粉砂粉土地質(zhì)條件下蓋挖逆作施工中臨時(shí)混凝土支撐對(duì)道路的影響

桑 義

上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司 上海 200030

1 工程概況

武漢市軌道交通7號(hào)線一期工程起于東方馬城，止于野芷湖站。全長(zhǎng)29.8 km，全部為地下線路，全線共設(shè)站18座。徐家棚站為軌交7號(hào)線一期工程大型地鐵樞紐，與地鐵5號(hào)、8號(hào)線通道三線換乘，與三陽(yáng)路隧道公鐵合建，為過江第一站，距離長(zhǎng)江僅800 m。

車站主體為地下4層的雙柱三跨現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，地下1層為物業(yè)開發(fā)層，地下2層為公路隧道層，地下3層為站廳層及設(shè)備夾層，地下4層為站臺(tái)層，外包總長(zhǎng)217.36 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬25.3 m，基坑開挖深度34.16 m，采用全蓋挖逆作法施工。主體基坑總面積11 000 m2，土方開挖總量約320 000 m3。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1.5 m及厚1.0 m、深度60 m的超深超厚地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻接縫采用φ850 mm雙高壓旋噴樁進(jìn)行止水，鋼管立柱采用φ2 300 mm抗拔樁＋φ1 000 mm、長(zhǎng)度60 m鋼管立柱的一樁一柱形式。

施工場(chǎng)地周邊環(huán)境也十分復(fù)雜：車站小里程南端頭靠近加油站，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)距離加油站僅6 m；車站兩側(cè)分布有環(huán)衛(wèi)所小區(qū)以及濱江花園小區(qū)，建筑密集，西側(cè)與城市主干道和平大道僅以臨時(shí)施工圍擋相隔。

車站布置于和平大道與秦園路交叉路口的秦園路下，車站站址范圍內(nèi)地層從上至下主要為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)土層、粉質(zhì)黏土夾粉土層、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土互層、粉細(xì)砂、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。全站分為正線9個(gè)區(qū)、外掛9個(gè)區(qū)，其中正線1～9區(qū)和外掛1～6區(qū)為一期主體結(jié)構(gòu)，外掛7～9區(qū)為二期5號(hào)線和7號(hào)線的換乘節(jié)點(diǎn)，特別是外掛9區(qū)，西鄰圍擋外的和平大道，整個(gè)蓋挖逆作施工過程中圍擋外的車流量大，如何減少施工過程中對(duì)城市主干道路的影響成為了一個(gè)非常重要的研究課題。

外掛9區(qū)5號(hào)、7號(hào)換乘節(jié)點(diǎn)為二期換乘結(jié)構(gòu)，南側(cè)與一期主體結(jié)構(gòu)接駁器連接，東側(cè)與二期結(jié)構(gòu)連接，共2層結(jié)構(gòu)，由于地下1層開挖深度接近10 m，所以在頂板完成后，地下1層開挖至6 m的深度需要施工臨時(shí)混凝土支撐梁，當(dāng)臨時(shí)支撐梁施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度的80%才能繼續(xù)往下開挖。

本文針對(duì)臨時(shí)混凝土支撐施工對(duì)和平大道路面結(jié)構(gòu)的影響展開深度的分析研究，在基于前人的研究基礎(chǔ)上[1-6]，采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)整個(gè)超深地鐵換乘節(jié)點(diǎn)蓋挖逆作法的施工過程進(jìn)行模擬。在有臨時(shí)混凝土支撐和沒有臨時(shí)混凝土支撐的情況下，根據(jù)基坑開挖圍擋外的和平大道瀝青混凝土路面的位移和應(yīng)力響應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，來評(píng)價(jià)超深基坑開挖時(shí)臨時(shí)混凝土支撐的及時(shí)施工對(duì)減少路面結(jié)構(gòu)沉降以及附加拉應(yīng)力的影響。

2 有限元模型

外掛9區(qū)5號(hào)、7號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)地下2層結(jié)構(gòu)，換乘結(jié)構(gòu)地下20 m，頂板距地下1層高度近10 m，頂板標(biāo)高位置向下開挖6 m左右需要施作3道臨時(shí)混凝土支撐，再繼續(xù)開挖4 m施作地下1層中板（圖1）。西側(cè)地下連續(xù)墻厚度1 m，地下深度35 m，北側(cè)地下連續(xù)墻厚度1 m，地下深度55 m。地下連續(xù)墻以及主體結(jié)構(gòu)采用C35強(qiáng)度等級(jí)混凝土，密度2 600 kg/m3，彈性模量32.5 GPa，泊松比0.2。瀝青混凝土路面采用線彈性模型，彈性模量1.2 GPa，泊松比0.25。

圖1 軌交5號(hào)、7號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)與和平大道位置示意

模型長(zhǎng)50 m、寬35 m、深70 m；車站長(zhǎng)38 m、寬22.5 m、深20 m。模型將整個(gè)外掛9區(qū)和圍擋外的和平大道劃分出來，建立了三維有限元數(shù)值計(jì)算模型（圖2），車站劃分為5 187個(gè)單元，土體劃分為11 900個(gè)單元，和平大道瀝青混凝土路面厚度20 cm，為了便于網(wǎng)格單位的劃分，模型將瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層作整體考慮。

