地铁车站盖挖施工对围护桩及邻近高架桥墩的影响

高文华

（中铁三局集团第四工程有限公司，北京 100000）

目前，地铁车站的建设正与城市建设同步进行中。车站基坑往往邻近高层、超高层建筑以及高架桥等重要建筑物，基坑开挖将影响地表以下既有管道的正常使用，阻碍交通正常运行等问题。所以，地铁车站的开挖施工将对周边环境产生重要影响。如何在车站基坑施工过程中保证周边环境的安全以及公共基础设备正常使用是整个建设工程的重要保证。

在车站开挖引起邻近建筑变形及控制研究方面，Peck[1]依据多个国家的基坑开挖过程中的检测资料提出了沉降范围与地表沉降的关系曲线，并给出了相应的计算方法。曾远等[2]对上海市某地铁车站建立了有限元计算模型，通过数值计算的方法研究2个车站之间的距离、变形、土的弹模等因素对既有车站的影响。杨敏等[3]对基坑开挖过程中邻近桩基的影响进行了数值模拟计算，针对时间、开挖深度、桩-基坑间距、桩的刚度及支护方式等不同条件下对变形的影响，并对不同工况条件下对土体变形进行了详细的分析。姚燕明等[4]针对基坑开挖过程中的支护方式进行有限元计算分析，考虑到支护集度、刚度等对地下连续墙变形的影响，随着支护强度的增加，地下连续墙的变形有所减小，但当支护强度达到某一值时，变形减小不明显，即存在某一支护强度使得支护效果最明显。任建喜等[5]对公交车站基坑的开挖进行现场检测，通过理论计算和数值模拟验证了基坑破坏方式，分析了影响基坑稳定性的重要因素，针对数值模拟结果对基坑的开挖方式和支护情况进行了优化。林鹏[6]利用灰色理论对基坑开挖引起的变形进行了预测，并通过数值模拟的计算方法验证了预测变形，类比分析了板桩墙支护方式对深基坑变形的影响程度和相应的变形特点。赵延林等[7-8]等对桩锚支护条件下的深基坑开挖进行了有限元分析，应用弹塑性大变形的相关理论分析了锚杆的数量、既有建筑物的间距、开挖的不同工法等因素与地表周围变形的关系曲线。刘杰、陈小巍等[9-11]结合实际地铁车站基坑开挖，类比分析了基坑开挖过程中各种围护结构形式的利弊，分析了不同围护结构对基坑开挖的影响，建立了开挖深度与围护结构变形的关系，并通过有限元数值分析软件对开挖进行模拟分析。

本文结合沈阳地铁北大营街站基坑工程为例，结合工程特点及结构形式，研究了地铁车站盖挖施工对邻近高架桥墩的影响，并结合ABAQUS岩土分析软件进行分析，以监测数据为验证依据，给出了变形的发展规律。

1 工程概况

1.1 北大营街站地铁车站概况

本工程为沈阳市北大营街站，地铁车站为地铁10号线与地铁4号线的换乘站，2个车站的平面分布形式为L型。车站全长189.0 m，结构标准段宽度22.7 m，顶板覆土约3.9～4.4 m，车站标准段底板埋深约18.25 m，西端头盾构井底板埋深19.404 m，东端头底板埋深26.811 m。车站总建筑面积8 885.33 m2。车站主体采用局部盖挖法施工，车站两端盾构接收部位采用标准盖挖法施工，标准段K13+544.265～K13+592.815里程段采用南半幅明挖、北半幅盖挖的方式施工，车站基坑采用坑外降水方案。车站基坑围护桩采用C30水下混凝土，10号线车站围护结构采用钻孔灌注桩加内支撑作为基坑支护结构，基坑围护结构φ800@1200 mm、φ1000@1200 mm（邻近高架桥一侧）采用旋挖钻机成孔，钢筋笼采用25 t吊车吊装，水下混凝土导管法浇桩。

1.2 工程环境条件概况

北大营街站位于北海街和合作街十字路口以西，北海街中有高架桥，站点周边以居民区为主，人、车流均较密集。10号线车站与东一环高架桥的位置关系如图1所示。

图1 10号线车站与东一环高架桥位置关系

通过分析确定，该车站施工过程中共计确定12个风险工程，5个自身风险工程，7个环境风险工程，其中一级自身风险源1个；一级环境风险源4个，见表1。

表1 北大营街地铁站风险源表

2 基坑施工引起邻近桥墩变形数值分析

车站基坑与东一环高架桥桥桩距离3.3 m，桥桩深度28 m，依据上述的沈阳10号线北大营街站的地质情况和车站及桥墩的剖面尺寸建立ABAQUS二维数值计算模型。在以往的有限元数值模拟计算过程中，科研工作人员一般针对所研究的工作主体扩大模型的计算尺寸。将模拟计算模型的尺寸扩大3～5倍作为数值模拟计算的对象。简化的整体分析模型如图2所示。

