软土地区盖挖逆作施工地铁换乘站变形性状的数值分析

曹力桥

随着城市地铁建设快速发展以及地下空间开发力度的加大，新建地铁车站近距既有地铁结构、重大建构筑物施工的情况日益增多［1－3］。软土深基坑围护结构变形的分析与计算是基坑研究的重要方面。它不但可用来指导基坑的设计与开挖，而且由于支护墙体的变形与坑周土体的变形密切相关，还可用来指导坑周环境的维护。

新建地铁车站的施工不可避免要引起邻近既有结构变形和内力增加。尤其是在没有预留换乘节点的车站旁新建地铁车站，在建设过程中会引起既有地铁结构和轨道的变形及其内力的增加。当超过其承受能力或允许值时，就可能引起其结构破坏。此外，由于地铁结构和轨道结构的变形，还可能导致净空限界不足而影响列车运营安全。因此，新建地铁结构近距既有地铁结构施工时，必须根据既有地铁的保护要求，采取科学的方案和有效措施，以减小周围土体和既有地铁结构的变形。

蒋洪胜［3］等人通过对某基坑周围土体位移场的理论分析及其临近的地铁隧道由基坑开挖引发变形的监测结果进行了分析，从隧道的垂直沉降、水平移动以及隧道的横向变形等角度探讨了基坑开挖对临近地铁隧道的影响。王卫东［4］等人结合位于地铁正上方超大基坑开挖对地铁的影响，考虑了地铁土体加固、时空效应开挖土方等措施，动态地分析了施工过程中开挖卸荷对地铁的影响。陈郁［5－8］等人通过数值模拟分析，对既有轨道交通周边基坑开挖进行了变形和内力研究，并分析了其相互影响关系。丁勇春［9－10］等人通过施工监测分析，研究了临近基坑施工对既有轨道交通变形和内力的影响。刘涛［11］等人对如何控制上方基坑底部加固扰动引起下卧地铁隧道的变形、确保地铁安全运营的问题进行了研究。高广运［12］等人将数值模拟与现场检测进行比较，分析了基坑施工对运营地铁隧道的变形影响，并提出了控制变形的方法。刘映晶［13］等人采用有限元分析了上海某逆作法施工基坑开挖对铁路运营的影响。汪小兵［14］等人对软土地区临近地铁运营线的深大基坑进行了检测和数值模拟，分析了减少基坑开挖对既有轨道交通影响的控制措施。丁勇春［15］结合上海软土地区深基坑工程实践，采用理论分析、数值模拟、原位试验及施工监测等方法，对软土地区深基坑围护结构（地下连续墙）施工和基坑开挖引起的变形及基坑变形控制方法进行了研究。

根据中国地铁建设的经验，盖挖逆作法施工引起的周边环境影响较小。作者以华东软土地区某盖挖逆作法施工换乘车站为例，拟采用FLAC3D软件模拟盖挖逆作车站施工全过程，通过车站基坑开挖各阶段的变形场分析，得到不同施工阶段的结构变形量，从而为地铁车站设计和施工提供较好的变形控制方案，为类似工程的设计和施工提供一定的参考和借鉴。

1 工程概况

本工程为多条地铁车站换乘枢纽，靠近既有地铁车站，车站位于现有铁路下方，周边建筑较多。地面标高在3.46～4.18m之间。地貌形态单一，属滨湖滨海平原地貌类型。新建车站为地下三层岛式车站，离最近铁路股道中心线仅有8.4m。新建车站与既有车站通过换乘通道换乘。

换乘通道主体结构外包全长约83.00m，宽77.85m，地下第1层开挖深度约为9.700m，地下第2，3层开挖深度约为23.700m，地下第1层采用明挖顺作法施工，地下第2，3层采用逆作法施工。

通道结构：采用地下连续墙作为基坑的围护结构，地下第1层区采用800mm厚地下连续墙，墙深21.10m；地下第2，3层区采用1 000mm厚地下连续墙，墙深46.0m。本工程地基土在75m深度范围内均为第四纪松散沉积物，地质时代为第四纪全新世Q43～上更新世Q31，属第四系滨海平原地基土沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，具有成层分布的特点。根据土性和成因类型可分9个层次，其中第②层、第⑤层、第⑦层及第⑧层各分若干个亚层。

根据地质报告对土层的描述，本工程基坑开挖深度影响范围内，以软弱粘性土为主，土体有较明显的触变和流变特性，并在动力作用下，土体强度极易降低。在开挖过程中应防止土体扰动。第④层中的粉质粘土层和第②层中的粉土夹层在动水作用下易产生流沙。土体的物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical－mechanical parameters of the soil

