刘国辉，肖　峰，李英杰

(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100142；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)



地铁车站盖挖逆作法施工结构内力和变形数值模拟

刘国辉1，肖峰2，李英杰1

(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100142；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

摘要：依托北京地铁某车站盖挖逆作法施工过程，通过有限元数值模拟研究顶板、中板、底板和侧墙的受力和变形状态随施工过程的变化规律，分析中间桩(柱)受力随施工过程的变化过程。计算表明，随施工过程进行，中柱的应力变化情况为先处于受拉状态，在上覆土回填之后又转为受压状态，而顶板上侧在靠近侧墙和中间柱附近位置处于受拉状态，下侧则相反。此外，还研究了施工过程中围护结构、中间柱差异沉降规律，表明中柱间最大差异沉降以及中间柱与侧墙最大差异沉降均小于规范允许值。最后对车站施工期间的安全性以及对周围建筑物的影响进行了评价。

关键词：盖挖逆作法；数值计算；结构内力；地层沉降

地铁车站盖挖逆作法施工过程中，车站结构会涉及到复杂的受力和变形状态，以及力学转换过程。已有学者采用有限元等数值计算方法，对逆作法施工进行了模拟[1]，并对不同设计方案及其支护结构进行稳定性分析和参数优化[2]。此外，一些研究[3]还对地铁施工现场的车站主体土方开挖、中间桩柱施工、差异沉降控制、防水处理等问题进行了分析，并分析结构和地层的最终沉降量[4]。苏洁等[5]以北京地铁4号线动物园车站施工过程为例，考虑盖挖逆作施工过程中地层及结构动态力学响应过程，采用有限元计算软件对施工过程中车站结构变形进行模拟分析，提出车站施工过程的分阶段控制方法。魏玉超等[6]就城市地铁车站工程的盖挖逆作法施工技术进行了介绍。而郑骐[7]和赵育红[8]重点分析了在地铁车站采用盖挖逆作法进行中间柱施工的工艺原理、工艺流程以及质量和安全措施。总体而言，由于地铁车站盖挖逆作法施工过程十分复杂，施工力学过程仍有待于进行深入讨论。

本文以北京地铁14号线东湖渠站为工程背景，通过数值模拟手段，对车站结构在施工过程中的受力和变形状态进行分析，进而对盖挖逆作法施工中的一些关键受力状态进行研究。

1　数值计算过程

1.1物理模型

东湖渠站位于广顺北大街下方，北至望京北路，南至利泽中街，为14号线标准站。东湖渠站为地下两层，采用12 m岛式站台，双柱三跨混凝土结构。车站共设4个出入口、1个消防通道和2组风亭。车站主体采用盖挖逆作法施工，顶板分东西半幅施工，附属结构采用暗挖配合明挖施工。

用Midas GTS有限元软件模拟车站施工过程。根据现场地质条件和水文条件确定材料参数，建立车站和周围土体的三维模型。三维模型140 m长，75 m宽，50 m深。模拟区域为纵向：车站靠北侧中间柱轴20号至轴36号122 m外加北端基坑外侧18 m的土体；横向：基坑内侧25 m加上基坑东西两侧25 m的土体；竖向从地面往下50 m深土体。

1.2本构模型和参数选取

概化后的土层参数见表1，土体单元类型为实体单元，采用摩尔-库伦本构模型。中间柱、中间桩单元类型为梁单元，顶板、中板、底板、侧墙的单元类型为板单元，悬臂桩单元类型为板单元，围护桩在建模过程中通过修改单元属性的手段来添加，单元类型为实体单元。悬臂桩单元类型为板单元，围护桩在建模过程中通过修改单元属性的手段来添加，单元类型为实体单元。上述结构材料假定为弹性材料，见表2。

表1　地层土性参数

表2　车站结构的几何尺寸和材料参数

1.3悬臂桩和围护桩的等效方法

为简化模型，可以按照刚度等效的原则，将密集布置的悬臂桩和围护桩转化成一定厚度的地下连续墙(图1)。具体方法为：设钻孔桩的桩径为D，桩净距为t，则单根桩应等价为长D+t的地下连续墙，设等价后的地下连续墙厚度为h，则由等刚度转换的原则得：

(1)

于是

(2)

图1等效刚度转换

对于搅喷桩，可以视作对土体灌浆，灌浆后土体刚度E=2E0(E0为灌浆前土体刚度)。由于车站采用盖挖逆作法施工，需先施作车站顶板，顶板基坑四周悬臂桩采用Φ600@1000钻孔灌注桩，即D=0.6，t=0.4，得到悬臂桩等效地下连续墙厚度h=0.42 m。

