0 引言

　　 目前地铁车站建设中常用的施工工法有明挖法、盖挖法和半盖挖法。盖挖法和半盖挖法因交通要求须增设盖板系统,在盖板上覆荷载的作用下,基坑支护结构受力性状有别于明挖法; 而盖挖法与半盖挖法则因盖板施作情况不同,造成基坑支护结构承受盖板上覆荷载不同,基坑支护结构受力性状也有所区别。文献[1,2]从施工技术等方面对车站基坑中常用的施工方法进行了比较; 郭海柱等 ^[3]采用有限元模拟方法对地铁换乘段施工工法进行了比选研究; 王旭东等 ^[4]采用数值模拟方法分析了不同路面盖板布置形式对基坑地下连续墙(简称连续墙)和邻近框架结构变形及内力的影响。

　　 基坑施工工法研究大多基于支护结构两侧土压力对称情况,但在实际工程中,基坑常处在场地两侧地面标高不同、土方堆载差异较大等不对称环境下,基坑支护结构两侧土压力的不对称造成了基坑支护结构变形、受力的特殊性 ^{[5,6,7,8,9,10,11]},从而影响对最优施工工法的选择。

　　 本文依托长沙地铁4号线黄土岭站深基坑工程,针对基坑邻近边坡的实际情况,采用数值模拟方法,对比分析不同施工工法下基坑支护结构的受力性状,并综合经济投入、施工和施工对周围环境影响等方面,进行邻近边坡深基坑施工工法的比选,研究成果可为今后类似基坑工程的设计和施工提供指导性建议。

　　 图1 黄土岭站平面图   

　　  

　　 图2 基坑第一道支撑布置平面图   

　　  

1 工程概况

　　 长沙地铁4号线黄土岭站位于芙蓉南路与黄土岭路的交叉口,沿黄土岭路东西向布置,距基坑南侧14.0m处有高8.0m的边坡,黄土岭站平面位置如图1所示。施工场地范围内地层主要为:粉质黏土、砂卵石、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩等 ^[12]。施工场地地下水按赋存方式主要分为第四系上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。地下稳定水位为3.5～7.3m,水位标高为62.2～71.1m ^[12]。

　　 基坑总长219.3m,标准段宽22.9m,基坑深度24.0m。基坑支护结构体系为1.0m厚连续墙+竖向4道内支撑+立柱,其中:第一、三道支撑采用截面尺寸分别为1.2m×1.0m和1.0m×0.8m的钢筋混凝土支撑,水平间距为6.0m; 第二、四道支撑采用截面ϕ609×16钢管支撑,水平间距为3.0m; 立柱采用截面ϕ609×16钢管,并插入直径为1.2m的钢筋混凝土立柱桩基础内4.0m,水平间距为6.0m。图2为基坑第一道支撑平面布置图,图3为基坑支护结构体系剖面图。

2 基坑不同施工工法对比

　　 黄土岭站基坑施工中可采用明挖法、盖挖法和半盖挖法,从经济投入、施工及施工对周围环境影响方面对上述3种施工工法进行了对比,见表1。明挖法施工较快,防水质量好,但会阻断路面交通通行; 盖挖法对路面交通干扰比明挖法小,但由于路面盖板系统的存在,不便于大型机械进行土方的开挖和运输,造价偏高,工期较长,且车站防水效果难以保证; 半盖挖法在工期、经济投入和对交通通行的影响方面均介于明挖法和盖挖法之间。

　　 为了对车站基坑施工工法进行更全面的比较,有必要建立有限元模型以进一步分析不同施工工法下基坑支护结构的受力性状。

　　 车站基坑施工工法对比 表1

施工工法		明挖法	盖挖法	半盖挖法
经济投入	土建施工费	低	高	中
	拆迁费	高	高	中
	运营费	低	低	低
	综合造价	低	高	中
施工	施工难度	低	高	中
	防水质量	高	低	中
	工期	短	长	中
	安全性	高	中	中
施工对周围环境影响	商业经济活动	大	低	中
	城市居民生活	大	低	中
	地面交通	大	低	中

 

　　  

　　 图3 基坑支护结构体系剖面图   

　　  

