郭小娜，程　桦，盛飞国

地铁车站与下穿桥结构一体化施工数值分析

郭小娜1，程桦2，盛飞国1

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022；2.安徽大学，安徽 合肥 230031）

典型施工工艺条件下，地铁车站与下穿桥结构一体化施工的相关研究较少。本文采用有限元软件MIDAS/GTS对合肥地铁一号线某地铁站的深基坑工程的施工过程采用分段明挖顺作法进行数值模拟分析,并将地表沉降模拟结果与监测数据进行比较。研究表明：长条形地铁车站明挖+局部盖挖+分段分层对称的复合开挖方式对地表沉降的影响较小，且开挖面的转移会使地表沉降产生突变。该结论可为今后合肥类似的地铁车站建设提供参考。

地铁车站；深基坑；地表沉降；数值模拟；监测

0　引　言

随着社会经济的持续快速发展[1]，一线城市人口数量及机动车数量都迅猛增加，使得城市交通日趋拥挤，从而导致城市道路的使用效率降低，文献[2-4]的作者对如何提高城市的交通效率进行了相关研究。文献[5]作者从施工工法方面对地铁车站下穿桥梁进行了相关研究，文献[6]作者对复杂环境条件上跨下穿同一既有地铁隧道的变形进行了分析。近些年许多学者都致力于地铁方面的研究，也得出了很多具有实践意义的结论。

本文以合肥某地铁车站的一体化设计施工建设为背景，创新性地将合肥某十字路口的平交路面改为下穿式立交路面并，从而达到改善该路口的交通拥堵现状。其中一体化即是将独立的若干部分加在一起或结合在一起成为整体，在地下工程中，为了实现某些目标，如施工便利，节省造价，减少二次施工对先前建筑物的影响。这种结构方式带来的优势在文献[3]中已详细介绍，笔者在此不再赘述。

1　工程概况

明光路车站位于胜利路与明光路交口处，沿胜利路南北向布置，下穿东西方向待建的明光路下穿桥。车站里程起始于K6+179.787，终止于K6+448.697，总长268.91 m，车站基坑标准段宽23.2 m，顶板覆土约0.8-4.4 m，标准段底板埋深约22.8 m。明光路站基坑开挖原设计方案是采用明挖顺作法，即开挖至基坑底后顺作车站底、中、顶板及侧墙和其它结构，在车站主体施工完毕后，再架设梁体。而实际的施工方案采取的是局部盖挖顺作法，即在需要架设梁体的一段先架设梁体，再开挖至基坑底后顺作底、中、顶板及侧墙和其它结构。本文以合肥地铁一号线明光路站为依托，运用MIDAS/GTS有限元软件动态分析在典型施工工艺下地铁车站与下穿路（桥）一体化设计对围护结构和岩体的影响。

表1　 土体相关参数

2　相关参数

本车站主要土层的物理参数见表1，主要围护结构材料相关参数见表2。

表2　 围护结构材料相关参数

本车站围护结构采用的是地下连续墙+内支撑的支护方式，其中第一道支撑为混凝土支撑采用的是C35混凝土，其余采用的是C30混凝土，2-5道支撑为钢支撑。

3　三维模型的建立和地表沉降数值分析

本文采用MIDAS/GTS数值分析软件对局部盖挖+明挖+分段分层对称开挖的施工过程进行动态数值模拟，根据相关资料对于基坑开挖对周围岩体的影响范围建立的模型尺寸如下：模型的平面尺寸为长362 m×宽118 m×深69.7 m，基坑的尺寸为269 m×25.5 m×23.25 m。根据实际的施工方案，把基坑模型共分为14段,三维模型如图1。

图1　三维模型及网格划分图

图2　围护结构内支撑图

3.1开挖过程及工况

根据施工方对本车站的施工方案，施工图中将该长条形基坑划分为14段进行开挖，每个开挖段分6个工况，先从北端头开挖至市政桥梁位置，架设T梁后进行该部分的盖挖；盖挖结束后再从南端头进行对称开挖。基坑每次开挖的最低面位于支撑下方0.5 m处，由于围护结构的止水效果好，模拟过程中不考虑地下水的影响。在初始应力和地连墙及桩施工工况计算结束后每一段主要的模拟开挖过程如下：

（1）开挖至2.75 m并在开挖面以上0.5 m处架设第一道支撑；

（2）开挖至7.7 m并在开挖面以上0.5 m处架设第二道支撑；

（3）开挖至12.45 m并在开挖面以上0.5 m处架设第三道支撑；

（4）开挖至16.65 m并在开挖面以上0.5 m处架设第四道支撑；

（5）开挖至20.18 m并在开挖面以上0.5 m处架设第五道支撑；

（6）开挖至基坑底部。

3.2地表沉降数值分析

整个施工过程中取典型的施工阶段的模拟变形云图如图3-图6：

整理的数值计算土体地表沉降如图7：

图3　分段1开挖地表沉降云图

图4　分段5开挖地表沉降云图

图5　分段6开挖地表沉降云图

图6　分段14开挖地表沉降云图

图7　各分段地表沉降位移

从数值计算的曲线图7中可以得出：周围土体的地表沉降在开挖初期是比较小的，最大值为6.66 mm，出现在分段5盖挖部分；自分段5之后土体的沉降出现明显的增大，是由于之后的开挖段转移到另一端，并且当开挖面位于测点所在位置时达到最大值，最大值为18.33 mm，增加了11.47 mm，占整个沉降值的63.27%。开挖初期土体卸荷较少，沉降最大值距离基坑比较近，随着卸荷的增大，最大沉降值位于墙后0.4H～0.42 H（H为基坑深度）处。图中还可以得出在结构中板施工完成后沉降值会有微小的回弹，这是由于结构板相对于临时支撑其刚度变大，导致墙后土体的主动土压力减小而造成回弹。

