粉砂粉土地质条件下盖挖逆作施工中临时混凝土支撑对道路的影响

桑 义

上海地铁咨询监理科技有限公司 上海 200030

1 工程概况

武汉市轨道交通7号线一期工程起于东方马城，止于野芷湖站。全长29.8 km，全部为地下线路，全线共设站18座。徐家棚站为轨交7号线一期工程大型地铁枢纽，与地铁5号、8号线通道三线换乘，与三阳路隧道公铁合建，为过江第一站，距离长江仅800 m。

车站主体为地下4层的双柱三跨现浇框架结构，地下1层为物业开发层，地下2层为公路隧道层，地下3层为站厅层及设备夹层，地下4层为站台层，外包总长217.36 m，标准段宽25.3 m，基坑开挖深度34.16 m，采用全盖挖逆作法施工。主体基坑总面积11 000 m2，土方开挖总量约320 000 m3。

围护结构采用厚1.5 m及厚1.0 m、深度60 m的超深超厚地下连续墙，地下连续墙接缝采用φ850 mm双高压旋喷桩进行止水，钢管立柱采用φ2 300 mm抗拔桩＋φ1 000 mm、长度60 m钢管立柱的一桩一柱形式。

施工场地周边环境也十分复杂：车站小里程南端头靠近加油站，围护结构外侧距离加油站仅6 m；车站两侧分布有环卫所小区以及滨江花园小区，建筑密集，西侧与城市主干道和平大道仅以临时施工围挡相隔。

车站布置于和平大道与秦园路交叉路口的秦园路下，车站站址范围内地层从上至下主要为杂填土层、粉质黏土层、淤泥质土层、粉质黏土夹粉土层、粉砂、粉土、粉质黏土互层、粉细砂、细砂、强风化及中风化泥质粉砂岩。全站分为正线9个区、外挂9个区，其中正线1～9区和外挂1～6区为一期主体结构，外挂7～9区为二期5号线和7号线的换乘节点，特别是外挂9区，西邻围挡外的和平大道，整个盖挖逆作施工过程中围挡外的车流量大，如何减少施工过程中对城市主干道路的影响成为了一个非常重要的研究课题。

外挂9区5号、7号换乘节点为二期换乘结构，南侧与一期主体结构接驳器连接，东侧与二期结构连接，共2层结构，由于地下1层开挖深度接近10 m，所以在顶板完成后，地下1层开挖至6 m的深度需要施工临时混凝土支撑梁，当临时支撑梁施工完成达到设计规定强度的80%才能继续往下开挖。

本文针对临时混凝土支撑施工对和平大道路面结构的影响展开深度的分析研究，在基于前人的研究基础上[1-6]，采用ABAQUS有限元软件，对整个超深地铁换乘节点盖挖逆作法的施工过程进行模拟。在有临时混凝土支撑和没有临时混凝土支撑的情况下，根据基坑开挖围挡外的和平大道沥青混凝土路面的位移和应力响应，结合现场实际情况，来评价超深基坑开挖时临时混凝土支撑的及时施工对减少路面结构沉降以及附加拉应力的影响。

2 有限元模型

外挂9区5号、7号线换乘节点地下2层结构，换乘结构地下20 m，顶板距地下1层高度近10 m，顶板标高位置向下开挖6 m左右需要施作3道临时混凝土支撑，再继续开挖4 m施作地下1层中板（图1）。西侧地下连续墙厚度1 m，地下深度35 m，北侧地下连续墙厚度1 m，地下深度55 m。地下连续墙以及主体结构采用C35强度等级混凝土，密度2 600 kg/m3，弹性模量32.5 GPa，泊松比0.2。沥青混凝土路面采用线弹性模型，弹性模量1.2 GPa，泊松比0.25。

图1 轨交5号、7号线换乘节点与和平大道位置示意

模型长50 m、宽35 m、深70 m；车站长38 m、宽22.5 m、深20 m。模型将整个外挂9区和围挡外的和平大道划分出来，建立了三维有限元数值计算模型（图2），车站划分为5 187个单元，土体划分为11 900个单元，和平大道沥青混凝土路面厚度20 cm，为了便于网格单位的划分，模型将沥青混凝土路面结构层作整体考虑。

图2 有限元模型

为了保证计算结果与真实情况接近，模型结合了武汉地区粉砂粉土的特殊地质条件，将土层划分为5层，由上至下主要地层为：杂填土、淤泥质黏土、细砂、强风化岩、中风化岩（表1）。