车站主体围护结构为Φ1000@1500钻孔灌注桩，采用长螺旋高压搅喷桩与围护桩咬合成墙的方案。搅喷桩按灌浆后土体来计算刚度，即

(3)

式中，搅喷桩和围护桩直径、间距均相同D=1，t=0.5，混凝土弹性模量Ec=2.17×107kPa，灌浆前土体弹性模量E0=2×104kPa，则计算得到围护桩与搅喷桩等效地下连续墙厚度h=0.75 m。

1.4荷载确定

车站施工期间，基坑两侧存在双向三车道车辆荷载，城市道路主要车辆为小客车。根据城市道路工程设计规范(CJJ-37-2012)第3.3.1条：小客车轴距为3.8 m；第3.6.1条：道路路面结构设计应以双轮组单轴载100 kN为标准轴载。考虑前后两辆车之间轴距为10 m，车道宽度为3.3 m，则等效的路面荷载：P=2×100/(3.8+10)×3.3=4.4 kPa。

2　模拟结果与分析

图2为中间柱的计算结果。图中位置1位于中柱内距顶板1 m处，位置2位于中柱内距顶板2.5 m处，位置3位于中柱内距顶板4 m处，位置4位于中柱内距中板1 m处，位置5位于中柱内距中板3.5 m处，位置6位于中柱内距中板6 m处。可以看出，在西半幅中柱施做后一段时间内由于西侧上覆土开挖，导致西中柱周围土体回弹，对中柱产生向上的负摩阻力，使柱体处于受拉状态。顶板施工后，西侧上覆土回填，中柱在承受上覆土荷载的情况下逐渐变为受压状态，并且压应力随着施工过程逐渐增大。数值模拟最大拉应力为1.9 MPa，最大压应力为8.3 MPa。

图2中间柱应力随施工步骤变化过程

针对西半幅顶板，由西向东沿顶板横向设置5个计算点，分别距离西侧墙1 m，3 m，5 m，7 m，9 m处。由图3可以看出，顶板上侧在施工过程中位置2、3、5处于受压状态，即侧墙与中间柱之间中间位置和中间柱与中间柱之间中间位置处于受压状态，最大压应力值4 MPa。位置1处于顶板与侧墙连接处附近，在施工过程中一直处于受拉状态，最大拉应力4 MPa。位置4由于处在中间柱附近，竖向位移受到约束，施工过程中应力状态反转，由受压状态转为受拉状态，拉应力值较小。顶板下侧在施工过程中位置2、3、5则处于受拉状态，最大值3 MPa；此时位置1则处于受压状态，最大压应力值5 MPa；同样的位于中间柱附近的位置4由受拉状态转为受压状态，压应力值也较小。

图3表明，顶板上侧在靠近侧墙和中间柱附近位置处于受拉状态，其余位置处于受压状态；而顶板下侧则相反，在靠近侧墙和中间柱附近位置处于受压状态。应该看到，数值分析中顶板上、下的最大拉应力值都较大，说明顶板的这些位置是受力较大的地方，需要重点注意。

图3顶板应力随施工步骤变化过程

图4表示的是数值模拟中板上侧和中板下侧应力计算结果。位置4～7处于中间柱附近，在施工过程前期上侧处于受拉状态，拉应力随着施工过程逐渐增大，最大值达到1.6 MPa，在地下二层土开挖后，相应位置处中板上侧应力发生转变，与中板两侧其他位置处一样，处于受压状态，最大压应力2 MPa。中板两侧位置在施工过程前期下侧处于受拉状态，拉应力随着施工过程逐渐增大，最大值达0.6 MPa，在地下二层土开挖后，相应位置处中板下侧应力发生转变，与中板中间位置处一样，处于受压状态，最大压应力2.3 MPa。

图4中板应力随施工步骤变化过程

由图4可以看出，中板上侧靠近中间柱位置及中板下侧靠近侧墙位置处应力均会随施工过程而发生应力转变，由最初的受拉状态转为受压状态，最终中板各个位置上、下侧均处于受压状态。导致中板应力反转的原因是由于地下二层土开挖后，基坑外侧土的侧向土压力释放，原来由地下二层土承担的水平应力在地下二层土挖走后，通过侧墙转移到中板承担。竖直方向中板主要承担自重荷载，而自重荷载产生的弯矩相对较小，截面上的拉应力和压应力大大小于基坑外侧土侧向土压力转移到中板上产生的压应力，二者叠加后使得整个中板处于受压状态。