2 基坑施工数值模拟

常规支护结构设计采用规范推荐的平面竖向弹性地基梁法和三维弹性地基板法。这两种方法均可模拟实际施工工况，并计算挡土结构与支撑体系的内力和变形。三维弹性地基板法还可考虑围护结构的空间效应。但当环境保护成为设计中的控制因素时，这两种计算方法由于在计算模型中无法考虑基坑周边的重要建（构）筑物，不能直接计算对周边环境的影响。因此，在分析基坑开挖的环境效应时，存在着一定的局限性［8－10］。

本工程分析基坑开挖引起的环境效应采用有限差分法。该方法将基坑围护结构、周边一定影响范围内的土体以及某些重要建（构）筑物作为整体进行分析，以开挖面上土体地应力的释放作为开挖阶段的荷载，并以单元的“生死”模拟土体的开挖以及支撑的施工。为简化分析，取围护结构的几个典型剖面按平面应变问题近似计算。由于基坑开挖不仅是一个动态的施工过程，而且是一个空间问题。采用三维弹性地基板法分析基坑开挖的环境效应，其优点为：①三维弹性地基板法按实际施工图建立模型，相比平面竖向弹性地基梁法更能够反映基坑支护结构的空间效应；②对于紧邻围护结构的地铁结构，三维计算模型可以体现空间上的分布曲线；③从计算工况的角度来看，三维计算模型便于更加精细地模拟实际施工工况，如：基坑内部土体的分区开挖与底板的分区浇筑以及盆边留土的抽条开挖等［8－12］。

用三维快速拉格朗日算法计算基坑开挖。根据开挖过程和步序，分为若干工况进行计算。计算步骤为：

1）计算基坑开挖前的初始应力场｛σ0｝和初始位移场｛δ0｝。考虑土体在开挖前经历了长期固结过程，认为初始位移场｛δ0｝＝0。

2）计算下一次开挖由于卸荷与结构变化而引起的应力场｛Δσi｝和位移场｛Δδi｝。

3）第i次开挖后的应力场｛σi｝和位移场｛δi｝为：

4）根据基坑开挖步骤，重复2）和3）的计算，直至开挖结束。开挖结束时的最终应力场和位移场为：

对式（2）中应力场和位移场进行离散，可以得出基坑开挖的相关方程。分析模型包括基坑围护结构、基坑周边既有地铁车站和基坑周边及一定影响范围内的土体等。

3 模型建立和计算方案

基坑平面尺寸为83m×78m，开挖深度为23.6m。考虑基坑的开挖对周围土体及既有地铁车站的影响，三维模型取为420m×450m×80m，计算模型的上边界为自由边界，底部为全约束，各个侧面为限制水平方向的位移。采用实体（zone）单元模拟土体及坑内加固体；采用3节点壳（shell）单元模拟既有车站主体结构以及通道接口外墙，采用liner单元模拟通道地下连续墙，能更好地反映土体与墙之间的非线性接触效应；采用空间梁（beam）单元模拟5道钢筋混凝土支撑；采用桩（pile）单元模拟立柱桩和工程桩，采用3节点壳（shell）单元模拟通道楼板。三维整体计算模型（扣除基坑开挖部分）如图1所示。结构单元计算模型（不含楼板）如图2所示。

图1 三维计算模型Fig.1 Three－dimensional calculation model

采用线弹性3节点壳单元模似基坑围护墙，混凝土强度等级为C30，按经验关系考虑混凝土刚度折减，弹性模量取24GPa，泊松比取0.2，重度取25kN／m3。主体结构：采用地下连续墙作为基坑的围护结构，地下第1层采用800mm厚地下连续墙，墙深23.0m；地下第2，3层采用1 000mm厚地下连续墙，墙深47.50m；北侧地下第1层与新建地铁车站临时封堵墙采用1 000mm厚地下连续墙，墙深40.5m；南侧与通道区地下第2，3层临时封堵墙采用800mm厚地下连续墙，墙深29.5m。地下连续墙接头采用柔型接头。

图4 通道基坑分区、分块开挖平面示意Fig.4 Sketch of partition of the pit excavation

图2 基坑结构单元计算模型Fig.2 A model for the structural elementary calculation

采用线弹性梁单元模拟基坑4道钢筋混凝土水平支撑，每道支撑混凝土强度等级为C30，按经验关系考虑混凝土刚度折减，弹性模量取24GPa，泊松比取0.2，重度取25kN／m3。计算模型中基坑水平支撑和围护墙如图3所示。

