何文 周智鹏 郭地 张亚磊 卢姗青 卢雅欣 王玉锁

摘要：随着城市的快速发展，修建的城市轨道交通工程日益增多。由于城市空间有限，且上部主干道车流量大，采用半盖挖逆作法进行地铁车站的基坑开挖越来越普遍。文章基于实际在建某地铁车站项目，利用Midas GTS NX软件模拟深基坑开挖全过程，分析施工不同阶段地表沉降、围护结构及立柱变形的影响，结果表明：（1）深基坑开挖后明挖侧和盖挖侧地表沉降变形型式为“凹槽”形，沉降曲线明显不同，明挖侧坡度更大，且该基坑开挖对两侧地表的影响范围在45 m内。（2）围护桩的水平变形“弓”形，随着基坑的开挖，最大变形点所在深度逐渐增加，开挖全部完成后，水平位移最大值位置均在桩体深度15 m处左右，明挖侧最大位移值3.8 mm，盖挖侧最大位移值3 mm。（3）立柱水平位移曲线也呈弓形，立柱下部变形较小。立柱水平位移随着基坑开挖逐渐增大的，最大值在开挖完成后为2.5 mm。

[作者简介]何文（1989—），男，本科，高级工程师，主要从事城市轨道交通工程技术管理工作;周智鹏（1980—），男，本科，工程师，主要从事城市轨道交通工程、道桥工程全面管理工作;郭地（1990—），男，本科，工程师，主要从事城市轨道交通工程技术管理工作;张亚磊（1988—），男，本科，工程师，主要从事城市轨道交通工程技术管理工作。

地铁车站往往建设在城市主干道、十字路口等交通流量大的路面下方，施工场地有限，受空间条件、工期等限制。半盖挖法是结合明挖和盖挖的修筑方法，盖挖侧保证城市主干道上的车辆通行，明挖侧又方便施工出土与进料，因此半盖挖法越来越多的应用于地铁车站建设[1]。

深基坑施工过程中坑内土体的卸载会引起周边土体的地应力重分布以及围护结构的变形，导致对周围地表建筑物和地下结构的变形与破坏，另外，由于半盖挖深基坑一般都在城市主干道之下，车流量大，受顶部盖板上车辆荷载的扰动影响，且上部工作面开挖的不对称会造成深基坑两侧的变形与内力变化规律与传统基坑的不同，因此有必要开展针对半盖挖深基坑的研究。

文献[2]以北京地铁14号线平乐园车站为工程背景，综合分析了盖挖逆筑法车站围护结构的受力特性、深基坑设计方案选用的原则及基坑竖向和水平体系的设计方法等关键问题。

文献[3]等结合实测及数值分析，对基坑开挖过程中支护桩柱的变形和应力的特性进行了比较分析。得出桩身受力特性是一个动态变化过程。文献[4]分析了地铁车站盖挖法的设计方法，对基坑围护结构受力变形进行了分析，探明了明挖法与暗挖法的差异。

受交通条件限制，采用半盖挖法的地铁车站会越来越多，因此，研究该半盖挖法车站基坑的变形规律以及基坑内土方开挖对周边环境的影响等是十分有必要的，能够为后续类似地铁深基坑的设计施工提供一定的参考和应用价值。

1 工程实例

1.1 工程概况

武侯祠站位于武侯祠大街与武侯祠横街交叉口东北侧，沿武侯祠大街南北向布置。武侯某地铁车站为地下三层单柱两跨框架结构，局部为无柱段。采用纵向半盖挖、局部全盖挖及明挖法施工，车站主体长度533 m，标准段宽度20.7 m，顶板覆土5.0 m，基坑深度约25.81 m。

1.2 工程地质条件

经勘察揭示，本标段范围内组成岩性主要有三层结构：第四系全新统人工填土（Q4ml）：杂填土层;第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）：粉质黏土层、黏质粉土层、黏质粉土层、细砂层、中砂层、卵石层;白垩系上统灌口组（K2g）：强风化泥岩层、中等风化泥岩层等。自上而下依次为杂填土、粉质黏土、细砂、松散卵石、细砂、稍密卵石、中密卵石、中砂、稍密卵石、细砂、稍密卵石、密实卵石。基底位于密实卵石层中。地下水位在地面以下约6.9 m，基坑开挖深度约26.9 m，基底处于地下水位以下20 m，为保证施工安全，基坑内地下水位已降至基坑底面以下不小于0.5 m后才能进行基坑土方开挖。

2 深基坑开挖施工影响数值分析

2.1 数值模型的建立

依托成都市轨道交通某车站深基坑工程，采用Midas GTX/NX建立3维地层结构模型进行计算。考虑到边界效应，模型边界取为112 m×30 m×145 m（X×Y×Z）。其中，模型底部进行固定约束，模型侧面进行法向约束，模型顶部取至地面标高，不施加任何约束，为自由面。模型荷载仅考虑自重作用。数值模型如图1所示，支撑体系包括地下连续墙、混凝土支撑、钢支撑及立柱桩，如图2所示。

2.2 参数的选取

结合地质勘测资料及相关规范确定土体参数，如表1所示。

本项目中，基坑支护体系主要包括：混凝土支撑、钢支撑、立柱桩及围护桩。其中，混凝土支撑按照实际采用实体建模，钢支撑和中立柱不考虑实体建模，简化为梁单元。同时，将混凝土围护桩按照抗弯刚度相等的原则考虑为地下连续墙，所取模拟段围护桩桩径为1.2 m，间距为2.0 m，取1.2 m长进行等刚度计算，计算公式：