4　基坑周围地表沉降监测分析

为了分析基坑开挖过程对周边地表沉降的影响规律，分别取基坑地表沉降监测点DB-09-1～DB-09-10的监测数据进行分析，监测点布置如图8所示，地表沉降变化曲线如图9和图10所示，测点距基坑边缘的距离分别为2 m，3 m，3 m，4 m，4 m，5 m。

图8　明光路监测布置图

图9　基坑DB-9断面地表沉降变化曲线

图10　基坑DB-9断面地表沉降拟合曲线图

从图9和图10的基坑中部断面地表沉降变化曲线可以看出：基坑中部断面地表沉降变化曲线随着基坑开挖时间的增加，基坑开挖引起坑边地表沉降值逐渐加大，最后逐渐趋于稳定；随着距离基坑边缘距离的增加，地表沉降变化趋势呈勺子形状，引起地表沉降最大值出现在14 m～16 m处左右，这与合肥土层条件以及围护结构种类，支撑形式有一定关系。在基坑开挖初期监测1周时，距离基坑边缘距离2 m处，地表沉降值为1.65 mm，地表沉降最大值出现在距基坑边缘8 m处，最大值为9.15 mm，沉降值变化趋于平缓，距离基坑边缘处16 m，地表沉降值为0.57 mm；监测10周时，地表沉降逐渐趋于稳定，地表沉降最大值出现在距基坑边缘8处，沉降最大值为14.29 mm，之后远离基坑边缘，沉降趋势逐渐减少，直至21 m处，地表沉降位移值为0.32 mm。

5　数值计算结果与监测结果对比分析

周围土体地表沉降的数值计算结果与监测结果对比分析如图11：

图11　地表沉降对比图

根据周围土体地表沉降的数值计算结果与监测结果对比分析可知：监测结果的最大地表沉降值为14.29 mm，而数值计算结果的最大地表沉降为18.01 mm，造成二者差距的因素较多，有土体参数取值的准确性及建模时把土体当作均质土层、施工环境的复杂性等，但是监测曲线和数值计算的曲线变化趋势是基本一致的，呈“勺子形”；地表沉降的最大值均位于距离基坑0.4～0.45 H处。从数值计算的曲线图中，可以得出地表沉降在开挖面转移到另一端时会出现和墙体水平位移一样的突变情况，并且沉降值随着开挖段距离测点距离变小而增大。数值计算的结果也表明主体结构板的完成，板作为永久支撑其刚度增大，墙后主动土压力相应减小，使地表沉降有回弹的趋势，最大值从18.01 mm减小到17.42 mm。

6　结论

在对基坑施工中的围护结构的内力及变形进行相关力学模型的分析之后，用有限元软件MIDAS/GTS对车站的整个施工过程建立三维模型分析，对地铁车站与下穿路（桥）结构一体化在典型施工工艺条件下的地表沉降分析得出如下结论：

(1)地铁车站与下穿桥结构一体化在明挖+局部盖挖+分段分层对称开挖的复合开挖方式下，对地表沉降的影响较小；该开挖方式在基坑开挖过程中，开挖面的转移阶段地表沉降会出现突变。

(2)随着开挖深度的增加，基坑开挖引起周边地表沉降逐渐增大，最后逐渐趋于稳定；随着离基坑边缘距离的增加，基坑开挖引起的地表沉降变化幅度逐渐变小，直至最后趋于稳定，整体变化形势为中间大两端小，监测曲线和数值计算曲线的变化趋势基本一致，类似于“勺形”。地表沉降的最大值均位于距离基坑0.4～0.45 H(H为基坑深度)，最大地表沉降为18.01 mm，数值都在允许范围内。

[1]刘皆谊.城市立体化发展与轨道交通[D].南京：东南大学，2012.

[2]宋冰晶.地铁车站与立交结合设计[J].工程建设，2011，24(6):78-81.

[3]朱斌.地铁车站与城市立体交通结合设计的研究[J].工程与建设，2014，28(1):12-14.

[4]贾坚，谢小林，张羽，等.城市综合交通枢纽地下空间一体化建设技术[J].上海交通大学学报，2012，46(1):7-12.

[5]韦京，王芳,孙明志.PBA工法地铁车站下穿桥梁方案优化研究[J].现代隧道技术，2014，51(6):101-107.

[6]沈良帅，贺少辉.复杂环境条件上跨下穿同一既有地铁隧道的变形控制分析及施工方案优化[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S1):2893-2900.

Analysis of Integrated Construction for Subway Station and Underpass Bridge

GUO Xiaona1, CHENG Hua2, SHENG Feiguo1
(1. School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022, China; 2.Anhui University Hefei, 230031, China)

Under the condition of typical construction technology,there is little research on the integrated construction of the metro station and the underbridge structure.The finite element software MIDAS/GTS was adopted to make a numerical simulation of the deep foundation pit of Hefei metro 1# station,and the simulation results were compared with the monitoring settlement data.Analysis showed that the complex excavation method consisting of open excavation of long strip subway station,covered excavation,and the symmetrical segmentation and layer method had smaller effect on the ground surface settlement,and the transfer of excavated surfaces influenced the surface subsidence.The conclusion can provide reference for the construction of similar subway station in Hefei in the future.

metro station; deep foundation pit; ground surface settlement; numerical simulation; monitoring

TN911.8

A

2095-8382(2016)03-012-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160303

2015-11-12

郭小娜（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为地下结构工程。