預制裝配式地鐵車站支護形式研究

佟顯濤

近年來預制裝配式技術在我國得到了快速的發展，并成功應用到建筑工程、橋梁工程、地鐵盾構等各個領域。但對于地鐵車站來說，預制裝配式技術應用仍處于探索階段，主要原因是地鐵車站基坑一般采用鉆孔灌注樁+鋼支撐支護形式，不能為預制裝配式地鐵車站基坑施工提供較大的操作空間，基坑施工安全、質量、進度難以保證。為推進預制裝配式技術在地鐵車站施工中的應用，探索鉆孔灌注樁+預應力錨索支護形式的適用性，本文通過有限差分軟件對兩種支護形式下的基坑開挖過程進行數值模擬分析，并現場采集監測數據與數值模擬對比，為后續類似工程設計與施工提供依據。

1996年俄羅斯奧林匹克站首次建成裝配式地鐵車站，車站整體結構形式為裝配式層間樓板單拱結構。國內預制裝配式技術在建筑工程領域應用較早，其他領域應用較晚，尤其是地鐵車站的預制裝配式技術應用研究，直到21世紀初才開始。

目前，國內地鐵車站一般采用傳統的支模現澆技術，受其工藝影響，地鐵車站施工具有建設周期長、場地空間小、資源耗費多、交叉干擾大、安全風險高等特點。地鐵車站應用預制裝配式技術雖然可以有效地解決上述問題，但預制構件現場裝配需要較大的操作空間，目前地鐵車站基坑采用的鉆孔灌注樁+鋼支撐支護形式不能滿足要求。地鐵車站基坑采用鉆孔灌注樁+預應力錨索支護形式雖然能夠給預制構件現場裝配提供較大的操作空間，但鉆孔灌注樁+預應力錨索支護形式能否保證地鐵車站基坑施工過程安全，能否與預制裝配工藝相適應還需進一步確認 。

數值模擬是利用計算機對基坑施工過程進行數值模擬計算，可對不同支護形式下基坑施工進行穩定性分析，用以指導施工的同時，復核設計方案的合理性，是地鐵車站基坑施工重要的技術保障手段之一。

一、工程概述

長春地鐵7號線安慶路站為預制裝配式地鐵車站。車站主體長302m，中間188m為裝配式拼裝段，兩端為支架現澆段。裝配式拼裝段為樁錨支護形式，現澆段為樁撐支護形式。裝配段樁錨共6層錨索，錨索水平間距1.4m，豎向間距2.9/3.5/3m，錨索長度14～26m。現澆段采用4層鋼支撐，第一層、第二層為Φ609 t=16鋼支撐，第三層、第四層為Φ800 t=16鋼支撐。

本文取安慶路站施工過程為研究對象，在忽略地下水對施工不利影響的前提下，采用軟件建立地鐵車站的有限元模型，分析樁錨和樁撐支護對基坑開挖的影響，對比現場實際監測獲得的數據得出樁錨和樁撐支護形式對基坑開挖的影響程度。

二、樁錨樁撐支護形式下基坑開挖對周圍土體影響的數值模擬

1.數值模型建立

基坑豎向分五層縱向分段進行開挖，開挖寬度為26m，開挖深度為17.3m，開挖長度為240m。計算范圍沿開挖各個方向均不小于3倍開挖距離。模型底部為固定約束邊界，左、右側為x方向約束邊界，前、后側為y方向約束邊界，模型頂部為自由邊界。模型分析過程采用摩爾-庫倫準則，模型截取基坑一部分進行分析，取基坑前108m進行分析。模型X方向長度為208m、Y方向184m、Z方向86m。模型單元：45600個，節點：49686個，數值模型如圖1示。