3 深基坑不同施工工法三维有限元模拟

3.1 计算工况

　　 由于黄土岭站基坑邻近边坡,半盖挖法又可分为:在远坡侧施作盖板的半盖挖法(工况1,图4(a))和在近坡侧施作盖板的半盖挖法(工况2,图4(b))。同时,本文也建立采用明挖法(工况3,图4(c))和盖挖法(工况4,图4(d))施工的计算模型,以讨论分析不同施工工法对基坑支护结构的受力性状影响,为邻近边坡条件下车站基坑最优施工工法的选用提供理论基础。

　　 图4 各工况下的基坑支护结构   

　　  

3.2 有限元模型建立

　　 本文采用FLAC 3D有限差分软件 ^[13],结合黄土岭站基坑情况,建立半盖挖深基坑三维模型。模型尺寸取为179m×14m×89m(X向×Y向×Z向),上边界为自由面,左、右边界约束水平X向位移,前、后边界约束水平Y向位移,下边界约束X,Y,Z向位移。深基坑三维有限元模型如图5所示。

3.3 计算参数选取

　　 地层视为理想弹塑性材料,采用实体单元,满足Mohr-Coulomb屈服准则 ^[13]; 基坑相关支护结构视为理想弹性材料,采用FLAC 3D内置结构单元 ^[13]进行模拟。相关材料物理力学参数由设计及工程类比确定(表2、表3),其中:半盖挖法和盖挖法中盖板按0.3m厚、盖板连系梁截面尺寸按1.0m×0.8m模拟计算; 盖板上覆车辆荷载取为20kN/m^{2 [14]}。同时,考虑基坑支护结构受地下水影响作用下的受力和变形,在三维有限元模型中连续墙外侧施加了静水压力。

　　 图5 深基坑三维有限元模型(半盖挖法)   

　　  

　　 主要地层及其物理力学参数 表2

地层	厚度 /m	密度 /(g/cm3)	弹性模 量/MPa	泊松比	黏聚力 /kPa	内摩擦 角/ °
粉质黏土	5	1.85	16	0.35	10	12
砂卵石	12	1.95	24	0.30	5	32
强风化泥质 粉砂岩	3.5	2.04	90	0.30	27.5	13.3
中风化泥质 粉砂岩	—	2.40	800	0.29	100	40

 

　　  

　　 主要支护结构及其物理力学参数 表3

材料	密度/(g/cm3)	弹性模量/GPa	泊松比
连续墙	25	31.5	0.2
立柱	78.5	210	0.2
立柱桩基础	25	30	0.25
盖板	25	30	0.2
盖板连系梁	25	30	0.2
冠梁	25	30	0.2
第一道支撑	25	30	0.2
第二、四道支撑	78.5	210	0.2
第三道支撑	25	30	0.2
混凝土腰梁	25	30	0.2
钢腰梁	78.5	210	0.2

 

　　  

3.4 数值模拟步骤

　　 按照实际施工工序进行模拟,主要分为以下步骤:1)对自重应力下土体进行初始地应力平衡,建立原始地层应力状态; 2)施作连续墙、立柱及立柱桩基础; 3)开挖至第一道支撑处,施作冠梁、第一道支撑(根据工况施作盖板连系梁和盖板); 4)开挖至第二道支撑处,施作钢腰梁、第二道支撑(施加预应力); 5)开挖至第三道支撑处,施作混凝土腰梁、第三道支撑; 6)开挖至第四道支撑处,施作钢腰梁、第四道支撑(施加预应力); 7)开挖至坑底。

4 基坑受力性状数值模拟结果分析

4.1 连续墙水平位移分析

　　 图6为不同工况基坑开挖完成后连续墙水平位移对比图,不同工况下连续墙不同位置水平位移见表4。4种工况下,远坡侧和近坡侧连续墙墙顶水平位移的最大差值均为4.78mm,墙身最大水平位移的最大差值分别为0.47,0.77mm。由此可知,采用不同施工工法时连续墙水平位移相差不大,主要区别为连续墙上部变形:采用半盖挖法且盖板设置在远坡侧时,两侧连续墙上部变形最小; 盖板设在近坡侧时,由于盖板上覆荷载作用加大了基坑所受的偏压影响,使得两侧连续墙上部变形最大; 采用明挖法和盖挖法时连续墙上部变形介于上述两种施工工法之间。

　　 图6 连续墙水平位移对比   

　　  

　　 连续墙不同位置水平位移/mm 表4

位移		工况1	工况2	工况3	工况4	最大差值
远坡侧	墙顶位移	-4.18	-8.96	-6.50	-6.54	4.78
	墙身最大位移	6.95	7.02	7.28	6.81	0.47
近坡侧	墙顶位移	-5.23	-10.01	-7.62	-7.47	4.78
	墙身最大位移	15.48	15.62	15.91	15.14	0.77

