基于AM桩盖挖逆作地铁车站施工力学有限元分析

张振义， 陈雾航， 许有俊， 李文博

(1. 呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 010000; 2. 内蒙古科技大学土木工程学院， 内蒙古 包头 014000; 3. 北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，呼和浩特市区也开始了轨道交通1、2号线的建设，其中，某大型换乘车站采用盖挖逆作法施工，柱下桩基采用AM桩，对于车站围护结构的设计难点需进行具体的分析。

盖挖逆作法工序复杂，基坑开挖过程中伴随频繁的“卸荷—加载”作用，使车站结构不断产生内力重分布，导致明显的差异沉降，给施工和后期车站使用带来安全隐患。基坑开挖引起土体卸荷回弹致使中柱桩向上抬升，同时受上部结构自重加载影响又产生沉降，2种因素相互作用，使得施工过程中中柱桩受力情况变得非常复杂且具有明显的时空效应。

目前，针对地下结构盖挖逆作施工过程力学性能分析取得了较多的研究成果。文献[1-3]通过有限元数值模拟分析了实际工程盖挖逆作法施工过程中结构的受力和变形规律，对结构的差异沉降做了有关探讨；文献[4-7]分析了逆作法基坑施工过程中围护结构的变形规律；文献[8-9]对目前盖挖逆作法的关键技术进行了总结，对相关工程案例进行了介绍；文献[10-12]通过实际工程的现场监测数据，分析盖挖逆作施工过程中结构的内力变化和围护结构的变形规律；文献[13]通过对实际工程监测数据的分析，探讨了地下连续墙的变形及与中间桩柱的差异沉降变化规律，得出盖挖逆作法施工应以差异沉降作为控制标准；文献[14]通过有限元模拟分析普通桩、扩底桩和支盘桩3种围护结构的基坑开挖过程，得出扩底桩能很好地限制桩顶回弹的结论；文献[15]通过有限元方法，探讨扩底桩承载力与扩底直径、桩长和扩底高度的关系。

目前的研究成果主要集中在对围护结构的地下连续墙和等直径桩基的单独研究，但随着地下工程规模日益扩大，AM桩的使用给盖挖逆作结构施工带来更多的不确定性，设计和施工中产生的很多新问题亟待解决。因此，结合某采用AM桩的盖挖逆作大型地铁换乘车站，通过建立土与结构共同作用的三维有限元模型，分析施工过程中结构受力、变形规律及AM桩应用效果，以期为类似工程的设计和施工提供一定的指导和建议。

1 工程概况

本文依托工程为某大型地铁换乘车站，车站设计为T型换乘。换乘节点处为地下六跨3层结构，采用盖挖逆作法施工，桩基采用AM桩。因换乘节点处结构跨度更大，施工时面临的难度和不确定性更大，因此选取换乘节点处结构进行分析。换乘节点处结构参数如图1所示，其中，结构跨度为49.8 m，地下连续墙厚度为1 m，内衬墙厚度及立柱直径为0.8 m，相邻立柱间距为8 m。 AM桩结构参数如图2所示。

图1工程结构示意图(单位： mm)

Fig. 1 Engineering structure (unit: mm)

图2 AM桩结构示意图(单位： mm)

施工时，首先施作围护结构的地下连续墙和中间立柱桩，明挖覆土至顶板标高处后，施作顶板结构，回填覆土并恢复路面交通，此后的施工作业均在顶板下进行，自上而下逐层施工楼板和内衬墙。