表1 模型计算土体参数

3 盖挖逆作法临时混凝土支撑对路面位移的影响

从路面沉降对比曲线（图3）可知，在有混凝土支撑的条件下靠近基坑侧路面沉降值为45.35 mm，远离基坑侧路面沉降最小值为42.17 mm，可以看出整个路面横断面的沉降值差异较小，路面的横向在基坑开挖过程中基本呈现均匀沉降的情况。图3（b）中，时间步4时地下连续墙施工完成，时间步7时钢管桩施工完成，时间步8时地表土开挖至顶板底标高位置，时间步10时顶板施工完成，时间步15时继续从顶板预留洞口向下开挖6 m，时间步16时3道临时混凝土支撑梁完成，时间步20时继续从临时混凝土支撑梁底标高向下开挖4 m至地下1层板标高位置，时间步22时地下1层板施工完成，时间步32时底板施工完成。

图3 路面沉降对比曲线

通过对整个开挖过程进行了动态模拟分析，可以看出临时混凝土支撑施工完成后，在后续4 m深度的开挖过程中，最大可以减少11.7 mm的沉降，但是地下1层板施工完成后，在向地下2层开挖的过程中，3道临时混凝土支撑对路面的沉降控制效果较弱，说明此时的地下1层板已经基本取代了3道临时混凝土支撑对地层位移的抑制效果。

再通过对无临时混凝土支撑情况下路面的沉降曲线分析，发现地下1层直接开挖10 m后再施工地下1层板时，和平大道的沉降曲线较陡，沉降差值37.6 mm；而地下2层直接开挖7 m后再施工底板，和平大道的沉降曲线就较缓和，沉降差值31 mm，说明了楼板对地层位移的抑制效果仅对一定深度的范围效果较理想。

在一次开挖深度超过6 m的深基坑工程中，临时支撑的及时架设可以缓和地表的沉降速度，对路面的结构也有一定的保护作用，但是在后续的开挖过程中，此道临时混凝土支撑对地层的位移抑制效果逐渐减弱，有临时混凝土支撑的开挖较无临时混凝土支撑的开挖在最终的路面沉降控制方面仅相差1.7 mm。

4 盖挖逆作法临时混凝土支撑对路面结构应力的影响

在路面横向弯拉应力对比曲线（图4）中，时间步10时地下连续墙施工完成，时间步18时钢管桩完成，时间步26时开挖3 m至顶板底标高，时间步26～31顶板施工完成，时间步34时顶板洞口向下开挖6 m并完成3道临时混凝土支撑，时间步78时从临时混凝土支撑标高位置继续向下挖4 m，时间90～98时地下1层板施工完成，时间步132时开挖至底板标高，时间步136时底板施工完成。与无临时混凝土支撑情况对比，有临时混凝土支撑的可以有效地减少88%的路面附加弯拉应力，这也大大减少了因路面裂缝而产生的路面坑洼破坏（图5）。

图4 路面横向弯拉应力对比曲线

图5 基坑围挡外的和平大道路面情况

在地铁车站盖挖逆作施工过程中，当路面产生较大的附加弯拉应力时，在车辆荷载以及重载罐车渣土车的反复作用下，路面极易出现断裂，加上雨水对破损路面基层的长期浸泡和车辆荷载作用就很容易形成坑洼，即使对面层及时修补，后续的雨水和车辆荷载作用仍然会对此处产生破坏，只有等到工程主体结构施工完成后，地层稳定了，路面附加弯拉应力值也随之减弱至较低值，才不足以对路面产生后续破坏。

在实际的工程施工过程中，在基坑围挡外侧的和平大道的路面，正如理论计算结果预测的一样（图6），出现了路面坑洼破坏的情况，但总体情况良好，特别是车站结构完成后，路面结构也趋于稳定。

图6 路面纵向弯拉应力对比曲线

5 结语

1）临时混凝土支撑在深基坑工程中，仅对一定深度范围的地层位移起到了一定的抑制作用，随着继续开挖至完成地下1层结构楼板后，深基坑再往下开挖时，临时支撑对地层位移的抑制能力基本已经被地下1层结构中板所取代，在最终的路面沉降控制效果方面一般。因此也证明了在盖挖逆作法地铁车站施工中，地下连续墙和结构楼板不但是主体结构的一部分，而且是抑制地层位移和路面沉降的主要结构，而临时混凝土支撑的支撑效果随着开挖深度的增加逐渐减弱。

2）轨交5号、7号线换乘节点深基坑开挖对路面产生的纵向附加弯拉应力值较小，但是横向附加弯拉应力值较大，与无临时混凝土支撑情况对比，有临时混凝土支撑的可以有效地减少88%的路面附加弯拉应力，这也大大减少了因路面裂缝而产生的路面坑洼破坏。

3）虽然3道临时混凝土支撑对路面的最终沉降影响较小，但是却让车站在盖挖逆作施工过程中不可避免的地应力和地层位移有了较缓和的释放，大大减少了附加弯拉应力的产生，也减少了因过大的附加应力而对路面结构产生的破坏。