复杂环境下地铁车站全盖挖法应用与研究

复杂环境下地铁车站全盖挖法应用与研究

何 锋

中交铁道（武汉）建设科技有限公司，湖北武汉， 430056

摘要：随着现代城市的建设及轨道交通技术的发展，越来越多的轨道交通建设场地受到既有建构筑物的制约，需采取一些特殊方式来实现工程。本文结合实际工程进行研究，某城市既有快速路桥桩位于在建车站中心位置，车站采用全盖挖法逆作法的方案来控制周边因基坑开挖引起的桥墩变形及地面沉降，从而达到保护桥桩及其上部桥墩及桥梁的实际应用，为未来类似工程提供参考。

关键词：全盖挖法车站；桥墩；建构筑物；基坑变形

随着现代城市的建设和发展，轨道交通的建设业成为紧跟城市发展不可或缺的重要环节，然而在建筑密集的城市建设地铁往往会引起周边地表沉降，建构筑物的破坏或者迁移，繁华的闹市区修建地铁车站受到周边环境和路面交通限制较大,采用盖挖法施工是一个有效的解决途径^[1-3]。同时采用全盖挖法施工能减少对地面交通和周围环境的影响,大大降低施工噪声,节约建设用地，达到既环保又节约的目的^[4]。

1. 工程概况

长春市城市轨道交通7号线一期工程赛德广场站位于东南湖大路与仙台大街交叉口中心广场160米环岛内，沿东南湖大路东西向敷设，仙台大街东部快速路快速路高架为城市主干道，双向6车道，桥宽约23m南北向敷设。周边规划以商业用地、金融用地、居住用地为主，人流、车流较为密集。

本地铁车站设计方案为将环岛正中心处桥桩及桥墩包裹在地铁车站范围内，设置分离岛式站台，车站为地下二层框架结构，车站外包长度为142.6米，站台宽23.0米，车站中心覆土4.4m。通过计算分析及专家评审对环岛范围内三处桥墩、承台及桥桩采用袖阀管进行注浆加固进行保护，同时车站主体及两边外挂风亭采用全盖挖逆作法施工。桥梁及桥墩与车站位置关系详见图1.1。

图1.1

2. 结构设计分析

2.1基本条件

拟建车站位于伊通河谷冲积阶地（Ⅰ）地貌单元，从上至下地层依次是杂填土（Q4ml）、粉质黏土、中粗砂、全风化、强风化、中风化砂岩为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），全风化、强风化、中风化白垩系泥岩层（K），其中车站地下两层主体结构底板位于强风化和中风化泥岩层，外挂地下一层两处风亭底板位于强风化砂岩层，与实际开挖后土层特性一致。主要岩土力学参数如表2.1.1。

表2.1.1

车站周边采用钻孔灌注桩做围护结构兼做顶板竖向传力支座，中间采用梁板柱体系传递荷载，其中直径800壁厚18的钢管柱为竖向受力构件，钢管柱柱下桩基采用直径1800钢筋混凝土桩基，伸至底板以下27m，钢管柱标准跨度9m×8m；沿东西方向设置主纵梁，南北方向按单向板设计考虑，在北侧一层风亭顶板设置四个出土孔，另主体结构东侧轨排井兼做出土孔。其中距离桥桩基础最近的围护结构净距约5m，基坑深度约18.5m，桥桩基础范围周边采用3排间距0.8米，长24m袖阀管注浆加固。同时基坑周边间距3m密布设置降水井，施工开始前一个月开始降水作业直至车站主体结构施工完成，施工期间将地下水降至开挖面以下1m位置。围护结构平面布置及施工步序如图2.1.1。

图2.1.1

2.2结构计算

全盖挖法以各层板为水平支撑，围护结构受力计算模拟施工全过程，按荷载“增量法”原理进行。围护结构内力按弹性地基杆系有限元法计算分析，模拟开挖、支撑、换撑的实际施工过程，基坑外侧土压力按朗肯主动土压力计算。主体结构计算采用荷载—结构模型平面杆系有限单元法。由于盖挖结构受力受施工过程中影响较大其各控制阶段控制内容为：地下负一层开挖后顶板受力最大，地下负二层开挖后边桩及中柱基础受力最大，对这几个施工过程计算、验算围护结构的承载和整体稳定性。选取典型断面运用同济启明星深基坑软件单独计算围护桩，运用SAP2000采用增量法逐层施加荷载计算围护桩和各层板内力，两种计算围护结构弯矩包络图结果如图2.2.1。中间桥墩处跨度较小，采用同样方式计算，得出围护结构内力较标准断面小。

图2.2.1

同时采用SAP2000计算不考虑围护结构有利作用，取最不利荷载作用，单独计算主体结构内力，计算结果如图2.2.2。中间桥墩处跨度相较标准段小，采用同样方式计算，得出结构内力较标准断面小。