2 结构施工过程有限元分析

2.1 计算模型的建立

采用ABAQUS通用有限元计算软件进行模拟，土体模型尺寸为200 m×8 m×100 m，数值模型如图3和图4所示。本文进行三维有限元分析时，采用以下假定。

1)土体地基的约束条件为： 土体下表面采用全约束，四周表面为法向约束；

2)土体单元类型为三维实体单元C3D8R，本构模型采用摩尔-库仑强度准则；

3)围护结构地下连续墙、AM桩，地下结构的楼板及中柱均采用三维实体单元C3D8R模拟，材料本构模型采用弹性本构；

4)开挖引起的周围地层沉降范围为1～4倍开挖深度，本模型边界取4倍开挖深度；

5)通过软件的“生死单元”功能模拟基坑土体的开挖和地下结构的施作，在土体单元内预先切分出AM桩和地下连续墙的形状；

6)地下连续墙与土体、AM桩与土体的接触采用接触面单元模拟，切向行为摩擦公式选用“罚”函数，法向行为设置为“硬”接触，摩擦因数根据规范要求根据地层类型选取。

考虑到该地下工程开挖范围大，模型在长度方向选取1跨进行计算。

图3 土体数值模型

图4 地下结构模型

2.2 土体及结构力学参数

根据岩土工程详细勘查报告,将一定深度范围内土层性质及物理力学参数相近的土体进行合并，主要土体自上而下为素填土、砾砂、圆砾、粉质黏土、细砂，土体分布和力学参数见表1。混凝土结构采用弹性材料本构模拟，考虑钢筋作用，将相应混凝土弹性模量扩大1.2倍后进行计算，具体结构计算参数见表2。

表1 地层土体分布和力学参数

表2 结构计算参数

2.3 计算工况

本文所依托工程采用盖挖逆作法施工，顶板上部覆土采用明挖法，施作顶板后回填上部覆土并恢复路面交通，之后在顶板下进行开挖及结构施作。根据施工工艺和具体的施工进度，将其分为5个主要工况，见表3。

表3盖挖逆作施工工况

Table 3 Construction sequences of cut and cover top-down method

计算工况盖挖逆作施工过程1 初始阶段,计算土体自重应力(包括地下连续墙、AM桩、中柱施作)2开挖顶板上部覆土,施作顶板,并回填覆土3开挖地下1层土体,施作地下1层底板及侧墙4开挖地下2层土体,施作地下2层底板及侧墙5开挖地下3层土体,施作地下3层底板及侧墙

3 结果分析

3.1 地下连续墙水平位移分析

基坑施工过程中，由于土体开挖卸载，地下连续墙受到外部土压力作用产生向基坑内部的位移。由于结构对称，现取左侧地下连续墙为研究对象。各开挖工况下地下连续墙水平位移s沿其深度h的变化曲线如图5所示。

施工过程中，地下连续墙最大水平位移出现位置随开挖逐步下降。开挖地下1层土体后，由于顶板的支撑作用，地下连续墙顶部位移基本保持不变，最大水平位移为7.01 mm。随着施工进行，地下1层底板施作完成，地下2层土体开挖后，地下连续墙最大水平位移为12.28 mm，位于基坑开挖面以下地下2层底板位置处。地下3层土体开挖后，由于地下2层底板的支撑，地下2层底板与地下连续墙相交处水平位移增幅明显减小，基本保持不变，最大水平位移为19.47 mm，位于开挖面以下底板位置处。此时，位移为施工过程中的最大值，分析其原因，地下3层层高大于地下1层和2层，达到7.25 m，因此地下连续墙承受更大的外部土压力。地下3层底板施作后，由于支撑作用较小，地下连续墙最大水平位移并无明显变化。

图5 地下连续墙水平位移与深度变化曲线

Fig. 5 Relationship between horizontal displacement and depth of underground diaphragm wall

3.2 施工过程中AM桩受力分析

施工过程中柱下AM桩轴力分布及其随施工步变化曲线如图6所示。

图6 桩身轴力分布及变化曲线

1)初始状态下，中桩在自重作用下轴力整体呈受压状态，且底部轴力最大，顶部轴力最小，在AM桩扩底处轴力斜率发生突变急剧增大。

2)顶部覆土开挖后，由于土体开挖卸载，基坑底部土体隆起，带动桩体上拔，此时桩身上部处于受拉状态，桩身中、下部处于受压状态，在桩身扩底段轴力急剧增大。

3)随着上部结构的施作，结构自重对桩基加载，压力由桩顶向桩底传递，桩体呈现上部受压，扩底处上部局部受拉，底部扩底段轴力急剧增大并逐渐增大至受压的状态。

4)施作完底板以后，地下结构施工完成，AM桩整体呈受压状态。

3.3 差异沉降分析

基坑施工时由于土体开挖卸荷，受土体回弹的影响，立柱桩和地下连续墙均表现为隆起。随着地下结构施作，立柱桩和地下连续墙在上部结构自重荷载作用下出现压沉。此外，由于地下连续墙为纵向连续结构，中间立柱桩纵向不连续，受力形式不同，加之地下连续墙入土段深度小于立柱桩，土的回弹作用对中间立柱桩的隆沉影响大于两侧地下连续墙，从而使二者之间产生差异沉降。差异沉降会引起地下结构的内力重分布，引起附加应力，差异沉降过大则会危及结构安全。

