施工，車站兩端盾構接收部位采用標準蓋挖法施工，標準段K13+544.265～K13+592.815里程段采用南半幅明挖、北半幅蓋挖的方式施工，車站基坑采用坑外降水方案。車站基坑圍護樁采用C30水下混凝土，10號線車站圍護結構采用鉆孔灌注樁加內支撐作為基坑支護結構，基坑圍護結構φ800@1200 mm、φ1000@1200 mm（鄰近高架橋一側）采用旋挖鉆機成孔，鋼筋籠采用25 t吊車吊裝，水下混凝土導管法澆樁。

1.2 工程環境條件概況

北大營街站位于北海街和合作街十字路口以西，北海街中有高架橋，站點周邊以居民區為主，人、車流均較密集。10號線車站與東一環高架橋的位置關系如圖1所示。

圖1 10號線車站與東一環高架橋位置關系

通過分析確定，該車站施工過程中共計確定12個風險工程，5個自身風險工程，7個環境風險工程，其中一級自身風險源1個；一級環境風險源4個，見表1。

表1 北大營街地鐵站風險源表

2 基坑施工引起鄰近橋墩變形數值分析

車站基坑與東一環高架橋橋樁距離3.3 m，橋樁深度28 m，依據上述的沈陽10號線北大營街站的地質情況和車站及橋墩的剖面尺寸建立ABAQUS二維數值計算模型。在以往的有限元數值模擬計算過程中，科研工作人員一般針對所研究的工作主體擴大模型的計算尺寸。將模擬計算模型的尺寸擴大3～5倍作為數值模擬計算的對象。簡化的整體分析模型如圖2所示。

圖2 簡化的整體分析模型

基于圖2的模型基本尺寸，長度方向為39 m，深度方向為28 m，將ABAQUS數值模擬計算模型擴大為長度方向和深度方向的5倍，總模型尺寸長度方向為195 m，深度方向為140 m。依據前文所述，模型基坑寬度為25.2 m，靠近橋墩一側維護樁直徑為1 000 mm，另一側圍護樁直徑為800 mm，第一道混凝土支撐尺寸為800 mm×800 mm，第二、三道鋼支撐直徑為609 mm。基坑開挖深度為18.08 m，圍護樁入土深度為24.73 m，埋深跨越6個自然土層。橋墩承臺尺寸為10.5 m×2 m，承臺下鋼筋混凝土樁長為28 m。承臺距離圍護樁外邊緣距離為3.3 m。所建立的數值計算模型網格劃分如圖3所示。

圖3 ABAQUS二維計算模型網格劃分

為了提高計算速度以及保證計算精度，在網格劃分時采用開挖面和橋墩位置處網格加密處理，其他遠端土體網格設置較為稀疏。二維計算模型總體尺寸為195 m×140 m，模型總計包含了1 580個單元，單元類型設置為CPE4R（四結點雙線性平面應變四邊形單元）。

依據地質勘測資料，模型沿深度方向共涉及6個自然土層，自上而下分別為：雜填土、礫砂、圓礫、中粗砂、礫砂、圓礫。其計算參數見表2。

表2 土層的力學參數

橋墩樁基、承臺、鋼筋混凝土圍護樁、鋼支撐以及混凝土支撐均視為線彈性體，主要研究基坑開挖過程中構件的變形情況，其結構參數見表3。

表3 結構的力學參數

3 計算結果對比分析

在ABAQUS數值分析軟件模擬計算時，在模型建立完成，進行合理的網格劃分，對不同材料賦予不同的材料屬性。對模型進行邊界條件的設定，所采用的為二維數值模型，深度方向為y軸方向，寬度方向為x軸方向。本次計算模型邊界條件為：設置遠端沿深度方向的橫向變形以及底面兩個方向的變形。模型頂面為自由面，不限制位移[12]。