图2.2.2

围护结构和主体结构构件内力最大值如下表：

表2.2.1围护结构和主体结构内力及位移统计

经对比两者计算所得内力及位移相差不大，以最大值进行配筋，实际计算配筋时根据所处地质不同，围护桩和定中底板及侧墙配筋计算结果进行差异包络配筋。

3. 风险专项设计分析

3.1基本条件

根据桥梁规范及产权单位要求，桥梁墩柱沉降变形控制值为10mm。采用数值分析和经验类比相结合的方法预测基坑开挖过程中对既有桥桩的变形影响，同时对高架桥结构的变形控制值给出建议。本次采用MidasGTSNX三维模型进行数值模拟分析，通过模拟施工工序，对施工影响范围内的土层及周边建构筑物进行动态模拟，得出土层最终变形数值。

3.2计算分析

数值模拟分析了整个车站范围内施工过程中土体的沉降及差异沉降变形和水平位移，从而来判断对桥梁变形影响。整个过程根据施工步序依次模拟四个工况：

（1）场地平整，开始周边降水工程，打设围护桩和中间钢管柱桩基及钢管柱；

（2）顶板以上土层开挖，施工顶板结构，顶板上土回填；

（3）向下开挖土层施工中板及外挂风亭底板和负一层侧墙；

（4）开挖至主体结构底板，依次施做底板及负二层侧墙；

计算结果显示随着车站土方的开挖，既有桥梁结构基础沉降先增大后趋于平稳，累计沉降最大值约2.9mm，最大差异沉降约0.6‰；累计水平位移东西向最大约0.1mm，最不利的南北向约1.2mm。最终得出高架桥变形控制值如下表：

4. 监测量测分析

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》和《建筑基坑工程监测技术规范》对基坑周边布置监测点，当变形超过有关标准或场地条件变化较大时，应加密连续监测。本次针对主要影响区域范围内桥桩的监测进行分析。测点布置：每个桥桥墩布置两组，每组测点布置不少于两个，故在每个桥墩上布置4个测点，分别位于桥墩的四个角部，其中对角位置设置主测点。为监测桥梁的变形除施工影响范围内三个桥墩，向两端延伸各多监测两个桥墩变形。负一层结构均已施工完成正在施工底板结构，取最近4个月监测数值可知桥墩沉降变形控制在4mm内，最大沉降值为中间桥墩处产生，桥梁沉降数值在安全范围内且未达到预警值，由此可知结构及桥梁安全可控。 桥桩沉降变形数值统计如下：其中正值为沉降数值。

其他监测围护桩的水平位于和竖向位移均处于正常的设计范围内，目前根据实际现场监测开挖至负二层桩体最大水平位移约13mm，围护桩竖向位移最大值约3mm，水平位移和桩体和桩体竖向位移远低于基坑控制变形值的30mm，较设计计算值稍大。

5. 结论及建议

通过本全盖挖车站计算与分析可知：

（1）针对本项目影响地铁车站施工的高架桥采取加固措施，并采用全盖挖法施工是切实可行的方案。

（2）本项目实施过程中全程采用基坑外降水措施有效的保证了基坑开挖过程中围护结构变形。

（3）通过数值模拟分析更进一步指导了现场设计和施工，也暴露了实际施工过程可能因为其他原因导致与计算值有偏大，但总体模拟比较接近实际工况，根据现场实测桥墩的变形数值在安全可控范围内。

针对本项目成功采用全盖挖法施工的地铁车站，对未来有类似的工程有以下建议：

（1）相对于周边复杂环境下地铁车站，对于保护周边建构筑物可有更多的实施方案，特别对于重要的建构筑物，可采用局部加强保护措施，采用对建构筑物影响较小的全盖挖或者半盖挖法实现。

（2）在地质条件相对较好的情况下，可采用全盖挖法施工以节约空间，减少对周边环境的影响。

参考文献：

[1]郑刚,朱合华,刘新荣,杨光华.基坑工程与地下工程安全及环境影响控制[J].土木工程学报,2016,49(06):1-24.DOI:10.15951/j.tmgcxb.2016.06.001.

[2]张磊. 盖挖法在建地铁车站结构受力与变形规律研究[C]// 中国土木工程学会城市轨道交通技术工作委员会;世界轨道交通发展研究会;世界轨道交通杂志. 中国土木工程学会城市轨道交通技术工作委员会;世界轨道交通发展研究会;《世界轨道交通》杂志, 2016.

[3]吴磊.盖挖逆作法在城市地铁车站工程中的应用[J].工程技术研究,2021,6(07):133-134.DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2021.07.057.

[4]周乐敏. 盖挖法在闹市中心地铁车站工程的设计与运用[C]// 施工机械化新技术交流会. 2010.