半铺盖法地铁车站深基坑支护工程安全性分析

袁 超，苏三庆，吴禄源，陈培耀，俞晨龙

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

半铺盖法地铁车站深基坑支护工程安全性分析

袁 超，苏三庆，吴禄源，陈培耀，俞晨龙

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

西安地铁四号线五路口车站采用半铺盖顺筑法施工，基坑中部的临时立柱桩造成了钢管支撑安拆难度大，地下水位偏高及局部限高下施工等不确定性因素给基坑支护工程施工安全带来隐患。阐述了该支护工程特点及方案设计，通过对现场监测数据的分析，得到围护桩桩顶水平位移、支撑轴力、临时立柱桩沉降及地表累计沉降。同时运用有限元软件模拟基坑开挖，模拟结果和实测结果对比表明，基坑支护方案合理可行，结构可靠安全，达到了预期效果。

半铺盖法 深基坑 支护结构 数值模拟 安全性

1 工程概况

五路口车站是西安市快速轨道交通一、四号线的T型交叉换乘站，位于东西五路与解放路十字路口南侧，呈南北走向布置，南接大差市站，北接火车站，为地下三层岛式车站。车站主体为地下3层3跨钢筋混凝土框架结构，地震设防烈度8度，防核武器等级6级，结构耐久年限100年。车站总长161.56 m，标准段宽度为22.9 m，平均深22.9 m，顶板覆土约为3 m，总建筑面积约为15 033.9 m2。施工场地地势较为平坦，属于黄土梁洼地貌。地下水位埋深－9.8～－11.0 m，地下潜水位高程为391.27～392.79 m，附近新黄土含水率较高，使土体承载力降低，稳定性变差，对混凝土结构具有微腐蚀性。土层组成及参数指标见表1。

表1 土层组成及参数指标

2 支护工程特点及方案设计

2.1 支护工程特点

1)半铺盖顺筑法修建地铁车站时，支护工程除内支撑外，基坑中部存在混凝土临时立柱桩、柱间钢连梁等构件。铺盖体系下钢管支撑安拆难度大，水平支撑间距小对起吊升降点有影响。

2)深基坑地下水位高，距周边建筑近，基坑两侧和铺盖上方动载大，扰动多。地下管线分布密集，车站约有1/5的范围会受到五路口环形天桥的影响，对局部限高下钻孔灌注桩的施工造成很大障碍。

2.2 支护方案设计

基坑开挖深度较大，为保证基坑施工及周边建筑安全，采用了排桩+内支撑的支护形式。排桩采取钻孔灌注桩加桩间水平旋喷桩止水帷幕的形式。钻孔灌注桩为φ1 200@1 500 mm，插入基坑底部9 m;水平旋喷桩为φ800@1 500 mm，插入基坑底部4 m;基坑中间临时立柱桩采用φ1 500@6 000 mm钻孔灌注桩，插入基坑底部23 m。桩身混凝土强度等级为C35。基坑南端盾构扩大段采用4φ1 200 mm格构柱作为混凝土斜撑的支撑;另外钻孔灌注桩桩顶设置有1 600 mm× 1 000 mm的冠梁，临时立柱桩柱顶设置有1 500 mm× 1 000 mm混凝土连系梁。内支撑设置4道。第1道为600×800 mm混凝土支撑，第2～4道为 φ609× 14 mm和φ609×16 mm的钢支撑。

3 基坑支护监测与结果分析

3.1 监测目的及方案

通过现场监测数据的分析，对支护体系稳定性加以评价，并进一步预测开挖施工将导致的变形及稳定状态的发展［1-2］。预测判断施工对周围环境的影响程度，确定后续工序安排，使施工处于最佳受控状态［3］。综合五路口车站的现场情况和信息化施工设计要求，确定监测项目允许值和警戒值，见表2。基坑测点布置见图1。

表2 监测项目允许值和警戒值

图1 基坑测点布置

3.2 监测结果分析

3.2.1 围护桩桩顶水平位移

桩顶水平位移随开挖深度变化曲线见图2。由图可知，在基坑未开挖时，围护桩承受上部铺盖系统和路面车辆传递下来的荷载，有一定的水平位移。随开挖深度加大，桩体所受侧向土压力增大，加之地下水作用致使位移增速较快［4］。当基坑开挖到6～10 m时由于设置了第2道钢管支撑及地下水降水的持续，位移增速逐渐减缓，但累计值仍在增加。随着车站主体结构建设和第3，4道钢管支撑架设，水平位移速率减小，最终趋于稳定。桩顶水平位移最大值为6.2 mm，远小于警戒值。