依據沈陽地鐵10號線北大營街站基坑的基本順序和開挖順序，在數值模擬計算過程中，將其簡化為以下幾個基本工況：

工況1：開挖至第一道混凝土深度處，約為2.93 m；

工況2：開挖至第一道鋼支撐深度處，約8.83 m；

工況3：開挖至第二道鋼支撐深度處，約13.33 m；

工況4：開挖至基坑設計基底表面處，約18.087 m。

ABAQUS求解分析步驟為：（1）計算模型的自重應力場；（2）鈍化第一部分土體單元，激活第一道混凝土支撐單元；（3）鈍化第二部分土體單元，激活第一道鋼支撐單元；（4）鈍化基坑中第三部分土體單元，激活基坑中第二道鋼支撐單元；（5）鈍化第三部分土體單元至基坑底部；（6）對計算結果進行后處理，進行分析。

3.1 橋墩樁位移分析

3.1.1 橋墩水平位移分析

通過對不同工況條件下進行逐步求解，通過對計算結果數據的提取，得到不同工況條件下鄰近高架橋橋墩下3根鋼筋混凝土樁的水平位移曲線。3根鋼筋混凝土樁的變形曲線如圖4-6所示。

1號鋼筋混凝土樁在4種不同工況下的變形曲線,如圖4所示。由圖4可知，隨著開挖深度的不斷增加，其水平變形幅值逐漸增大，工況1-工況4樁頂最大水平位移量分別為0.15 mm、0.2 mm、0.27 mm和0.33 mm。由于樁端產生的水平位移，導致樁身產生彎曲，樁身最大彎曲變形量為0.28 mm，總體變形量較小。

圖4 1號樁水平變形曲線

2號樁的水平變形曲線如圖5所示。由其變化曲線可知，其變形量與變化趨勢與1號樁相似。隨著基坑沿深度方向的不斷開挖，其水平累計變形量逐漸增大。工況1-工況4模擬施工過程中，2號樁頂的水平變形值分別為0.145 mm、0.19 mm、0.265 mm和0.3 mm。其樁端水平位移量小于1號樁，最大彎曲變形為0.25 mm。

圖5 2號樁水平變形曲線

3號樁的水平位移變化曲線如圖6所示。同樣，其變形趨勢較1號和2號樁相似，在工況1-工況4的模擬施工過程中，樁頂的最大水平位移變化量分別為0.05 mm、0.1 mm、0.17 mm和0.23 mm。其最大彎曲變形量為0.29 mm。其樁頂水平位移量較1號與2號樁較小，但其彎曲位移量較其他兩個鋼筋混凝土樁較大一點。

圖6 3號樁水平變形曲線

3.1.2 橋墩沉降位移分析

通過不同工況下數值分析，針對計算結果的豎向沉降位移量的提取，分別得到橋墩在設定的4種工況下的累計沉降位移值。4種不同工況下高架橋橋墩模型下1-3號鋼筋混凝土樁的累計豎向沉降值，如圖7所示。

圖7 不同工況下橋樁的累計沉降變化曲線

由圖7的變化曲線知，3號樁的豎向沉降對基坑的開挖較為敏感，在不同工況下，3號樁的沉降值均較大于1號與2號樁，最大模擬沉降值為4.2 mm。1號樁與2號樁的最終累計沉降值分別為4.17 mm和4.18 mm。三者最終累計沉降值相差較小，不會導致由于不均勻沉降產生過大的彎曲變形。開挖結束后橋墩模型的整體沉降位移變化矢量圖，如圖8所示。

圖8 橋墩模型的整體沉降位移矢量圖

3.2 周邊土體位移分析

由于基坑土體的開挖，導致基坑周邊的土體產生一定的擾動，鄰近基坑周邊的土體產生一定的應力釋放，產生土體變形，導致地表產生一定的沉降。基坑開挖后土體的水平變形位移云圖，如圖9所示。

