综合性枢纽车站下部地铁站逆作法施工技术研究

尉胜伟

摘要：某综合性枢纽车站，为满足以后客流无缝对接的要求，在其下部预留地铁站。但根据沪宁城际线路开通的时间节点，须在上部站房结构施工完成后，在站房装修阶段同步进行下部地铁站逆作法施工，通过对各项工况的分析，并建立基坑平面应变数值计算模型，预测各种影响因素的变化趋势，确定合理的开挖方案；该方案保障了深基坑施工和上部站房的双安全，获得好的效果。可为今后类似工程提供参考和借鉴。

关键词：深基坑；逆作法；平面应变数值计算模型

1工程概况

某新建火车站位于沪宁城际线上，是一座集铁路、城市轨道、城市道路交通换乘功能于一体的现代化大型交通枢纽。建筑总面积85717m2。地上二层，地下三层。地下一层为地下出站通道层，地下负二、三层为地铁站。位于城际站房与高架候车厅中轴线正下方，与国铁站房合建。见图1。

地铁站基坑围护为800mm厚地下连续墙，开挖面积为3278m2。其中负三层基坑开挖自负二层梁板底至负三层设计基坑底7.8m，负二层板面标高为-14.06m，板厚400mm；基底标高-22.26m。

图1车站剖面

2水文地质情况

地铁站开挖范围处于④5粉质粘土层和⑤1粘土层。④5粉质粘土层灰色，软塑，局部为流塑，中上部具水平层理，夹薄层粉土，底部较均质，含少量腐植物，无摇振反应，刀切面无光泽，干强度、韧性中等。层厚3.90～20.20m，层底标高-30.99～-18.51m。该层压缩性中等，勘区内均有分布。承载力特征值fak=100kPa。⑤1粘土层。暗绿色，硬塑，局部可塑，均质致密，偶含铁锰质结核，无摇振反应，刀切面有油脂光泽，干强度、韧性高。层厚1.60～4.90m，层底标高-24.84～-22.51m。该层压缩性中等。承载力特征值fak=220kPa。

场地微承压水主要为④3粉土夹粉质黏土，由于该土层水平方向差异性较大，局部夹较多粉质黏土，其透水性及赋水性一般~中等。该含水层埋深及厚度均有一定变化，埋深在6.80~12.20m之间，厚度在1.30~6.50m，历年最高微承压水头标高为1.74m，最低承压水头标高0.62m。

场地承压水主要为⑥2粉土夹粉质黏土，由于该土层水平向差异性较大，局部夹较多粉质黏土，其透水性及赋水性一般~中等。该含水层埋深及厚度均有一定变化，埋深在29.00~34.90m之间，厚度在3.90~10.50m，为对车站施工影响较大的含水层。承压水头埋深在2.80m左右，承压水头相应标高在-1.32m左右。

3逆作法施工中的重难点

由于地铁站位于城际站房的正下方，而根据沪宁城际线路开通的时间要求，需在站房结构施工完成后在其装修阶段同步组织地铁站结构施工，基坑负三层开挖深，施工难度大，存在地质复杂、地下水位高、地连墙的成墙质量、站房基础稳定性、基坑是否渗漏、施工工序的合理性等制约因素，而预防因渗漏或承压水突涌造成基坑安全事故，或因坑外泥土流失而造成站房地基塌陷质量事故更是风险管控的重中之重。因此采用现场检测和模拟验算的手段重点对负三层开挖条件的各种影响因素进行分析判定，制定出合理的技术保障措施，确保施工顺利实施。

4采用实测手段对部分影响因素分析判定

4.1地下连续墙体质量判定

在基坑负二层开挖过程中，对所有外露的地连墙墙体实测实量，墙面平整度良好，墙体位置准确无侵限，墙幅之间接头性能良好，整体性强，墙幅之间无渗漏，混凝土密实，钢筋无外露现象，根据砼检测报告，强度符合设计要求；根据地下连续墙前期施工时的记录资料，在成槽及浇筑混凝土时段内，槽壁自稳性质量良好，因此结合已开挖部分的墙体质量及地质资料，可以基本确定在标高-14m以下的墙体质量会更有保障。

