车站竖井开挖对周边建筑物的安全性研究

毕永涛

(中铁七局集团第二工程有限公司 辽宁沈阳 110000)

随着中国经济的飞速发展，城市建设也进入了高速扩张阶段，随着城市地上空间被不断开发利用，城市建设会越来越多地向地下空间发展，其中，地铁路线的建设必然会对原本的地面建筑物产生影响，这个问题已经发展到亟须解决的程度[1]。在目前地铁建设过程中，施工地点位于城市经济发达、交通繁忙地区的一般多采取暗挖法进行开挖建设。而在暗挖建设车站的过程中会出现一定的施工风险，特别是在建设车站附近存在既有建筑物时，有可能对车站建设和周边建筑物造成难以估量的损失。在PBA暗挖车站施工区域过长或者是工程量特别巨大时，工程过程中一般会先建设数量不等的竖井来增加工程工作面，从而加快施工的进度，尽量缩短工期，节约工程成本和造价。我国不少学者都对竖井临近建筑物这一方面进行了理论研究，一些学者提出了施工工法改进和软件的数值模拟分析方法[2-3]。陈卓友[4]以科学中心站基坑开挖为工程背景，通过建立三维有限元模型，以开挖深度、基坑与建筑物桩基距离、桩基刚度等为变量，并与实测数据相结合，对基坑开挖对临近建筑的影响展开了研究。郑翠玲[5]以南昌城市三号线基坑工程为背景，采用模糊评价体系的方法，从建筑物年限使用状况等因素对进坑支护优化进行了分析。王国林等人[6]从基坑临近建筑物、临近地下地铁、基坑地下管线等几个方面进行了综合阐述，并指出了基坑施工中存在的一些问题，并给出了一定的建议。

结合以上各位学者的研究总结，当前关于地铁暗挖车站建设中的竖井研究对周遭建筑物的影响研究特别稀缺，可供研究的工程实例也相对较少，由此可见，进行暗挖车站的竖井开挖对周边建筑物影响是特别有研究价值和工程必要的。

1 工程概况

三好街站为地铁3 号线的第二十座车站，前一站为方型广场站，下一站为工业展览馆站。三好街站为3号线和规划8号线的换乘站，3号线车站先期建设，规划8 号线车站远期建设。该车站为暗挖岛式站台车站，有效站台宽度14 m，车站主体为地下两层三跨框架结构，车站总长220.7 m。标准段宽度为22.7 m，标准段高度为15.6 m，顶板覆土厚度约7.0 m。车站共设置3 个施工竖井，其中1#施工竖井兼做站前区间盾构吊出井。该站共设4个出入口通道、4个地面出入口、1个安全出口、2组风道、2组地面风亭。其中，1#施工竖井结合1号风道设置，2#施工竖井结合B出入口设置，3#施工竖井结合D出入口设置。车站主体结构总平面图如图1所示。

图1 车站主体结构总平面图

本工程下穿南运河、高层建筑、既有综合管廊、立交桥、大型市政管线等，工程施工风险大。

2 支护设计

三好街站1号竖井结构尺寸为11.3 m×9.8 m，深度分别为29.3 m，竖井采用钻孔围护桩+钢支撑支护形式,内支撑第一层内支撑采用600 mm×1 000 mm混凝土支撑+桩顶冠梁，井口桩顶冠梁采用C30钢筋混凝土结构，基坑钢支撑采用A609 mm，t=16，预加轴力300～500 kN的钢管支撑，钢围檩采用双拼工45C工字钢。

3 施工重难点

（1）本工程位于文化路的正下方，施工的关键是保证公路的安全。该项目的施工竖井设置在文化路的机动车道和非机动车道上，地下车站和地下隧道均在文化路的正下方，施工过程中要严格按照设计图纸进行施工，加强施工监控，根据监测数据及时调整施工参数，如有需要，可以在人行道上铺上钢板，以预防路面沉降、塌陷，保证施工过程中的道路安全。

（2）洞内材料全部采用竖井式航吊进行垂直输送，保证施工的安全是重点。该项目隧道内的材料全部由垂直式井口航吊机进行垂直输送，其使用率高，工作负荷大，为保证其在使用中的安全，提升系统必须通过相关部门的验收，并在使用期间安排专门人员对抓斗、吊钩、钢丝绳等各部件进行定期与不定期安全检查，并经常性地进行保养维修，损坏严重的要进行更换处理。航吊司机和信号员必须经过训练才能进入工作岗位。