 

　　  

4.2 连续墙弯矩分析

　　 图7为不同工况基坑开挖完成后连续墙弯矩对比图,表5列出了连续墙不同位置的弯矩。4种工况下,远坡侧和近坡侧连续墙墙顶弯矩的最大差值分别为793.21,745.54kN·m,墙身最大弯矩的最大差值分别为78.97,80.57kN·m,墙底弯矩的最大差值分别为34.70,23.43kN·m。因此,不同施工工法主要影响连续墙上部内力:采用明挖法时,基坑两侧连续墙墙顶弯矩最小; 采用盖挖法时,受盖板上覆荷载的作用,基坑两侧连续墙墙顶弯矩最大; 采用半盖挖法时,与盖板搭接的连续墙墙顶弯矩也较大,其值与采用盖挖法时基本相同。

　　 图7 连续墙弯矩对比   

　　  

　　 连续墙不同位置弯矩/(kN·m) 表5

位置		工况1	工况2	工况3	工况4	最大差值
远 坡 侧	墙顶弯矩	-1 053.75	-447.86	-375.64	-1 121.18	793.21
	墙身最大弯矩	754.09	834.66	790.53	799.21	78.97
	墙底弯矩	-511.38	-528.08	-532.80	-509.37	34.70
近 坡 侧	墙顶弯矩	-388.96	-1 011.32	-298.59	-1 091.80	745.54
	墙身最大弯矩	930.56	851.59	886.51	895.80	80.57
	墙底弯矩	-848.64	-821.97	-853.82	-819.12	23.43

 

　　  

4.3 立柱及连续墙墙顶竖向位移分析

　　 表6为不同工况基坑开挖完成后立柱及连续墙墙顶竖向位移,表中正值表示结构隆起。从表6中可以看出,4种工况下,立柱和连续墙均隆起,立柱的竖向位移最大差值为8.98mm,远坡侧和近坡侧连续墙的墙顶竖向位移最大差值分别为0.82,0.89mm。由此可知,不同施工工法主要影响立柱的竖向位移:采用明挖法时立柱的隆起量最大; 采用盖挖法时,因盖板上覆荷载的作用,立柱的隆起量最小; 采用半盖挖法时立柱的隆起量介于上述两种施工工法之间。

　　 立柱及连续墙墙顶竖向位移/mm 表6

位置	工况1	工况2	工况3	工况4	最大差值
远坡侧连续墙墙顶	7.20	7.87	7.65	7.05	0.82
立柱柱顶	7.02	7.01	11.70	2.72	8.98
近坡侧连续墙墙顶	6.09	5.35	5.95	5.20	0.89

 

　　  

4.4 支撑轴力分析

　　 表7为不同工况基坑开挖完成后各支撑轴力,表中负值表示支撑受压。受立柱隆起的影响,第一道支撑轴力有明显的不同(不同工况下最大差值为327.90kN):采用明挖法时,立柱隆起量最大,第一道支撑轴力最小; 采用盖挖法时,立柱隆起量最小,第一道支撑轴力最大。

　　 图8 黄土岭站周边环境及交通疏解图   

　　  

　　 支撑轴力/kN 表7

支撑	工况1	工况2	工况3	工况4	最大差值
第一道支撑	-1 422.61	-1 357.87	-1 297.99	-1 625.89	327.90
第二道支撑	-1 473.4	-1 475.94	-1 471.54	-1 440.85	35.09
第三道支撑	-3 182.72	-3 184.02	-3 194.32	-3 178.66	15.66
第四道支撑	-999.86	-969.21	-995.76	-1 009.78	40.57

 

　　  

5 黄土岭站施工工法及实施效果

5.1 基坑施工工法综合比选

　　 第4节分析表明,基坑采用盖挖法时能较有效地控制基坑支护结构变形,但结构内力较大,采用明挖法时恰好相反,采用半盖挖法时则介于上述两者之间。此外,结合黄土岭站现场情况,施工区域涉及新时空大厦等地面建筑物共6处,且距离基坑较近; 途径黄土岭路口的公交线路有15条,人、车流量很大,因此,根据表1中不同施工工法的对比情况,为满足黄土岭路交通通行要求、缩短工期、降低工程投入,黄土岭站主体结构采用半盖挖法施工,其出入口及附属结构采用明挖法施工。同时,针对基坑一侧存在边坡的情况,为减小基坑所受的偏压影响,采用半盖挖法时将盖板设置在远坡侧。