图3 基坑水平支撑和立柱桩俯视图Fig.3 Top view sketch of level supports and piles in excavation

本工程采用盖挖逆作法，进行新建地铁车站地下第2，3层的开挖。本模型土体和坑内采用修正剑桥模型，加固本构模型。根据勘察报告提供的土层物理力学性质参数表，进行模型参数取值。根据经验，确定土体弹性模量。

地铁通道基坑的开挖主要采用分块、分层进行开挖，开挖的平面如图4所示。基坑平面按长度方向分4段，按宽度方向分3块，共12块。深度方向采用分层开挖，通道区第1层综合大厅分3层土进行开挖，新建地铁车站第2，3层共分成4层进行开挖。本模型完全按照实际施工的开挖顺序进行计算。本次计算主要分析通道和地铁第2，3层的开挖。

在施工中，先分区、分层开挖通道区到第1道支撑标高处，施工第1道支撑；然后分区、分层开挖至第2道支撑标高处，施工第2道支撑；再分区、分层开挖至坑底。地铁车站第2，3层分4次开挖：第1次挖土至第3道砼支撑底面处，第2次挖土至中二层楼板下1 500mm处，第3次挖土至第4道砼支撑下20cm处，第4次挖土至底板底部。

整个模型在数值计算分析中抽象为计算工况步，数值模拟过程的基本步骤见表2。计算平面开挖顺序如图4所示。竖向开挖的顺序如图5所示。

表2 基坑开挖施工工序模拟步骤Table 2 Steps of the simulation for the excavation construction process

图5 通道基坑竖向分层开挖立面示意Fig.5 Vertical excavation of foundation pit

4 计算结果分析

4.1 围护结构变形结果分析

地下连续墙的侧向变形对于基坑变形意义重大。由于基坑两个方向的围护墙长度比较接近，基坑开挖使得围护墙的变形形态也比较接近。由于开挖，基坑底部土体卸载回弹，土体于围护墙之间存在着一定的摩擦力，使得整体围护墙出现上抬，坑外土体对围护墙作用主动土压力，迫使围护墙向坑内变形，表现为围护墙的侧向变形。

新建地铁车站盖挖段基坑开挖过程中各地下连续墙的x向和y向侧向变形等值云图如图6所示。由于通道一层已经施工完毕，主要围护墙变形集中在新建车站盖挖逆作段围护墙。由于地铁车站是狭长形，y向的侧向变形大于x向的，围护墙的变形随着施工工况的进行逐渐增大。由于沿车站走向的围护墙较长，其侧向变形较为明显；另一方向围护墙的侧向变形较小。

从图6中可以看出，通道层地下第1层区的围护墙变形较小，并且有部分侧向变形往基坑外部。

随着施工的进行、开挖深度的不断增大，车站围护墙两个方向的最大侧向变形亦不断增大，最大侧向变形发生位置不断下移。至车站开挖结束后，车站第2，3层北侧地下连续墙y向最大侧向变形为10.7mm，南侧最大变形达到11.3mm；x向的侧向变形较大，最大侧向变形达到17.2mm，比y向的大。最大位移点发生在基坑底部附近。

由于基坑围护墙的构造比较复杂，使新建车站基坑开挖引起基坑围护墙的最大侧移点并不是按常规发生在围护墙的中部位置，而是有所偏移。这是由基坑的整体结构刚度不均匀造成的。

开挖过程中车站地下连续墙的侧向变形是基坑工程关心的重点，随着施工的进行，连续墙的侧向变形不断向坑内开展。

车站基坑西墙（变形较大）中截面处在各个工况下的侧向变形如图7所示。从图7中可以看出，该工程车站围护墙的侧向变形符合大多数基坑围护墙的变形规律。本计算中坑外地表沉降变形的最大值出现在东西向靠近基坑的地方，约为1cm，可见，该基坑开挖对周边环境影响很小。

既有地铁车站为地下2层岛式车站，有效站台长140m，宽14m。站位在新建地铁车站以南，成东西走向，东端与新建车站南端相交形成L形换乘。因此本工程施工中也必须考虑施工对既有车站的影响。基坑开挖引起既有地铁车站地下连续墙的变形如图8所示。

从图8中可以看出，既有车站的自身带有一定刚度，且距离基坑开挖有一定距离，其变形较小。但仍然随着施工的进行，变形也逐渐增大。大部分变形小于1mm。开挖结束后，x向的最大变形为0.246mm，y向最大变形为1.48mm，而最大竖向沉降量为0.6mm。

