0 引言

国内许多地铁车站建设工程均采用盖挖法进行施工，许多学者也进行了相关研究。吴腾^[1]对青岛地铁3号线五四广场车站盖挖法进行了适应性分析，对“吊脚桩”支护体系的支护效果进行了研究。孔超等^[2]依托上海市轨道交通御桥路地下3层换乘车站工程，提出了新型复合盖挖施工方法，并用FLAC3D进行数值分析，验证了该方法的可行性。黄靖云等^[3]依托重庆轨道环线四公里车站工程，在盖挖逆作法基础上提出道改隐形桥梁式新型盖挖法，并进行了验证。西安地铁3号线胡家庙地铁车站、上海轨道交通10号线华山路站、重庆北站地铁车站等也均采用盖挖法进行施工^[4,5,6]。

近年来，半铺盖半明挖施工方法逐渐得到发展，该方法可兼顾施工速度与交通行车要求，具有传统盖挖法不可比拟的优点。阮国勇^[7]对半盖挖结构进行了内力计算，验证了该结构在地铁施工中的可行性。任建喜等^[8]对半铺盖法地铁车站基坑中立柱的变形规律进行了研究。袁超等^[9]，陈艳茹等^[10]结合数值模拟与实测结果，对西安地铁4号线五路口车站基坑支护工程进行了研究。

本文依托南宁市轨道交通1号线埌东地铁站土建工程，通过开展地铁车站大跨度半铺盖深大基坑土方开挖施工技术的研究，比选出开挖效率最好的施工方案，同时借助大型有限元软件Abaqus对2种支护形式进行数值建模分析，选择效果更优的钻孔灌注桩+内支撑的支护形式进行支护，解决了泥岩地层中大跨度半铺盖深大基坑土方开挖及支护等技术难题。

南宁市地形是以邕江宽广河谷为中心的盆地形态，四周为低山及剥蚀残丘。埌东地铁站位于该盆地的东缘，其范围属剥蚀丘陵地貌，丘陵最高海拔标高为146.040m，覆盖层以第四系坡残积土层为主，其下为古近系半成岩碎屑岩类，主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩，以互层方式分布。

埌东地铁站场地地貌形态主要为剥蚀残丘，场地内及附近无地表水，地下水主要为上层滞水和碎屑岩类孔隙裂隙水2种类型。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩粉砂岩、泥质粉砂岩中，具承压性，富水性弱，属弱～中透水层，稳定水位埋深1.500～9.200m，水位埋深标高为97.460～122.890m。

铺盖法是介于明挖法及暗挖法之间的一种方法，先在道路下实施中立柱及围护结构，在其上搭设支撑梁，然后在支撑梁上设铺盖板，以铺盖板作为社会车辆通行车道，以围护结构、临时支撑及支护保证围岩稳定，在铺盖板下修建地下工程。为了尽可能减少地铁车站施工对道路资源的占用，在交通拥挤的路段车站采用半铺盖法进行施工，减少围挡宽度，让出道路资源，最大程度兼顾了社会车辆通行需求和地铁施工需要，但增加了地铁车站施工的难度和风险。

埌东客运站主体结构外包总长301.2m，标准段宽度45.0m，由于车站所属位置路面高差大，基坑深度19～26m，车站有效站台中心里程处顶板覆土3.405m。车站采用半铺盖法明挖顺作施工，车站标准段基坑宽度>45m，属于典型的半铺盖超宽基坑。基坑北侧山体按1∶2坡率进行削坡，采用浆砌片石截水骨架护坡 (局部采用锚杆+格构梁) ，骨架间植草。铺盖采用300mm厚现浇混凝土路面板，标准段铺盖宽19m，两端扩大头段宽20.9m，铺盖考虑3个主车道、混合车道、1个人行道的通行。

埌东地铁站剩余基坑土石方工程量约24万m³，土体强度较高，按常规基坑开挖平均1 000m³/d的出土能力计算，需近8个月完成基坑土石方开挖。由于埌东地铁站两端作为盾构接收井，复杂的地理位置条件下 (埌东地铁站地处南宁市交通要道) 盾构机接收需要多次交通疏解配合完成，基坑开挖、结构施工、铺盖板凿除、顶板覆土回填、交通疏解以及左右线盾构机接收解体吊出，各道工序环环相扣，基坑开挖进度将影响后续施工的开展，进而制约区间盾构的接收。

为此，结合埌东地铁站良好的地质条件以及基坑“长、宽、深”的特点，采用多种挖机相配合、多种方法相结合的方式，针对不同的开挖方案做了对比分析。

将半铺盖基坑开挖沿纵向分为11个结构段。首先从东端 (第11结构段) 开挖，由东向西分层台阶接力法进行基坑开挖，各结构段开挖工期及关键工序时间节点如表1所示，土方施工工期为209d。