图2 简化的整体分析模型

基于图2的模型基本尺寸，长度方向为39 m，深度方向为28 m，将ABAQUS数值模拟计算模型扩大为长度方向和深度方向的5倍，总模型尺寸长度方向为195 m，深度方向为140 m。依据前文所述，模型基坑宽度为25.2 m，靠近桥墩一侧维护桩直径为1 000 mm，另一侧围护桩直径为800 mm，第一道混凝土支撑尺寸为800 mm×800 mm，第二、三道钢支撑直径为609 mm。基坑开挖深度为18.08 m，围护桩入土深度为24.73 m，埋深跨越6个自然土层。桥墩承台尺寸为10.5 m×2 m，承台下钢筋混凝土桩长为28 m。承台距离围护桩外边缘距离为3.3 m。所建立的数值计算模型网格划分如图3所示。

图3 ABAQUS二维计算模型网格划分

为了提高计算速度以及保证计算精度，在网格划分时采用开挖面和桥墩位置处网格加密处理，其他远端土体网格设置较为稀疏。二维计算模型总体尺寸为195 m×140 m，模型总计包含了1 580个单元，单元类型设置为CPE4R（四结点双线性平面应变四边形单元）。

依据地质勘测资料，模型沿深度方向共涉及6个自然土层，自上而下分别为：杂填土、砾砂、圆砾、中粗砂、砾砂、圆砾。其计算参数见表2。

表2 土层的力学参数

桥墩桩基、承台、钢筋混凝土围护桩、钢支撑以及混凝土支撑均视为线弹性体，主要研究基坑开挖过程中构件的变形情况，其结构参数见表3。

表3 结构的力学参数

3 计算结果对比分析

在ABAQUS数值分析软件模拟计算时，在模型建立完成，进行合理的网格划分，对不同材料赋予不同的材料属性。对模型进行边界条件的设定，所采用的为二维数值模型，深度方向为y轴方向，宽度方向为x轴方向。本次计算模型边界条件为：设置远端沿深度方向的横向变形以及底面两个方向的变形。模型顶面为自由面，不限制位移[12]。

依据沈阳地铁10号线北大营街站基坑的基本顺序和开挖顺序，在数值模拟计算过程中，将其简化为以下几个基本工况：

工况1：开挖至第一道混凝土深度处，约为2.93 m；

工况2：开挖至第一道钢支撑深度处，约8.83 m；

工况3：开挖至第二道钢支撑深度处，约13.33 m；

工况4：开挖至基坑设计基底表面处，约18.087 m。

ABAQUS求解分析步骤为：（1）计算模型的自重应力场；（2）钝化第一部分土体单元，激活第一道混凝土支撑单元；（3）钝化第二部分土体单元，激活第一道钢支撑单元；（4）钝化基坑中第三部分土体单元，激活基坑中第二道钢支撑单元；（5）钝化第三部分土体单元至基坑底部；（6）对计算结果进行后处理，进行分析。

3.1 桥墩桩位移分析

3.1.1 桥墩水平位移分析

通过对不同工况条件下进行逐步求解，通过对计算结果数据的提取，得到不同工况条件下邻近高架桥桥墩下3根钢筋混凝土桩的水平位移曲线。3根钢筋混凝土桩的变形曲线如图4-6所示。

1号钢筋混凝土桩在4种不同工况下的变形曲线,如图4所示。由图4可知，随着开挖深度的不断增加，其水平变形幅值逐渐增大，工况1-工况4桩顶最大水平位移量分别为0.15 mm、0.2 mm、0.27 mm和0.33 mm。由于桩端产生的水平位移，导致桩身产生弯曲，桩身最大弯曲变形量为0.28 mm，总体变形量较小。

图4 1号桩水平变形曲线

2号桩的水平变形曲线如图5所示。由其变化曲线可知，其变形量与变化趋势与1号桩相似。随着基坑沿深度方向的不断开挖，其水平累计变形量逐渐增大。工况1-工况4模拟施工过程中，2号桩顶的水平变形值分别为0.145 mm、0.19 mm、0.265 mm和0.3 mm。其桩端水平位移量小于1号桩，最大弯曲变形为0.25 mm。

图5 2号桩水平变形曲线

3号桩的水平位移变化曲线如图6所示。同样，其变形趋势较1号和2号桩相似，在工况1-工况4的模拟施工过程中，桩顶的最大水平位移变化量分别为0.05 mm、0.1 mm、0.17 mm和0.23 mm。其最大弯曲变形量为0.29 mm。其桩顶水平位移量较1号与2号桩较小，但其弯曲位移量较其他两个钢筋混凝土桩较大一点。

