佟显涛

近年来预制装配式技术在我国得到了快速的发展，并成功应用到建筑工程、桥梁工程、地铁盾构等各个领域。但对于地铁车站来说，预制装配式技术应用仍处于探索阶段，主要原因是地铁车站基坑一般采用钻孔灌注桩+钢支撑支护形式，不能为预制装配式地铁车站基坑施工提供较大的操作空间，基坑施工安全、质量、进度难以保证。为推进预制装配式技术在地铁车站施工中的应用，探索钻孔灌注桩+预应力锚索支护形式的适用性，本文通过有限差分软件对两种支护形式下的基坑开挖过程进行数值模拟分析，并现场采集监测数据与数值模拟对比，为后续类似工程设计与施工提供依据。

1996年俄罗斯奥林匹克站首次建成装配式地铁车站，车站整体结构形式为装配式层间楼板单拱结构。国内预制装配式技术在建筑工程领域应用较早，其他领域应用较晚，尤其是地铁车站的预制装配式技术应用研究，直到21世纪初才开始。

目前，国内地铁车站一般采用传统的支模现浇技术，受其工艺影响，地铁车站施工具有建设周期长、场地空间小、资源耗费多、交叉干扰大、安全风险高等特点。地铁车站应用预制装配式技术虽然可以有效地解决上述问题，但预制构件现场装配需要较大的操作空间，目前地铁车站基坑采用的钻孔灌注桩+钢支撑支护形式不能满足要求。地铁车站基坑采用钻孔灌注桩+预应力锚索支护形式虽然能够给预制构件现场装配提供较大的操作空间，但钻孔灌注桩+预应力锚索支护形式能否保证地铁车站基坑施工过程安全，能否与预制装配工艺相适应还需进一步确认 。

数值模拟是利用计算机对基坑施工过程进行数值模拟计算，可对不同支护形式下基坑施工进行稳定性分析，用以指导施工的同时，复核设计方案的合理性，是地铁车站基坑施工重要的技术保障手段之一。

一、工程概述

长春地铁7号线安庆路站为预制装配式地铁车站。车站主体长302m，中间188m为装配式拼装段，两端为支架现浇段。装配式拼装段为桩锚支护形式，现浇段为桩撑支护形式。装配段桩锚共6层锚索，锚索水平间距1.4m，竖向间距2.9/3.5/3m，锚索长度14～26m。现浇段采用4层钢支撑，第一层、第二层为Φ609 t=16钢支撑，第三层、第四层为Φ800 t=16钢支撑。

本文取安庆路站施工过程为研究对象，在忽略地下水对施工不利影响的前提下，采用软件建立地铁车站的有限元模型，分析桩锚和桩撑支护对基坑开挖的影响，对比现场实际监测获得的数据得出桩锚和桩撑支护形式对基坑开挖的影响程度。

二、桩锚桩撑支护形式下基坑开挖对周围土体影响的数值模拟

1.数值模型建立

基坑竖向分五层纵向分段进行开挖，开挖宽度为26m，开挖深度为17.3m，开挖长度为240m。计算范围沿开挖各个方向均不小于3倍开挖距离。模型底部为固定约束边界，左、右侧为x方向约束边界，前、后侧为y方向约束边界，模型顶部为自由边界。模型分析过程采用摩尔-库伦准则，模型截取基坑一部分进行分析，取基坑前108m进行分析。模型X方向长度为208m、Y方向184m、Z方向86m。模型单元：45600个，节点：49686个，数值模型如图1示。

图1 三维数值模型及地层分布

2.桩锚桩撑支护形式下基坑开挖限值对比

（1）不同支护形式下基坑开挖水平位移限值对比

图2和图3是对比在桩锚和桩撑支护形式下基坑周围土体水平位移的变化情况。据计算云图显示，基坑开挖在桩锚支护形式下进行，基坑外周围土体产生的最大水平位移为8.1mm；基坑开挖在桩撑支护形式下进行，基坑周围土体产生的最大水平位移为16.5mm。

图2 桩锚支护形式下水平方向变形云图

图3 桩撑支护形式下水平方向变形云图

由此可以看出，基坑在桩撑支护形式下开挖周围土体产生的最大水平位移是桩锚形式下开挖的约2倍。

（2）不同支护形式下基坑开挖竖向位移限值对比

图4和图5是对比在桩锚和桩撑支护形式下基坑外周围土体竖向位移的变化情况。据计算云图显示，在桩锚支护形式下进行基坑开挖，基坑周围土体产生的最大竖向位移为11.8mm；在桩撑支护形式下进行基坑开挖，基坑周围土体产生的竖向位移为19.2mm。

图4 桩锚支护形式下竖直方向变形云图

图5 桩撑支护形式下竖直方向变形云图

由此可以看出，基坑在桩撑支护形式下开挖周围土体产生的最大竖向位移是桩锚形式下开挖的约1.6倍。

3.桩锚桩撑支护形式下基坑开挖土体变形规律分析

（1）不同支护形式下水平位移规律

图6、图7是不同开挖阶段，桩锚和桩撑支护形式下基坑外周围地表土体水平变化曲线。

图6 桩锚支护形式下水平方向变形

图7 桩撑支护形式下水平方向变形

由图可知基坑在桩锚和桩撑支护形式下，坑外土体水平方向上的曲线变化规律。由曲线可以看出基坑外土体水平方向上的位移呈“凸”型分布，随着深度不断增加，到达一定深度后逐渐减小，且桩锚支护和桩撑支护两种支护形式下变化规律大致相同。

（2）不同支护形式下竖向位移规律

图8、图9是不同开挖阶段，桩锚和桩撑支护形式下基坑外周围地表土体竖向变化曲线。

图8 桩锚支护形式下竖直方向变形

图9 桩撑支护形式下竖直方向变形

由图可以知，两种支护形式下基坑周围土体沉降变形曲线都呈“凹”形变，随着深度不断增加，到达一定深度后逐渐减小，且桩锚支护和桩撑支护两种支护形式下变化规律大致相同。

四、工程应用验证

为了验证数值模拟桩锚桩撑支护形式下的基坑外周围土体变形是否符合实际情况。通过现场采集监测点数据与数值模拟结果进行对比分析。

由图10可以看出，现场实际监测数据水平方向最大变形为6.8mm，由图11可以看出，现场实际监测数据竖直方向上沉降为10.2mm。由图还可以看出在桩锚支护形式下基坑在水平方向上和竖直方向上的变形略大于实际监测数据。

图10 基坑外土体水平方向位移曲线

图11 基坑外土体竖直方向位移曲线

鉴于受地表荷载、周围建筑物、施工降水以及其他等多种因素影响，地表也会出现不同程度的下沉。同时数值模拟是理想条件下的模型，不能与实际情况完全吻合，因此，结果与实际存在偏差，但是变化规律与现场实际基本相同。

五、结语

综上所述，能够得出以下结论：

（1）从数值模拟计算与现场实际监测数据曲线可以看出，桩锚支护形式下地铁车站基坑开挖过程土体变形限值小于桩撑支护形式下变形限值，大于现场实际监测数据，支护形式偏于保守，桩锚支护形式适用于地铁车站基坑施工。

（2）采用数值模拟计算基坑开挖过程中，由于模型建立是在理想状态下进行的，不能代表实际工程中所存在的复杂地质条件，所以数值模拟计算结果与实际监测数据存在一定误差，为了提高计算精度，模型参数的取值还需要进一步探讨。