对侧墙表面沿竖向方向依次设置3个计算点，位置由上至下分别为距离顶板1 m处、2.5 m、4 m处。图5表明，侧墙内侧施工后处于受拉状态，且随施工过程拉应力逐渐增大，在侧墙下部的地下二层土开挖后，应力随即变为受压状态，最大压应力0.45 MPa。侧墙外侧施工后处于受压状态，在地下二层土开挖后，压应力迅速增大，最大值达到0.23 MPa。另外，侧墙内侧位置3处以及侧墙外侧位置2处在地下二层土开挖后均处于受拉状态，最大拉应力在0.05 MPa左右。

图5侧墙应力随施工步骤变化过程

此外，由图5(a)可看出，在施工过程中靠上侧的侧墙内表面施做后处于受拉状态，在地下二层土开挖后转为受压状态。图6表示数值模拟的中板上表面应力变化情况,显示在施工过程中中板上表面大部分处于受压状态，只有在中柱和侧墙附近可能出现局部受拉的情况。

图6中板上表面应力随施工步骤变化过程

3　中柱、侧墙之间差异沉降

盖挖逆作法中桩(柱)、连续墙在施工时间上存在先后顺序，故而中柱与连续墙之间存在差异沉降，当这种差异沉降过大，超过规定值时，往往会导致结构开裂，甚至产生破坏。

现分析车站结构东西侧墙和东西中柱的沉降，其随施工步骤的沉降值见表3。东、西中柱的沉降值(或回弹)在相应上覆土层开挖时较大，随着上覆土回填及后续施工，回弹值逐渐减小，在地下二层土开挖时达到最大。两侧侧墙在地下二层土开挖时回弹最大，随后减小。由于施工的先后差异，东、西中柱，东、西侧墙之间存在差异沉降。例如，东、西中柱间最大差异沉降发生在西上覆土开挖后，达到8 mm；西侧墙与西中柱、东侧墙与东中柱最大差异沉降均发生在底板侧墙施工阶段，分别为3.1 mm和0.5 mm。

表3　侧墙、中柱沉降随施工步骤变化过程　单位：mm

根据以往的施工经验，地下结构中相邻中柱之间以及相邻的桩柱和连续墙之间的沉降差值不能超过20 mm，或者不能超过柱间距长度的1/400。在本研究中，侧墙与相邻中柱之间的距离为7 m，东、西中柱间距离为6 m，柱间距长度的1/400即15 mm，侧墙与中柱间最大差异沉降3.1 mm，小于20 mm；东、西中柱间最大差异沉降8 mm，小于柱间距长度1/400(图7)。因此，施工过程中侧墙、中柱的差异沉降能满足要求。

图7侧墙与中柱差异沉降随施工过程变化

4　结构向内收敛位移分析

在基坑开挖过程中，围护结构的水平位移一直是工程关注的一个重点，当其水平位移过大时，往往预示着基坑有破坏的可能。在本车站中采用盖挖逆作法施工，开挖车站上覆土时，基坑外侧土靠基坑外围悬臂桩支持。在上覆土开挖和顶板施工过程中，基坑东侧悬臂桩桩身的水平位移如图8，在步骤3东侧上覆土开挖时，桩体水平位移变化较大，桩顶位移达到4 mm，在上覆土回填前，桩顶位移最大6.6 mm。规范中规定基坑侧壁水平位移小于30 mm或者2‰H(H为基坑开挖深度)，本车站中上覆土层厚5 m，即H=5 000 mm，2‰H=10 mm。可见，悬臂桩最大水平位移小于规范允许值。

图9为东围护桩随施工过程水平位移变化情况。可以看出，在地下一层土开挖过程中，桩身水平位移显著增大，由于桩顶受已施工的顶板约束，水平位移几乎不发展。地下二层土开挖过程中，相应位置桩体水平位移发展最快，并超过了桩顶的水平位移，而围护桩上部由于受到顶板和中板的约束，水平位移发展很缓慢。整个桩体的变形趋势也由原来的悬臂式变形曲线逐渐变为S形变形曲线，在图9中位置8处，位移曲线存在反弯点，实际工程中此处对应中板位置。由此可见，虽然围护桩埋深较悬臂桩深，相应的侧向土压力更大，但由于顶板和中板的侧向支撑约束作用，围护桩在施工过程中的水平位移也较小。东侧围护桩在整个施工过程中最大水平位移6.3 mm，桩顶最大水平位移4.7 mm，同样均小于规范允许值。这也反映出地铁车站盖挖逆作法施工的一个优势，那就是施工过程中围护结构变形小，能够有效控制周围土体的变形和地表沉降，有利于保护临近建筑物和构筑物。