图6 3号桩水平变形曲线

3.1.2 桥墩沉降位移分析

通过不同工况下数值分析，针对计算结果的竖向沉降位移量的提取，分别得到桥墩在设定的4种工况下的累计沉降位移值。4种不同工况下高架桥桥墩模型下1-3号钢筋混凝土桩的累计竖向沉降值，如图7所示。

图7 不同工况下桥桩的累计沉降变化曲线

由图7的变化曲线知，3号桩的竖向沉降对基坑的开挖较为敏感，在不同工况下，3号桩的沉降值均较大于1号与2号桩，最大模拟沉降值为4.2 mm。1号桩与2号桩的最终累计沉降值分别为4.17 mm和4.18 mm。三者最终累计沉降值相差较小，不会导致由于不均匀沉降产生过大的弯曲变形。开挖结束后桥墩模型的整体沉降位移变化矢量图，如图8所示。

图8 桥墩模型的整体沉降位移矢量图

3.2 周边土体位移分析

由于基坑土体的开挖，导致基坑周边的土体产生一定的扰动，邻近基坑周边的土体产生一定的应力释放，产生土体变形，导致地表产生一定的沉降。基坑开挖后土体的水平变形位移云图，如图9所示。

由图9所示的计算结果可知，由于基坑的开挖扰动作用，导致基坑周边的土体向基坑方向产生一定的变形。从整体变形云图可知，基坑上部周边的土体呈现向基坑方向移动的趋势。

图9 土体的水平位移云图

计算结果选取基坑附近土体的变形云图，如图10所示。由结算结果可知，由于基坑扰动开挖作用，导致基坑底部土体失去了原有的受力状态，对于基坑底面裸露的土体而言，上覆土体的开挖相当于下部土体的应力释放作用，导致基坑底面产生一定基坑回弹变形。

图10 开挖基坑周边土体的变形云图

由于基坑模拟开挖过程中，围护桩及桥墩的刚度远大于周边土体的刚度，在较大程度上阻碍了基坑边缘土体的变形，导致最大变形产生于距离基坑较远处的底边，土体呈现出下凹的分布状态，最大变形量为4.365 mm，与基坑周边的地表沉降监测值的大小相近。

3.3 围护桩位移分析

3.3.1 围护桩水平位移分析

围护桩是保证基坑安全的重要安全措施，对模拟结果围护桩数据进行提取分析，1号围护桩的计算结果与实测结果对比曲线，如图11所示。

由图11的变化曲线知，随着基坑沿深度方向的不断开挖，围护桩的水平位移逐渐增大。1号围护桩直径为800 mm，最大水平位移值为6.15 mm。桩顶处的最大水平位移为5.81 mm，实测值为5.34 mm。计算值较实际监测值较大，两者相差较小，误差为0.47 mm，导致误差的主要原因为：实际土层的参数与数值模拟计算参数的差异性以及计算过程中的简化等。

图11 1号围护桩的水平位移对比曲线

2号围护桩的水平位移变化曲线，如图12所示，其曲线变化趋势较1号桩相似，但位移方向相反，两者均向基坑内发生位移。

由图12的变化曲线可知，整体的围护桩变形值较1号桩小得多，其原因在于为了减小对邻近东一环高架桥的影响，加大了2号围护桩的直径，由原来的800 mm增加至1 000 mm，导致水平变形量较小。2号桩的最大水平位移量为3.65 mm，桩顶处的最大水平位移量为3.31 mm，与实测结果2.88 mm相差0.43 mm，两者相差较小。

图12 2号围护桩的水平位移对比曲线

3.3.2 围护桩沉降位移分析

通过不同工况下数值分析，针对计算结果的竖向沉降位移量的提取，分别得到围护桩在设定的4种工况下的累计沉降位移值。4种不同工况下围护桩1号和2号的累计竖向沉降值，如图13所示。

图13 不同工况下围护桩的累计竖向沉降曲线

由数值模拟结果可知，基坑开挖两侧的围护桩沉降曲线十分接近，1号围护桩的沉降值较2号的沉降值大一点，但两者相差很小，两者的计算沉降值分别为4.18 mm和4.20 mm，计算结果与实测结果接近。

4 结束语

本文针对北大营街站的实际开挖过程，将其简化为4种基本的施工工况，基于ABAQUS岩土分析软件，建立二维数值计算模型，通过对拟定的4个车站的基本施工工况进行数值计算，得到如下结论。

（1）基坑的开挖扰动作用对邻近高架桥基坑产生影响，通过对桥墩下3根桥桩的数据提取发现，3号桥桩的水平位移较1号与2号明显。桥桩的累计水平位移变形值随开挖深度而不断增加。

（2）由于基坑的开挖，导致周边土体应力释放，产生土体变形，坑底回弹变形较明显，基坑边缘处由于围护桩的支撑作用，变形较小。基坑周边地表变形呈下凹型分布，且地表沉降最大值接近于实测值。

（3）基坑围护桩变形一致，垂直变形较水平变形大，数值计算值与实际监测值吻合程度较好。