图2 桩顶累计水平位移随开挖深度变化曲线(桩体向基坑内侧偏移为负值，相反为正值)

3.2.2 中间临时立柱桩沉降

图3 中间临时立柱桩沉降时程曲线

半铺盖法修建车站的特点是存在中间临时立柱桩。由图3可以看出，基坑开挖初期深度较浅，立柱桩沉降量不大;开挖至设计深度一半时，由于横向支撑未能及时架设，累计沉降速率加快。整个过程呈现出桩体沉降—隆起—沉降—稳定的趋势［5-6］。底板浇筑是立柱桩沉降最终趋于稳定的重要原因。为防止对立柱桩产生附加侧压力，基坑内两侧土体严禁出现2 m以上的高差。整个监测过程立柱桩沉降值在允许变化范围内。车站西半幅基坑顶部路面设计有临时铺盖，基坑开挖过程中，立柱桩产生扰动影响铺盖路面的使用安全，因此必须密切监测其差异沉降。

3.2.3 支撑轴力

钢支撑施工遵循“随挖随撑随拆”原则［7］，取第2道直撑测点ZL4，ZL7，斜撑测点ZL12实测变化曲线进行分析。由图4可知，随着基坑开挖规模和深度增加，支撑轴力随之增大，开始时轴力增速缓慢，呈直线增长;当开挖加大时，有来回波动现象，说明施工的先后顺序对其造成影响。第10周开始，测点ZL7钢管支撑轴力变化浮动较大，这是由于其位于基坑中部，承受基坑两侧土压力作用。当主体开始施工，底板混凝土浇筑完成时，轴力变化趋于平缓。直撑、斜撑轴力累计变化量远小于报警值，支护工程设计偏于保守，在施工中可对基坑局部支撑横向间距及预加轴力进行适当调整，使中部支撑承担大部分土压力，进一步有效控制基坑变形。

图4 支撑轴力时程曲线

3.2.4 地表沉降

地表沉降监测是周边环境安全监测最重要的指标［8］，取代表性沉降点 D1，D4，D6，D12进行数据分析。正值表示地表隆起，负值表示地表沉降。由图5可知:在基坑开挖初期，基坑四周土体沉降缓慢，由沉降变为隆起，是因为此阶段开挖深度较浅，内支撑在架设的同时施加了预应力，桩体产生了向外的位移;随着开挖深度的不断增加桩体向基坑内部发生位移，逐渐呈沉降趋势;随着第3、第4道钢管支撑逐段逐层，依次架设及拆除，周边土体整个呈现出沉降—隆起—沉降—相对隆起—沉降—稳定趋势。整个地表沉降监测期间，沉降值均在允许范围内，最大为－4.9 mm，未超过警戒值。

图5 地表累计沉降时程曲线

4 有限元模拟分析

4.1 模型的建立

数值模拟采用ANSYS有限元软件进行分析，考虑基坑的对称性，取基坑区域一半建立模型，考虑到半铺盖体系下传递的上部荷载和周边环境的影响，基坑的侧向边界范围取基坑开挖深度的3倍［9］，以减少边界对基坑开挖的影响。土体采用3D-solid8节点单元，冠梁、第1道钢筋混凝土支撑、桩采用Beam单元，第2～第4道钢管支撑采用Pipe单元。钢筋混凝土支撑、钢管支撑、桩体运用线弹性本构模型进行理论计算，而土体本构模型服从 Mohr-coulomb屈服准则。计算模型见图6。土层物理指标参见表1。

图6 ANSYS有限元计算模型

4.2 结果分析

4.2.1 桩顶水平位移

由图7可知，桩顶水平位移模拟值与实测值有一定出入，这与周边环境不确定性因素及局部施工土体超挖等有很大关系［10］。但从整体变化趋势来看，二者形态接近，均未超过警戒值，位移满足基坑稳定性和安全性要求。随着基坑的逐步开挖，各测点位移不断增大。当开挖深度达到22 m左右时，模拟值最大位移约为6.8 mm，比实测值(5.9 mm)大。这是由于有限元模拟的局限性，无法充分考虑变形、沉降问题。而实测桩体出现最大位移是由于土压力作用和基坑外荷载影响。考虑应力状态改变引起土体变形，应加快基础底板混凝土浇筑时间，尽可能避免因土压力作用和地下水影响导致桩顶产生更大位移。