将半铺盖基坑开挖沿纵向分为11个结构段。从东西两端 (即第11结构段和第1结构段) 同时开挖，由两端向中部分层台阶接力法进行基坑开挖，各结构段开挖工期及关键工序时间节点如表2所示，土方施工工期为193d，较方案1工期压缩16d。

将半铺盖基坑开挖沿纵向分为11个结构段。从东西两端 (即第11结构段和第1结构段) 同时开挖，初期大放坡直接装土式开挖，后期两端向中部分层台阶接力法开挖，各结构段开挖工期及关键工序时间节点如表3所示，土方施工工期为172d，较方案1工期压缩37d。

从基坑开挖方案比选分析中可知，方案3可以较好地压缩工期，提高土方开挖效率，保证主体结构施工正常开展，进而确保两端盾构机如期顺利接收。因此，埌车地铁站基坑开挖采用方案3“直接装土与后期台阶接力结合”方式进行。

埌东地铁站基坑开挖施工仿真采用Abaqus有限元软件，利用二维分析方法建立模型，取地铁车站标准段基坑进行建模，模拟基坑开挖过程。选用Mohr-Coulomb本构模型，计算参数如表4所示。

分析断面基坑开挖宽度为45.0m，深度为22.0m。在进行有限元分析建模时，水平向从基坑开挖边沿到模型边界的距离按2倍开挖深度考虑，取45.0m;竖直方向，从坑底到模型底部边界的距离按2倍开挖深度考虑，取45.0m;假定横向对称开挖，可取一半考虑，整个基坑几何尺寸取为67.5m×67.0m，如图1所示。

模型对称边界及右边界约束其水平位移，在模型底部约束边界的水平及竖向位移，模型上边界无约束，坑顶作用25kPa的地面荷载，岩土体本构关系采用前面所介绍的Mohr-Coulomb模型，单元采用4节点平面应变单元 (CPE4R) 进行模拟，基本模型中土层按均质土考虑。

基本模型中灌注桩长度为27.0m，入土深度为5.0m，水平向支撑间距取为3.0m，竖向设4道支撑，距坑顶距离分别为0.5, 7.0, 12.5, 18.0m。根据抗弯刚度相等的原则，将钻孔灌注桩等效为地下连续墙，模型无需考虑钢筋混凝土内部结构的精细构造，将钢筋部分按刚度等效为混凝土。地下连续墙釆用强度等级为C30的混凝土，弹性模量取24GPa，泊松比取0.2，墙厚通过式1计算。

式中:D为单桩桩径;d为桩中心距。这里D=1.0m, d=1.2m，则挖孔灌注桩等效为地下连续墙的厚度h=0.8m。

在平面有限元中，地下连续墙按线弹性材料考虑，相关材料参数如表5所示，采用梁单元模拟，网格划分的单元总数为54个。假定灌注桩表面与接触的岩土体位移连续，即不脱离，则灌注桩与岩土体的接触关系采用绑定接触 (Tie连接) 。

内支撑的作用主要是限制岩土体向基坑内部位移，这里采用施加位移约束条件来实现，即假设内支撑是刚性的。

基坑开挖仿真基本假定:土体开挖是瞬间的过程，即不考虑土体开挖的时间效应;灌注桩与岩土体的连接采用绑定约束，即假定灌注桩表面与接触土体的变形一致。施工工况模拟如下。

1) 第1步施工地下连续墙并生成地应力，进行地应力平衡。

2) 第2步开挖第1层土并加设第1道支撑，开挖至地面以下1.5m处。

3) 第3步开挖第2层土并加设加第2道支撑，开挖至地面以下7.5m处。

4) 第4步开挖第3层土并加设第3道支撑，开挖至地面以下13.0m处。

5) 第5步开挖第4层土并加设第4道支撑，开挖至地面以下18.5m处。

6) 第6步开挖第5层土，一直开挖到地面以下22.0m处。

采用依次激活结构单元的方法，移除土体单元和接触面单元，从而实现基坑开挖过程模拟的目标。针对埌东地铁站深大基坑分别进行了钻孔灌注桩支护、钻孔灌注桩+内支撑支护开挖仿真分析，具体实施方案如表6所示。

1) 地应力平衡

地应力平衡是为了建立接近自然条件的初始状态，单元在重力作用下结点的位移应该接近于零。地应力平衡后的竖向位移云图表明，竖向位移数量级基本在10^-7以下，地应力场平衡满足工程计算要求。