图8东悬臂桩水平位移随施工过程变化

图9东围护桩水平位移随施工过程变化

5　结　论

(1)施工过程中，中柱的应力变化情况为先处于受拉状态，在上覆土回填之后，转为受压状态，并且压应力逐渐增大。

(2)顶板上侧在靠近侧墙和中间柱附近位置处于受拉状态，其余位置处于受压状态；而顶板下侧则相反，在靠近侧墙和中间柱附近位置处于受压状态，其余位置处于受拉状态。

(3)中板上侧靠近中间柱位置以及中板下侧靠近侧墙位置处应力均会随着施工过程而发生应力转变，由最初的受拉状态转为受压状态，最终中板各个位置上、下侧均处于受压状态。

(4)侧墙受力较为复杂，在侧墙对应位置的地下二层土未开挖前，侧墙内侧均受拉，外侧均受压；在地下二层土开挖后，侧墙内外侧大部分处于受压状态，只在侧墙下部存在局部受拉区域，拉应力值相对较小。

(5)中柱间最大差异沉降8 mm，中间柱、侧墙最大差异沉降3.1 mm；基坑最大水平位移分别为6.6 mm和6.3 mm，均小于规范允许值，施工过程有效的控制了周围地层的变形。

参考文献：

[1]白冰,聂庆科，吴刚，等.考虑空间效应的深基坑双排桩支护结构计算模型[J].建筑结构学报,2010,31(8):118-124．

[2]郑刚，刘庆晨，邓旭，等.天津站地下换乘中心基坑工程2标段盖挖逆作法的实测分析[J].天津大学学报,2012,45(10):930-937.

[3]赵玉玺.盖挖逆作法地铁车站方形中间桩柱定位技术[J].隧道建设,2013,33(7):607-614.

[4]丁克胜，李旭，易顺建.仿真盖挖逆作法土方开挖过程中地下连续墙的变形分析[J].建筑技术,2014,45(3)：204-206.

[5]苏洁,张顶立,高自友，等.盖挖逆作法施工地铁车站结构变形及其控制[J].中国铁道科学,2010,31(1):59-65.

[6]魏玉超,张志军.城市地铁车站工程的盖挖逆作法施工技术[J].城市建设理论研究,2013,(24):27-34.

[7]郑骐.盖挖逆作法地铁车站的中间桩施工技术[J].市政技术,2009,27(5):498-500.

[8]赵育红.地铁车站盖挖逆作法中间柱施工技术[J].四川建筑科学研究,2014,(3):327-330.

TheNumericalSimulationoftheStressandDeformationontheStructuresofSubwayStationsInducedbyTop-downExcavationMethod

LIU Guo-hui1,XIAO Feng2,LI Ying-jie1

(1.ChinaConstructionCommunicationsEngineeringGroupCorp.,Ltd.,Beijing100142,China;2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract：In the construction process,the stress and deformation characteristics of the main structure induced by top-down excavation method of a subway station in Beijing were studied by adopting numerical caculation.By using finite element numerical simulation,the stress state and deformation status of the top,middle and bottom plate and side walls in response to the construction process of the station were studied to analyze the changing process of the middle pile(or column)under stress during the construction.The results showed that the stress value of the middle pile changed continuously with the construction of the subway station,which was tensile stress at first and then turned into compressive stress when the pit was backfilled;whereas the the upper part of the top plate which was adjacent to the side walls and the middle pile was under tensile stress,but the bottom part was the opposite.Besides,the differential settlement of the middle pile and enclosing supporting structure were studied,which proved that the maximum differential settlement of the middle pile and that between the middle pile and the sidewalls were all less than the allowable value according to the specification.In the end,the safety of the construction of the subway station and its impact on the adjacent buildings were evaluated.

Keywords：top-down excavation method;numerical calculation;internal stress of the structure;settlement of soil layer

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.039

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0193—06

作者简介：刘国辉(1977—)，女，河北承德人，高级工程师，主要从事岩土工程设计与施工方面的研究工作。

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-07