車站豎井開挖對周邊建筑物的安全性研究

畢永濤

(中鐵七局集團第二工程有限公司 遼寧沈陽 110000)

隨著中國經濟的飛速發展，城市建設也進入了高速擴張階段，隨著城市地上空間被不斷開發利用，城市建設會越來越多地向地下空間發展，其中，地鐵路線的建設必然會對原本的地面建筑物產生影響，這個問題已經發展到亟須解決的程度[1]。在目前地鐵建設過程中，施工地點位于城市經濟發達、交通繁忙地區的一般多采取暗挖法進行開挖建設。而在暗挖建設車站的過程中會出現一定的施工風險，特別是在建設車站附近存在既有建筑物時，有可能對車站建設和周邊建筑物造成難以估量的損失。在PBA暗挖車站施工區域過長或者是工程量特別巨大時，工程過程中一般會先建設數量不等的豎井來增加工程工作面，從而加快施工的進度，盡量縮短工期，節約工程成本和造價。我國不少學者都對豎井臨近建筑物這一方面進行了理論研究，一些學者提出了施工工法改進和軟件的數值模擬分析方法[2-3]。陳卓友[4]以科學中心站基坑開挖為工程背景，通過建立三維有限元模型，以開挖深度、基坑與建筑物樁基距離、樁基剛度等為變量，并與實測數據相結合，對基坑開挖對臨近建筑的影響展開了研究。鄭翠玲[5]以南昌城市三號線基坑工程為背景，采用模糊評價體系的方法，從建筑物年限使用狀況等因素對進坑支護優化進行了分析。王國林等人[6]從基坑臨近建筑物、臨近地下地鐵、基坑地下管線等幾個方面進行了綜合闡述，并指出了基坑施工中存在的一些問題，并給出了一定的建議。

結合以上各位學者的研究總結，當前關于地鐵暗挖車站建設中的豎井研究對周遭建筑物的影響研究特別稀缺，可供研究的工程實例也相對較少，由此可見，進行暗挖車站的豎井開挖對周邊建筑物影響是特別有研究價值和工程必要的。

1 工程概況

三好街站為地鐵3 號線的第二十座車站，前一站為方型廣場站，下一站為工業展覽館站。三好街站為3號線和規劃8號線的換乘站，3號線車站先期建設，規劃8 號線車站遠期建設。該車站為暗挖島式站臺車站，有效站臺寬度14 m，車站主體為地下兩層三跨框架結構，車站總長220.7 m。標準段寬度為22.7 m，標準段高度為15.6 m，頂板覆土厚度約7.0 m。車站共設置3 個施工豎井，其中1#施工豎井兼做站前區間盾構吊出井。該站共設4個出入口通道、4個地面出入口、1個安全出口、2組風道、2組地面風亭。其中，1#施工豎井結合1號風道設置，2#施工豎井結合B出入口設置，3#施工豎井結合D出入口設置。車站主體結構總平面圖如圖1所示。

圖1 車站主體結構總平面圖

本工程下穿南運河、高層建筑、既有綜合管廊、立交橋、大型市政管線等，工程施工風險大。

2 支護設計

三好街站1號豎井結構尺寸為11.3 m×9.8 m，深度分別為29.3 m，豎井采用鉆孔圍護樁+鋼支撐支護形式,內支撐第一層內支撐采用600 mm×1 000 mm混凝土支撐+樁頂冠梁，井口樁頂冠梁采用C30鋼筋混凝土結構，基坑鋼支撐采用A609 mm，t=16，預加軸力300～500 kN的鋼管支撐，鋼圍檁采用雙拼工45C工字鋼。

3 施工重難點

（1）本工程位于文化路的正下方，施工的關鍵是保證公路的安全。該項目的施工豎井設置在文化路的機動車道和非機動車道上，地下車站和地下隧道均在文化路的正下方，施工過程中要嚴格按照設計圖紙進行施工，加強施工監控，根據監測數據及時調整施工參數，如有需要，可以在人行道上鋪上鋼板，以預防路面沉降、塌陷，保證施工過程中的道路安全。

（2）洞內材料全部采用豎井式航吊進行垂直輸送，保證施工的安全是重點。該項目隧道內的材料全部由垂直式井口航吊機進行垂直輸送，其使用率高，工作負荷大，為保證其在使用中的安全，提升系統必須通過相關部門的驗收，并在使用期間安排專門人員對抓斗、吊鉤、鋼絲繩等各部件進行定期與不定期安全檢查，并經常性地進行保養維修，損壞嚴重的要進行更換處理。航吊司機和信號員必須經過訓練才能進入工作崗位。