各工况下地下连续墙与中间立柱在顶板高度处的隆起变化如图7 所示。数值计算结果显示，施工过程中，中间立柱桩和两侧地下连续墙均表现为隆起，且中间部位隆起最大，两端地下连续墙隆起最小，开挖下一层土体后结构的隆起值大于上一层开挖步的隆起值，开挖地下3层时，地下连续墙与相邻中柱间的差异沉降达到最大值。施作底板后，隆起值有所减小。

图7 各工况中柱和地下连续墙顶部隆起变化

Fig. 7 Differential settlement curves of middle pillars and underground diaphragm wall top

3.4 AM桩在盖挖逆作施工中的应用效果分析

等直径桩在抗拔时，一旦桩侧摩阻力发挥到极致，由于没有其他桩端力的作用，桩土之间便会发生很大的相对位移，对结构产生严重的破坏。AM桩由于扩底段与土体之间有着复杂的作用关系，当桩侧摩阻力不足时，扩底段能够通过增加桩土相对位移而持续提供承载力，因此在盖挖逆作法施工过程中，能够有效减小上部结构的隆起和柱与柱、柱与墙之间的差异沉降。在桩长、等直径段桩径参数相同的情况下，采用AM桩与等直径桩的盖挖逆作地下结构各工况下柱顶隆起对比如图8所示。

(a) 开挖地下1层

(b) 开挖地下2层

(c) 开挖地下3层

(d) 施作底板后

Fig. 8 Comparison of structural displacement among different conditions

在桩长和等直径段桩径参数相同的情况下，采用AM桩的结构隆起小于采用等直径桩的结构隆起。开挖地下1层后，2种桩基形式引起的隆起比较接近，随着开挖步的进行，土体回弹，带动桩基上拔，AM桩的抗拔能力明显高于等直径桩。2种桩基形式下结构的差异沉降曲线如图9所示。地下结构施作完成以后，采用AM桩的结构隆起比采用等直径桩的隆起减小约9 mm，且地下连续墙与相邻中柱差异沉降减小约6 mm。可见在盖挖逆作施工过程中，采用AM桩能够有效减小结构的差异沉降。

图9 结构差异沉降曲线

4 结论与建议

1)基坑施工过程中，地下连续墙最大变形出现在开挖地下3层土体工况。由于楼板起到了良好的支撑作用，有效限制了地下连续墙的变形，保证了围护结构的稳定性，体现了盖挖逆作法利用楼板代替临时支撑的优越性。对于层高较高的结构，设计时可在开挖底层土体工况时设置临时支撑，待底板封底后拆除，以保证结构的安全与稳定。

2)基坑施工过程中由于土体开挖导致下部土体回弹，带动AM桩上拔，同时上部结构自重对AM桩作用向下的荷载，致使桩身出现上部受压，扩底处上部局部受拉，在扩底处内力出现突变急剧增大并最终在底部呈受压状态的现象。

3)施工时地下连续墙与中间立柱桩始终为隆起状态且地下连续墙隆起小于相邻立柱桩。差异沉降随施工进行逐步增大，在底板施工完成后差异沉降值出现一定程度减小。差异沉降值达到最大时对应开挖地下3层土体工况，为地下结构受力最不利工况，建议尽快施工底板进行封底，减少坑底暴露时间，保证结构安全。

4)在桩长、等直径段桩径参数相同的情况下，采用AM桩的结构隆起小于采用等直径桩的结构隆起。随着施工的进行，AM桩的抗拔能力明显高于等直径桩，引起的差异沉降小于等直径桩结构，采用AM桩能够有效减小结构的差异沉降。对于控制结构整体隆起及差异沉降要求较高的地下工程，设计时建议采用AM桩作为桩基。