圖1 三維數值模型及地層分布

2.樁錨樁撐支護形式下基坑開挖限值對比

（1）不同支護形式下基坑開挖水平位移限值對比

圖2和圖3是對比在樁錨和樁撐支護形式下基坑周圍土體水平位移的變化情況。據計算云圖顯示，基坑開挖在樁錨支護形式下進行，基坑外周圍土體產生的最大水平位移為8.1mm；基坑開挖在樁撐支護形式下進行，基坑周圍土體產生的最大水平位移為16.5mm。

圖2 樁錨支護形式下水平方向變形云圖

圖3 樁撐支護形式下水平方向變形云圖

由此可以看出，基坑在樁撐支護形式下開挖周圍土體產生的最大水平位移是樁錨形式下開挖的約2倍。

（2）不同支護形式下基坑開挖豎向位移限值對比

圖4和圖5是對比在樁錨和樁撐支護形式下基坑外周圍土體豎向位移的變化情況。據計算云圖顯示，在樁錨支護形式下進行基坑開挖，基坑周圍土體產生的最大豎向位移為11.8mm；在樁撐支護形式下進行基坑開挖，基坑周圍土體產生的豎向位移為19.2mm。

圖4 樁錨支護形式下豎直方向變形云圖

圖5 樁撐支護形式下豎直方向變形云圖

由此可以看出，基坑在樁撐支護形式下開挖周圍土體產生的最大豎向位移是樁錨形式下開挖的約1.6倍。

3.樁錨樁撐支護形式下基坑開挖土體變形規律分析

（1）不同支護形式下水平位移規律

圖6、圖7是不同開挖階段，樁錨和樁撐支護形式下基坑外周圍地表土體水平變化曲線。

圖6 樁錨支護形式下水平方向變形

圖7 樁撐支護形式下水平方向變形

由圖可知基坑在樁錨和樁撐支護形式下，坑外土體水平方向上的曲線變化規律。由曲線可以看出基坑外土體水平方向上的位移呈“凸”型分布，隨著深度不斷增加，到達一定深度后逐漸減小，且樁錨支護和樁撐支護兩種支護形式下變化規律大致相同。

（2）不同支護形式下豎向位移規律

圖8、圖9是不同開挖階段，樁錨和樁撐支護形式下基坑外周圍地表土體豎向變化曲線。

圖8 樁錨支護形式下豎直方向變形

圖9 樁撐支護形式下豎直方向變形

由圖可以知，兩種支護形式下基坑周圍土體沉降變形曲線都呈“凹”形變，隨著深度不斷增加，到達一定深度后逐漸減小，且樁錨支護和樁撐支護兩種支護形式下變化規律大致相同。

四、工程應用驗證

為了驗證數值模擬樁錨樁撐支護形式下的基坑外周圍土體變形是否符合實際情況。通過現場采集監測點數據與數值模擬結果進行對比分析。

由圖10可以看出，現場實際監測數據水平方向最大變形為6.8mm，由圖11可以看出，現場實際監測數據豎直方向上沉降為10.2mm。由圖還可以看出在樁錨支護形式下基坑在水平方向上和豎直方向上的變形略大于實際監測數據。

圖10 基坑外土體水平方向位移曲線

圖11 基坑外土體豎直方向位移曲線

鑒于受地表荷載、周圍建筑物、施工降水以及其他等多種因素影響，地表也會出現不同程度的下沉。同時數值模擬是理想條件下的模型，不能與實際情況完全吻合，因此，結果與實際存在偏差，但是變化規律與現場實際基本相同。

五、結語

綜上所述，能夠得出以下結論：

（1）從數值模擬計算與現場實際監測數據曲線可以看出，樁錨支護形式下地鐵車站基坑開挖過程土體變形限值小于樁撐支護形式下變形限值，大于現場實際監測數據，支護形式偏于保守，樁錨支護形式適用于地鐵車站基坑施工。

（2）采用數值模擬計算基坑開挖過程中，由于模型建立是在理想狀態下進行的，不能代表實際工程中所存在的復雜地質條件，所以數值模擬計算結果與實際監測數據存在一定誤差，為了提高計算精度，模型參數的取值還需要進一步探討。