式中，E1为实际围护桩所用材料的弹性模量;E2为等效后地下连续墙的弹性模量;I1为围护桩的惯性矩;I2为地下连续墙的惯性矩。

结构部分参数如表2所示。

2.3 施工过程模拟

本研究使用的模拟软件以激活/钝化网格组来对施工各个环节予以模拟。结合项目实际施工方案，本次对深基坑开挖支护施工过程的模拟方式具体如下。

（1）S1：激活地层和开挖部分网格生成初始应力场并进行位移清零。

（2）S2：围护桩施工。

（3）S3：第一次土体开挖并布置第一道钢支撑。

（4）S4：第二次土體开挖。

（5）S5：第三次土体开挖，同时施作盖板、立柱桩及第二道混凝土支撑。

（6）S6：开挖第四层土体明挖部分，同时对盖板下部土体靠近明挖段边界进行侧向X方向约束。

（7）S7：开挖第四层盖板下部土体同时施作第三道钢支撑。

（8）S8：开挖第五层同时布置第四道混凝土支撑。

（9）S9：开挖第六层土体到基坑底部。

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

基坑开挖导致围护桩向基坑内的变形，周边土体向基坑内方向移动，从而地表产生沉降，提取明挖侧及盖挖侧不同施工阶段的地表沉降绘制沉降曲线，如图3、图4 所示。

由图中可以看出，基坑两侧靠近围护桩墙附近的土体有明显沉降趋势，开挖完成后的稳定阶段，沉降值达到最大，明挖侧沉降曲线的凹槽最低点更靠近基坑一些，盖挖侧最低点距基坑边为6 m，最大值为6.99 mm，而明挖侧距基坑边为6 m，最大值为7.35 mm。根据GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》，取20 mm作为地表沉降允许值，根据数值分析结果，地表沉降在限定控制标准范围内。

两侧最低点左边的沉降曲线明显不同，明挖侧坡度更大，各步骤盖挖侧邻近地表具有一定的沉降值，而明挖侧邻近地表沉降值很小。另外由曲线可知，在距基坑45 m处曲线趋于水平，且沉降值约等于零，因此该基坑开挖对两侧地表的影响范围在45 m内。

3.2 围护桩墙侧移分析

深基坑开挖完成后，围护桩侧移云图如图5所示。

进行土体开挖后，由于明挖侧部分土体的卸载，导致明挖侧围护桩发生向基坑内侧的变形，位移最大值在桩体上部，后续步骤，随着开挖的进行，位移逐渐增大，且侧移最大值发生位置逐渐向下发展。

分别提取明挖侧及盖挖侧不同深度围护桩体在不同施工阶段的水平位移，绘制时程曲线如图6、图7 所示。

对比两侧曲线可知：随着开挖的进行，围护桩的整体侧移值逐渐增大，围护桩变形呈两头小中间大的“弓”形，且桩体侧移峰值随开挖的进行向下移动。上层土体的不对称开挖使得盖挖侧与明挖侧的桩体水平位移变化趋势不一致。后续步骤两侧变形趋势均稳定，开挖全部完成后，水平位移最大值位置均在桩体深度15 m处左右，明挖侧最大位移值3.8 mm，盖挖侧最大位移值3 mm。

根据GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》，取30 mm作为坑围护墙水平位移允许值，根据数值分析结果，围护桩墙水平位移在限定控制标准范围内。

3.3 立柱侧移分析

深基坑开挖完成后立柱水平位移云图如图8所示，立柱柱身的水平位移曲线如图9所示。

由图可知，立柱有向明挖侧弯曲变形趋势，与围护桩的侧移曲线类似，立柱水平位移曲线也呈弓形，立柱下部变形较小。土体开挖时由于该部分土体的卸载导致明挖侧围护结构向基坑内的变形，而对盖挖侧的影响较小，所以该施工阶段下立柱顶部有向盖挖侧移动趋势。由曲线可看出，立柱水平位移是逐渐增大的，最大值在开挖完成后为2.5 mm。

5 结论

利用维有限元分析软件Midas GTS/NX，建立半盖挖地铁车站深基坑开挖数值模型，分析了施工过程中地表沉降、围护结构及立柱变形的影响，得出结论：

（1）深基坑开挖后明挖侧和盖挖侧地表沉降变形型式为“凹槽”形，沉降曲线明显不同，明挖侧坡度更大，且该基坑开挖对两侧地表的影响范围在45 m内。

（2）围护桩的水平变形“弓”形，随着基坑的开挖，最大变形点所在深度逐渐增加，开挖全部完成后，水平位移最大值位置均在桩体深度15 m处左右，明挖侧最大位移值3.8 mm，盖挖侧最大位移值3 mm。

（3）立柱水平位移曲线也呈弓形，立柱下部变形较小。立柱水平位移随着基坑开挖逐渐增大的，最大值在开挖完成后为2.5 mm。

参考文献

[1] 张宁. 黄土地区半盖挖地铁车站深基坑变形分析 [J]. 现代城市轨道交通， 2017（6）： 16-9.

[2] 王志红. 北京地铁平乐园站盖挖逆筑深基坑设计 [J]. 岩土工程学报， 2012， 34（S1）： 699-704.

[3] 张建新， 仲晓梅， 张淑朝， 等. 超深基坑盖挖逆作立柱桩承载变形性状分析 [J]. 巖土工程学报， 2008， 30（S1）： 400-3.

[4] 李铁生. 盖挖法地铁车站设计分析方法 [D]. 上海： 同济大学， 2007.