由圖9所示的計算結果可知，由于基坑的開挖擾動作用，導致基坑周邊的土體向基坑方向產生一定的變形。從整體變形云圖可知，基坑上部周邊的土體呈現向基坑方向移動的趨勢。

圖9 土體的水平位移云圖

計算結果選取基坑附近土體的變形云圖，如圖10所示。由結算結果可知，由于基坑擾動開挖作用，導致基坑底部土體失去了原有的受力狀態，對于基坑底面裸露的土體而言，上覆土體的開挖相當于下部土體的應力釋放作用，導致基坑底面產生一定基坑回彈變形。

圖10 開挖基坑周邊土體的變形云圖

由于基坑模擬開挖過程中，圍護樁及橋墩的剛度遠大于周邊土體的剛度，在較大程度上阻礙了基坑邊緣土體的變形，導致最大變形產生于距離基坑較遠處的底邊，土體呈現出下凹的分布狀態，最大變形量為4.365 mm，與基坑周邊的地表沉降監測值的大小相近。

3.3 圍護樁位移分析

3.3.1 圍護樁水平位移分析

圍護樁是保證基坑安全的重要安全措施，對模擬結果圍護樁數據進行提取分析，1號圍護樁的計算結果與實測結果對比曲線，如圖11所示。

由圖11的變化曲線知，隨著基坑沿深度方向的不斷開挖，圍護樁的水平位移逐漸增大。1號圍護樁直徑為800 mm，最大水平位移值為6.15 mm。樁頂處的最大水平位移為5.81 mm，實測值為5.34 mm。計算值較實際監測值較大，兩者相差較小，誤差為0.47 mm，導致誤差的主要原因為：實際土層的參數與數值模擬計算參數的差異性以及計算過程中的簡化等。

圖11 1號圍護樁的水平位移對比曲線

2號圍護樁的水平位移變化曲線，如圖12所示，其曲線變化趨勢較1號樁相似，但位移方向相反，兩者均向基坑內發生位移。

由圖12的變化曲線可知，整體的圍護樁變形值較1號樁小得多，其原因在于為了減小對鄰近東一環高架橋的影響，加大了2號圍護樁的直徑，由原來的800 mm增加至1 000 mm，導致水平變形量較小。2號樁的最大水平位移量為3.65 mm，樁頂處的最大水平位移量為3.31 mm，與實測結果2.88 mm相差0.43 mm，兩者相差較小。

圖12 2號圍護樁的水平位移對比曲線

3.3.2 圍護樁沉降位移分析

通過不同工況下數值分析，針對計算結果的豎向沉降位移量的提取，分別得到圍護樁在設定的4種工況下的累計沉降位移值。4種不同工況下圍護樁1號和2號的累計豎向沉降值，如圖13所示。

圖13 不同工況下圍護樁的累計豎向沉降曲線

由數值模擬結果可知，基坑開挖兩側的圍護樁沉降曲線十分接近，1號圍護樁的沉降值較2號的沉降值大一點，但兩者相差很小，兩者的計算沉降值分別為4.18 mm和4.20 mm，計算結果與實測結果接近。

4 結束語

本文針對北大營街站的實際開挖過程，將其簡化為4種基本的施工工況，基于ABAQUS巖土分析軟件，建立二維數值計算模型，通過對擬定的4個車站的基本施工工況進行數值計算，得到如下結論。

（1）基坑的開挖擾動作用對鄰近高架橋基坑產生影響，通過對橋墩下3根橋樁的數據提取發現，3號橋樁的水平位移較1號與2號明顯。橋樁的累計水平位移變形值隨開挖深度而不斷增加。

（2）由于基坑的開挖，導致周邊土體應力釋放，產生土體變形，坑底回彈變形較明顯，基坑邊緣處由于圍護樁的支撐作用，變形較小。基坑周邊地表變形呈下凹型分布，且地表沉降最大值接近于實測值。

（3）基坑圍護樁變形一致，垂直變形較水平變形大，數值計算值與實際監測值吻合程度較好。