5.2 黄土岭路交通疏解

　　 黄土岭站采用半盖挖法且盖板施作在远坡侧时,通过合理的交通疏解(图8),能满足“四机两非”车道的交通要求,保证黄土岭路的正常交通通行; 此外,土方从基坑一侧运出,基坑侧无需施工竖井,给基坑的开挖创造了空间条件,加快了车站基坑的施工进度。

5.3 连续墙水平位移

　　 黄土岭站连续墙水平位移历时曲线如图9所示。由图9可知:基坑一侧边坡的存在使基坑支护结构处于不对称受力状态,连续墙变形也呈明显的不对称性。基坑两侧连续墙在基坑施工中均向基坑内侧变形:在开挖至第三道支撑时,远坡侧连续墙水平位移达到最大,实测值为12.68mm,位于墙顶以下约13m处; 在开挖至坑底时,近坡侧连续墙水平位移达到最大,实测值为16.11mm,位于连续墙顶以下约15m处。总体而言,连续墙变形未超过允许值(22.5mm),基坑两侧连续墙处在安全工作状态。

5.4 立柱竖向位移

　　 黄土岭站施工过程中立柱位移历时曲线如图10所示。基坑开挖至第二道支撑前,土体对立柱提供的侧壁摩阻力相对较小,立柱在自身重力和盖板上覆荷载作用下产生下沉,最大下沉实测值约为1.5mm; 此后,随着基坑开挖深度的增加,坑内土体的回弹效应越来越明显,带动立柱不断隆起,最终隆起值约为7.5mm; 立柱前期下沉较缓,后期隆起陡增。立柱竖向位移在基坑施工中均未超过允许值(10.0mm),立柱处于安全状态。

　　 图9 连续墙水平位移历时曲线   

　　  

　　 图10 立柱位移历时曲线   

　　  

5.5 支撑轴力

　　 图11为黄土岭站施工过程中支撑轴力历时曲线。支撑在施作后其轴力迅速增加,而其上一道支撑的轴力逐渐趋于稳定。在基坑开挖完成后,第三道支撑轴力最大(实测值2 982kN),第二道支撑轴力次之(实测值1 468kN),第一道支撑轴力再次之(实测值1 303kN),第四道支撑轴力最小(实测值945kN),但各道支撑轴力均未超过允许值(第一至四道支撑内力允许值分别为1 361,3 110,12 275,2 325kN),支撑的安全性能够得到满足。

　　 图11 支撑轴力历时曲线   

　　  

6 模拟与实测数据对比

　　 为验证数值方法的合理性和模拟结果的正确性,将第4节中数值模拟工况1(在远坡侧施作盖板的半盖挖法)计算结果(连续墙水平位移、立柱竖向位移和支撑轴力)同实测值对比,如图9～11所示。由图可知,数值模拟结果与实测结果大致相同,两者呈现的规律也相同,由于数值模拟中地层参数很难与实际一致,且数值计算无法考虑施工荷载影响,使得数值模拟得出的结果与实测值有一定偏差,模拟值略小于实测值。

7 结论

　　 针对黄土岭站基坑工程邻近边坡的情况,采用数值模拟方法对比了不同施工工法下基坑支护结构的内力及变形,并从经济投入、施工和施工对周边环境影响等方面对不同施工工法进行了综合比选,主要结论如下:

　　 (1)不同施工工法对基坑支护结构内力、变形的影响主要区别在于基坑上部区域。采用盖挖法控制基坑变形效果最好,半盖挖法次之,明挖法最差,而连续墙弯矩和第一道支撑轴力在采用盖挖法时最大,半盖挖法时次之,明挖法时最小。

　　 (2)从支护结构变形和内力、经济投入、施工及对周边环境影响等方面综合考虑,黄土岭站基坑施工工法选用半盖挖法,且盖板设置在远坡侧。合理的交通疏解保证了黄土岭路的正常交通通行,且现场监测数据表明,半盖挖法应用于黄土岭站基坑工程是合理可靠的。

　　 (3)对邻近边坡的深基坑,采用半盖挖法施工时,盖板应设置在远坡侧,以利用盖板上覆荷载减小邻近边坡对深基坑造成的偏压影响。