4.2施工区域内地下水位变化分析

根据地铁站地连墙围护结构设计，其底标高为-56m，已将场地周边与基坑内的微承压水和承压水层有效隔断。为判断负三层以下地连墙成墙质量和接头是否渗漏，在坑内设置10口疏干井，4口降压井，抽排后，持续两个月对疏干井、降压井的水位回升速率进行检测后，水位基本保持原有标高未有变化。据此可基本判定微承压水、承压水含水层被地连墙得以有效隔断，地连墙的施工质量及接头处理均良好。

4.3 开挖过程中地下连续墙的变形分析

在负二层基坑开挖时，地连墙共设置了6个监测点，以监测地连墙在基坑土方开挖过程中的墙体变形，自开挖至今负二层结束，监测点墙体累计变形2～3mm，其监测点布设如图2。

图2 监测点布设图

5 建立平面应变数值计算模型，模拟负三层基坑开挖

5.1根据地铁站结构特点，并结合以下几个方面，确定计算模型

（1）围护结构、各层中板采取板单元模拟，计算其弯矩与轴力；

（2）负三层钢支撑采取锚杆单元模拟，仅计算轴力；

（3）土体采用15节点的三角形实体单元模拟，并选用H-S本构模型（硬化塑性模型）。

（4）结构单元与实体单元间设置接触单元，在有限元模型中，接触面的每个节点对应坐标是一样的，也就是说接触面单元的厚度是零，但每个接触面有一个虚拟厚度，用以定义接触面的材料特性，接触面刚度用强度折减系数R来模拟，确定地下连续墙与土体之间的接触刚度，接触面强度折减系数R可用系数公式表，。当土与结构变形一致，两者之间没有相对滑动时，Rinter=1，而当两者有相对滑动时，界面单元的强度低于周围土体的强度，Rinter<1。一般地，对于真正的土与结构相互作用的问题，界面单元比周围土体更为软弱，根据计算经验，取Rinter=0.6。如图3所示。

图3 接触面单元与土体单元的联结方式

（5）根据地铁车站逆作施工步骤，数值计算分为10阶段：①计算初始应力状态；②地连墙维护结构施工；③负一层顶板施工；④负二层分层（＜3m）开挖；⑤负二层中板施工；⑥负三层开挖到钢支撑位置；⑦钢支撑安设；⑧挖除剩余土方；⑨负三层底板施工；⑩钢支撑拆卸。

（6）根据基坑地连墙深度（44m）和宽度（28m）和边界效应的影响（左右各取30m，地墙底向下取20m），确定计算模型深度方向64m，宽度方向88m。模型底部x、y双向约束，模型左右两侧x方向约束，模型顶部为自由边界。计算示意如图4。

图4 计算示意图

5.2各种工况的计算分析

根据现场条件及结构、土体材料的数值计算参数，土体的侧压力系数取静止侧压力系数值，为极大值。根据类似地层的研究经验，并按照主动土压力系数的平均取0.3。计算以下4种不同工况，分析围护结构的内力和变形曲线（下述图形中第一步开挖为施工完负二层，第二步开挖为施工到钢支撑位置，第三步开挖为施工到负三层底板）。

（1）各层板与立柱固接、铰接情况的影响；

（2）是否考虑站房柱竖向荷载的影响；

（3）是否考虑地连墙外侧沪宁城际铁路桩基的影响；

（4）不同土体侧压力系数下，钢支撑设计参数变化的影响。

5.2.1板与立柱连接状况的影响分析

图5、6分别考虑各层板与立柱固接、铰接时，围护结构的变形与内力曲线。可以看出，不论是固接还是铰接，随着基坑开挖深度加大，地连墙变形逐渐增大，且最大变形均发生在当前开挖深度附近。随着钢支撑的拆除，地连墙的最大变形位置有所上升，而变形量变化较小。板与立柱的连接关系对地连墙的变形规律影响较小。