图6 地下连续墙水平方向变形（单位：m）Fig.6 Diagrams of the level displacement of the continuous wall due to the excavation（unit：m）

图7 各阶段地下连续墙侧向变形曲线Fig.7 Curves of lateral deformation diaphragm wall during each stage excavation

4.2 主体结构变形结果分析

图8 基坑开挖引起既有车站地下连续墙变形（单位：m）Fig.8 Diagrams of level displacement in existing diaphragm wall due to the new constructed excavation（unit：m）

1）本工程新建车站采用“盖挖逆作法”施工，综合大厅顶板覆土后，上部道路及地铁正常运营。可见顶板的变形对上部影响较大。因此，顶板在下部第2，3层车站开挖过程中的受力以及变形情况尤为重要。各个开挖工况下顶板的竖向变形情况如图9所示。基坑开挖条件下周边地表位移曲线如图10所示。

图9 通道大厅顶板的竖向位移（单位：m）Fig.9 Diagrams of the vertical displacement in the roof due to the excavation（unit：m）

图10 车站周边地表位移曲线Fig.10 Curves of vertical displacement around the foundation pit excavation and dewatering with an existing pile

在车站开挖过程中，土体卸载，通过立柱桩等向上传递给顶板，引起顶板产生隆起变形。由于基坑开挖深度较深，土体卸载，应力释放量很大，以致存在列车荷载的情况下上部结构还整体上抬。其次，开挖区域正上方是土体应力释放作用最强烈的区域，因此，隆起量相对大于其他区域的。

沿基坑中部上方每10m范围内地表变形的最大竖向位移差值如图11所示。在图11中，数据点值表示以这点为基点，基点前10m范围内，最大竖向位移差值为这个点的数值。从图11中可以看出，随着施工的进行，地面沉降最大竖向位移差值在逐渐变大，在施工结束时，沿线地面沉降的最大竖向位移差值为1.61mm。

图11 沿轨道每10m最大竖向不平顺变形曲线Fig.11 Vertical displacement differential every 10malong the railway track

存在上部荷载的情况下，开挖新建车站，地下第2层板和地下第3层板以下区域的基坑开挖均采用逆作法施工。类似顶板的变形情况，地下第2层板和地下第3层板的变形均表现为竖向隆起，并且隆起量随着开挖的进行在不断地增加。由于中一板直接就在开挖面顶部，受到卸载回弹的影响最明显，其隆起变形最大。到开挖结束，地下第2层的最大隆起量比顶板的还要大一点，达到7.50mm。地下第3层是车站第2次开挖后才浇注的，其变形相对较小一些。到开挖结束，其最大隆起量达到3.97mm。地下第2层板竖向变形云图如图12所示。

开挖第2层土后，施工地下第3层板。第3，4层土的开挖仍然采用逆作施工，地下第3层板直接承受立柱桩传递来的土体卸载应力。受力较大，变形较大。地下第3层板竖向变形云图如图13所示。

图12 地下第2层板竖向位移（单位：m）Fig.12 Diagrams of vertical displacement in the ground floor due to the excavation（unit：m）

图13 地下第3层板竖向位移（单位：m）Fig.13 Diagrams of vertical displacement in the under second floor due to the excavation（unit：m）

该基坑各层结构板在基坑开挖各个工况下，竖向变形的最大值见表3。

可见，盖挖逆作法施工过程中，顶板和地下第2层板的变形比较接近，地下第3层板变形较大。

表3 各层结构板竖向变形的最大值Table 3 Steps of maximum vertical deformation in each layer structure board

5 结论

通过对华东软土区的某盖挖逆作换乘地铁车站分析，在考虑时空效应分区对称开挖及地基加固的基础上，可得到的结论为：

1）新建车站基坑开挖所采取的盖挖逆作施工方案，并增加加固措施能够较好地控制基坑围护结构以及顶板的变形，确保上部地铁的正常运营以及新建基坑安全施工。

2）新建车站顶板出现整体隆起，最大隆起量为7.06mm。地下第2层板最大隆起量为7.51mm；地下第3层板最大隆起量为3.97mm。施工过程中，可根据计算隆起量，采取合适结构板起拱措施，以减小结构的变形。

3）新建车站围护墙的最大侧向变形为17.2mm（东西向17.2mm，南北向11.2mm）。可在内支撑支护方案设计时对此进行合理考虑。

4）既有车站大部分变形小于1mm。开挖结束后，x向的最大变形为0.25mm，y向最大变形为1.48mm，竖向沉降量达到0.6mm。即通过分区对称开挖，对既有地铁车站的影响较小。

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