图7 桩顶累计水平位移模拟值与实测值对比

4.2.2 内支撑轴力

内支撑轴力数据为钢管支撑从架设到拆除全过程的监测结果。由图8可见，两曲线轨迹基本相似，均出现了轴力增大—减小—增大—减小—稳定的过程，这与施工的先后顺序、预加轴力大小等有关。开挖深度增大，支撑轴力也在变大，模拟轴力值整体呈增大趋势，与实际情况比较符合。模拟值之所以在第7、第8周明显减小，是因为有限元分析不能对施工中遇到的问题及时进行调整，致使该阶段模拟值比实测值减小得快。处于对后续工作安全性的考虑，作业人员可适当减少基坑周边堆载物的堆放，进一步减小支撑轴力负荷。

图8 支撑轴力模拟值与实测值对比

4.2.3 临时立柱桩沉降

取累计沉降值最大的测点数据与模拟值对比。由图9可知，基坑在未开挖时，车辆及铺盖体系传递下来的荷载使得桩体有一定的沉降。基坑开挖使得立柱桩产生扰动并发生位移变形。桩体沉降实测值比模拟值略微小是由于桩侧土摩阻力的作用，但模拟整体形态基本符合施工现场情况，有一定参考价值。临时立柱桩的施工有效保证了地铁深基坑施工开挖时支护体系的安全和稳定。

图9 临时立柱桩累计沉降模拟值与实测值对比

4.2.4 地表沉降

由图10可知，基坑施工开始阶段，开挖深度较浅，基坑周边位移呈现出隆起—沉降趋势，这是由于钢管支撑预应力的加载及土压力作用;基坑开挖中期，周边土体产生了相对滑移，沉降值总体变为负值，第9周开始到第10周，周边荷载和预加轴力值增加，累计沉降值突然变大，桩体开始向下移动。沉降量不断增大，此时模拟值与实测值出现了较大的差异，模拟值沉降速度较为缓慢，这是因为实测值存在误差，要考虑人为和自然因素，但总体形态基本一致。最终实测最大累计沉降量－8.2 mm，模拟最大累计沉降量 －8.9 mm，两者相差不大，均未超过警戒值(18 mm)。模拟结果分析在一定程度上能反映基坑变形的规律。

图10 地表沉降模拟值与实测值对比

5 结论

1)半铺盖顺筑法是适于交通复杂、道路狭窄且不宜使用明挖或全盖挖地段的一种新型地铁施工方法。其基坑支护工程采取排桩+内支撑形式，通过采取关键施工技术和有效监控，解决了基坑变形、地表沉降等问题。在保证车站主体顺利施工的基础上，使得半铺盖体系上交通运转正常。

2)西安地铁4号线五路口车站支护工程通过分析监测结果得出围护桩桩顶水平位移累计值为6.2 mm，立柱沉降累计值为5.8 mm，地表沉降累计值为4.9 mm，均未超过其警戒值，说明基坑支护安全可靠，设计偏于保守。有限元模拟值与实测值虽有差异，但曲线趋势较为一致，能为基坑支护设计提供参考。

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Safety analysis of support in metro station deep foundation pit with semi-cover method

YUAN Chao，SU Sanqing，WU Luyuan，CHEN Peiyao，YU Chenlong
(Institute of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710054，China)

W ulukou station of Xi'an M etro Line 4 adopted the semi-cover construction method，temporary post pile in the middle of foundation pit caused the installation and removal difficulty of steel pipe supporting，high groundwater level and local limiting construction，which means such uncertainties could bring hidden trouble to the safety of foundation pit supporting engineering construction．T his paper described the characteristics and scheme design of the supporting project，obtained the horizontal displacement of retaining pile top，supporting axial force，temporary post pile settlement and surface cumulative settlement through on-site monitoring data analysis．Finite element software was used to simulate foundation pit excavation and the simulation results and the experimental results showed that the foundation pit supporting scheme is reasonable and feasible，structure of which is reliable and safe，and the expected results are achieved．

Semi-cover method;Deep foundation pit;Supporting structure;Numerical simulation;Safety

TU473

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．14

(责任审编 葛全红)

2015-01-10;

:2015-06-20

国家自然科学基金项目(51478383)

袁超(1989— )，男，陕西铜川人，硕士研究生。

1003-1995(2015)08-0047-05