（3）施工竖井规模小，井口深度大，材料全部由竖井吊装，施工过程中的各个环节相互影响，施工组织困难。竖井比较小，也比较深，在井中的临时生产设备（如上下楼梯、风管等）比较困难。在掘进和装渣过程中，掘进机的工作受到了制约，各个工序之间的相互影响很大，施工组织困难，进度缓慢，是该项目的一个难题。

（4）地下管线密集，大型管线多，管线防护是该项目的重点。由于该标段地处闹市区，车站和部分施工区域地下管线密集，建筑物上部的重要市政管道与建筑物之间距离较近，因此，对工程的施工安全影响较大。

（5）降水施工是施工中的关键问题。由于该项目不需要用水，因此，该项目的关键是降水。为疏干隧道和隧道中的土层，进行排水加固，有利于土方开挖，有利于改善支护结构被动区域的强度和稳定性，从而为隧道安全提供了有利的条件。

4 数值计算分析

4.1 数值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元软件建立1号竖井基坑临近建筑物三维有限元仿真模型。在三维基坑竖井模型建立方面将施工现场简化成X方向长度是60 m，Y方向是60 m，Z方向是45 m；竖井基坑的尺寸是X方向10 m、Y方向15 m、Z方向30 m。周边建筑物位置简化到距基坑竖井10 m位置，模型在约束方面附加X、Y、Z方向底部约束位移，土体上表面不加约束。其中，土体、竖井基坑、建筑物均采用实体单元进行模拟，竖井内支撑、腰梁冠梁、竖井围护桩均用梁单元进行模拟，建筑物筏板桩采用植入式梁单元，建筑物筏板采用板单元进行模拟。三维模型如图2、图3所示。

图2 三维有限元分析模型

图3 基坑竖井与建筑物的相对位置

4.2 计算参数

模型共分为五层土体，各层土体的物理参数、材料计算取值如表1、表2所示。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

4.3 模拟工序

竖井基坑分层开挖，分层支护，竖井开挖总深为30 m，分6次开挖，在开挖基坑之前需要先将周围建筑物地上部分，地下部分进行激活，地上部分包括25 m高的建筑物，地下部分包括地下室3 m 建筑物筏板和长14 m 的建筑物筏板桩。然后在进行初次支护结构施工时，将围护桩、地连墙、冠梁进行激活，在开挖时每开挖一次进行一次内支撑与腰梁的建设，保证开挖一部分支护一部分，模拟过程一共分为15步。

4.4 计算结果与分析

在车站竖井建筑物4个角进行节点位移沉降的检测，对竖井的每一个施工步骤进行检测分析。建筑物沉降检测节点的编号及具体位置，如图4所示。

图4 检测节点

节点在各个施工过程中的地表沉云图结果如图5所示，施工步序图如图6所示。

图5 结果云图

图6 节点监测数据

图6 中曲线详细描述了建筑物4 个节点监测点的沉降。由图6可知，最大沉降处出现在节点40 481处，达到了15.44 mm；最小建筑物沉降在节点40 473处，仅为3.78 mm。随着基坑竖井的开挖，在开始阶段建筑物沉降变化不大，随着施工段的不断进行，建筑物沉降开始增加。本工程基坑部分采用的是钻孔灌注桩+钢支撑支护形式增加混凝土内支撑等方法，建筑物下放设置有建筑物筏板桩，建筑物筏板等使其使沉降控制在一定范围内。

5 结论

基坑竖井开挖暗挖地铁车站前一道非常重要的施工工序，其中极其重要的一步是控制由于基坑竖井开挖引起的周边建筑物沉降。通过Midas Gts Nx 软件进行了简单的基坑竖井开挖施工模拟，可以得到以下结论。

（1）本文通过模型分析了竖井开挖过程中引起得建筑物沉降值在节点40 481 处最大为19.44 mm，在40 473节点处最小值为3.78 mm。

（2）通过有限元Midas Gts Nx模拟基坑竖井开挖过程中内支撑，围护桩、冠梁腰梁等支护措施得加固，有效地控制了开挖过程中引起的建筑物的沉降值。