（3）施工豎井規模小，井口深度大，材料全部由豎井吊裝，施工過程中的各個環節相互影響，施工組織困難。豎井比較小，也比較深，在井中的臨時生產設備（如上下樓梯、風管等）比較困難。在掘進和裝渣過程中，掘進機的工作受到了制約，各個工序之間的相互影響很大，施工組織困難，進度緩慢，是該項目的一個難題。

（4）地下管線密集，大型管線多，管線防護是該項目的重點。由于該標段地處鬧市區，車站和部分施工區域地下管線密集，建筑物上部的重要市政管道與建筑物之間距離較近，因此，對工程的施工安全影響較大。

（5）降水施工是施工中的關鍵問題。由于該項目不需要用水，因此，該項目的關鍵是降水。為疏干隧道和隧道中的土層，進行排水加固，有利于土方開挖，有利于改善支護結構被動區域的強度和穩定性，從而為隧道安全提供了有利的條件。

4 數值計算分析

4.1 數值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元軟件建立1號豎井基坑臨近建筑物三維有限元仿真模型。在三維基坑豎井模型建立方面將施工現場簡化成X方向長度是60 m，Y方向是60 m，Z方向是45 m；豎井基坑的尺寸是X方向10 m、Y方向15 m、Z方向30 m。周邊建筑物位置簡化到距基坑豎井10 m位置，模型在約束方面附加X、Y、Z方向底部約束位移，土體上表面不加約束。其中，土體、豎井基坑、建筑物均采用實體單元進行模擬，豎井內支撐、腰梁冠梁、豎井圍護樁均用梁單元進行模擬，建筑物筏板樁采用植入式梁單元，建筑物筏板采用板單元進行模擬。三維模型如圖2、圖3所示。

圖2 三維有限元分析模型

圖3 基坑豎井與建筑物的相對位置

4.2 計算參數

模型共分為五層土體，各層土體的物理參數、材料計算取值如表1、表2所示。

表1 土體物理力學參數

表2 材料計算取值

4.3 模擬工序

豎井基坑分層開挖，分層支護，豎井開挖總深為30 m，分6次開挖，在開挖基坑之前需要先將周圍建筑物地上部分，地下部分進行激活，地上部分包括25 m高的建筑物，地下部分包括地下室3 m 建筑物筏板和長14 m 的建筑物筏板樁。然后在進行初次支護結構施工時，將圍護樁、地連墻、冠梁進行激活，在開挖時每開挖一次進行一次內支撐與腰梁的建設，保證開挖一部分支護一部分，模擬過程一共分為15步。

4.4 計算結果與分析

在車站豎井建筑物4個角進行節點位移沉降的檢測，對豎井的每一個施工步驟進行檢測分析。建筑物沉降檢測節點的編號及具體位置，如圖4所示。

圖4 檢測節點

節點在各個施工過程中的地表沉云圖結果如圖5所示，施工步序圖如圖6所示。

圖5 結果云圖

圖6 節點監測數據

圖6 中曲線詳細描述了建筑物4 個節點監測點的沉降。由圖6可知，最大沉降處出現在節點40 481處，達到了15.44 mm；最小建筑物沉降在節點40 473處，僅為3.78 mm。隨著基坑豎井的開挖，在開始階段建筑物沉降變化不大，隨著施工段的不斷進行，建筑物沉降開始增加。本工程基坑部分采用的是鉆孔灌注樁+鋼支撐支護形式增加混凝土內支撐等方法，建筑物下放設置有建筑物筏板樁，建筑物筏板等使其使沉降控制在一定范圍內。

5 結論

基坑豎井開挖暗挖地鐵車站前一道非常重要的施工工序，其中極其重要的一步是控制由于基坑豎井開挖引起的周邊建筑物沉降。通過Midas Gts Nx 軟件進行了簡單的基坑豎井開挖施工模擬，可以得到以下結論。

（1）本文通過模型分析了豎井開挖過程中引起得建筑物沉降值在節點40 481 處最大為19.44 mm，在40 473節點處最小值為3.78 mm。

（2）通過有限元Midas Gts Nx模擬基坑豎井開挖過程中內支撐，圍護樁、冠梁腰梁等支護措施得加固，有效地控制了開挖過程中引起的建筑物的沉降值。