2) 钻孔灌注桩支护下基坑开挖仿真

仅钻孔灌注桩支护下基坑开挖过程有限元仿真方案如表6所示，5级开挖步下桩体侧向位移沿深度方向的变化曲线如图2所示，正值表示桩体位移方向为远离基坑侧，负值相反。随着开挖深度增大，基坑最大侧向位移逐渐增大;前3级开挖基坑顶部侧向位移最大，最大值分别为2.77，-5.90mm和-26.02mm;4级和5级开挖过程中，最大侧向位移分别出现在9.5m和12.5m处，最大值分别为-38.99mm和-53.17mm，可以看出仅采用钻孔灌注桩进行支护效果有限，不足以限制基坑侧向变形。

钻孔灌注桩支护下桩体截面弯矩沿深度方向的变化曲线如图3所示，负弯矩表示桩体基坑外一侧受拉。模拟中假设桩底0.5m固定，相当于悬臂式支护结构，故桩端的弯矩为最大。第5级开挖完成后的弯矩最大值约为2 400kN·m，坑底以上桩体截面弯矩最大值在靠近坑底位置，在桩顶以下16.5m处，最大弯矩为-742.5kN·m。

3) 钻孔灌注桩+内支撑支护下基坑开挖仿真

钻孔灌注桩+内支撑支护下基坑开挖过程有限元仿真方案如表6所示，5级开挖步下桩体侧向位移沿深度方向的变化曲线如图4所示。由于内支撑的作用，桩体的侧向位移大大减小，基本控制在10mm以内，在不同开挖步时桩体最大侧向位移分别为-2.42，-6.49，-6.62，-8.34，-8.32mm，其位置分别在桩顶以下17.0, 18.5, 19.5, 17.5, 19.0m。

钻孔灌注桩+内支撑支护下桩体截面弯矩沿深度方向的变化曲线如图5所示，桩底端的弯矩为最大。从图中可见坑底以上桩体截面弯矩沿深度近似呈波浪形变化，体现了内支撑的约束作用。基坑开挖结束后坑底以上桩体最大弯矩为-438.5kN·m，最大弯矩值出现在桩顶以下20.0m处。

4) 方案对比

与仅有钻孔灌注桩的支护形式相比，钻孔灌注桩+内支撑的支护形式有效控制了土体的侧向变形，桩体最大侧向位移的位置发生向下偏移，同时桩顶发生向基坑外侧的位移;钻孔灌注桩+内支撑的支护形式下桩体最大弯矩值和桩底弯矩值降低幅度较大，桩身设计参数可以相对减小，节约了施工成本。因此本工程选择钻孔灌注桩+内支撑的支护形式。

车站主体工程初期采用大放坡直接装土式开挖，后期两端向中部分层台阶接力法开挖，车站主体围护结构采用钻孔灌注桩加内支撑。开挖遵循“竖向分层、横向分块、先撑后挖”的原则，严格把握开挖速率与架设支撑的“时空效应”，开挖过程中掌握“分层、分块、对称、平衡、限时”的要点，严禁超挖。车站主体工程于2014年1月6日开始施工，开挖地层以砂岩和粉砂岩为主;2014年10月24日完成了主体结构土方开挖，累计完成土方量约26.5万m³;2014年12月31日，完成车站主体结构封顶，与预计工期基本相符。开挖过程中，围护桩向基坑内的最大水平位移约为6.5mm，与数值分析结果差别不大。实践表明，采用直接装土与后期台阶接力结合的开挖方案，能够较好地缩短工期;在围护桩内架设支撑，能够有效地控制围护结构的变形，保证施工安全。

1) 结合埌东地铁站良好的地质条件以及基坑“长、宽、深”的特点，对大跨度半铺盖深大基坑工程开挖方案进行了对比分析，结果表明采用直接装土与后期台阶接力结合的开挖方案更适用于大跨度半铺盖深大基坑工程。

2) 对埌东地铁站基坑开挖进行数值模拟分析，得出钻孔灌注桩支护下的土体侧向位移变化规律以及支护结构受力情况，在3级开挖前，随着开挖深度增大，坑顶向坑内的侧向位移逐渐增大;4, 5级开挖时，随着开挖深度增大，坑顶向坑内的侧向位移先增大后减小;钻孔灌注桩桩底弯矩最大。

3) 对埌东地铁站基坑开挖进行数值模拟分析，得出钻孔灌注桩+内支撑支护下，内支撑的存在有效减少了岩土体及桩体的侧向位移，同时，最大侧向位移发生位置下移，第5级开挖完成后桩身最大侧向位移位置约在桩顶以下18.0m附近;弯矩值沿桩身大致呈波浪形，同时桩底弯矩最大，且与无内支撑相比，桩体最大弯矩数值降低幅度较大。

4) 通过现场实践证明，采用钻孔灌注桩+内支撑支护方案能够有效控制大跨度半铺盖深大基坑开挖过程中支护结构的受力和变形。