圖2 有限元模型

為了保證計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況接近，模型結(jié)合了武漢地區(qū)粉砂粉土的特殊地質(zhì)條件，將土層劃分為5層，由上至下主要地層為：雜填土、淤泥質(zhì)黏土、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖（表1）。

表1 模型計(jì)算土體參數(shù)

3 蓋挖逆作法臨時(shí)混凝土支撐對(duì)路面位移的影響

從路面沉降對(duì)比曲線（圖3）可知，在有混凝土支撐的條件下靠近基坑側(cè)路面沉降值為45.35 mm，遠(yuǎn)離基坑側(cè)路面沉降最小值為42.17 mm，可以看出整個(gè)路面橫斷面的沉降值差異較小，路面的橫向在基坑開挖過程中基本呈現(xiàn)均勻沉降的情況。圖3（b）中，時(shí)間步4時(shí)地下連續(xù)墻施工完成，時(shí)間步7時(shí)鋼管樁施工完成，時(shí)間步8時(shí)地表土開挖至頂板底標(biāo)高位置，時(shí)間步10時(shí)頂板施工完成，時(shí)間步15時(shí)繼續(xù)從頂板預(yù)留洞口向下開挖6 m，時(shí)間步16時(shí)3道臨時(shí)混凝土支撐梁完成，時(shí)間步20時(shí)繼續(xù)從臨時(shí)混凝土支撐梁底標(biāo)高向下開挖4 m至地下1層板標(biāo)高位置，時(shí)間步22時(shí)地下1層板施工完成，時(shí)間步32時(shí)底板施工完成。

圖3 路面沉降對(duì)比曲線

通過對(duì)整個(gè)開挖過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析，可以看出臨時(shí)混凝土支撐施工完成后，在后續(xù)4 m深度的開挖過程中，最大可以減少11.7 mm的沉降，但是地下1層板施工完成后，在向地下2層開挖的過程中，3道臨時(shí)混凝土支撐對(duì)路面的沉降控制效果較弱，說明此時(shí)的地下1層板已經(jīng)基本取代了3道臨時(shí)混凝土支撐對(duì)地層位移的抑制效果。

再通過對(duì)無臨時(shí)混凝土支撐情況下路面的沉降曲線分析，發(fā)現(xiàn)地下1層直接開挖10 m后再施工地下1層板時(shí)，和平大道的沉降曲線較陡，沉降差值37.6 mm；而地下2層直接開挖7 m后再施工底板，和平大道的沉降曲線就較緩和，沉降差值31 mm，說明了樓板對(duì)地層位移的抑制效果僅對(duì)一定深度的范圍效果較理想。

在一次開挖深度超過6 m的深基坑工程中，臨時(shí)支撐的及時(shí)架設(shè)可以緩和地表的沉降速度，對(duì)路面的結(jié)構(gòu)也有一定的保護(hù)作用，但是在后續(xù)的開挖過程中，此道臨時(shí)混凝土支撐對(duì)地層的位移抑制效果逐漸減弱，有臨時(shí)混凝土支撐的開挖較無臨時(shí)混凝土支撐的開挖在最終的路面沉降控制方面僅相差1.7 mm。

4 蓋挖逆作法臨時(shí)混凝土支撐對(duì)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

在路面橫向彎拉應(yīng)力對(duì)比曲線（圖4）中，時(shí)間步10時(shí)地下連續(xù)墻施工完成，時(shí)間步18時(shí)鋼管樁完成，時(shí)間步26時(shí)開挖3 m至頂板底標(biāo)高，時(shí)間步26～31頂板施工完成，時(shí)間步34時(shí)頂板洞口向下開挖6 m并完成3道臨時(shí)混凝土支撐，時(shí)間步78時(shí)從臨時(shí)混凝土支撐標(biāo)高位置繼續(xù)向下挖4 m，時(shí)間90～98時(shí)地下1層板施工完成，時(shí)間步132時(shí)開挖至底板標(biāo)高，時(shí)間步136時(shí)底板施工完成。與無臨時(shí)混凝土支撐情況對(duì)比，有臨時(shí)混凝土支撐的可以有效地減少88%的路面附加彎拉應(yīng)力，這也大大減少了因路面裂縫而產(chǎn)生的路面坑洼破壞（圖5）。

圖4 路面橫向彎拉應(yīng)力對(duì)比曲線

圖5 基坑圍擋外的和平大道路面情況

在地鐵車站蓋挖逆作施工過程中，當(dāng)路面產(chǎn)生較大的附加彎拉應(yīng)力時(shí)，在車輛荷載以及重載罐車渣土車的反復(fù)作用下，路面極易出現(xiàn)斷裂，加上雨水對(duì)破損路面基層的長(zhǎng)期浸泡和車輛荷載作用就很容易形成坑洼，即使對(duì)面層及時(shí)修補(bǔ)，后續(xù)的雨水和車輛荷載作用仍然會(huì)對(duì)此處產(chǎn)生破壞，只有等到工程主體結(jié)構(gòu)施工完成后，地層穩(wěn)定了，路面附加彎拉應(yīng)力值也隨之減弱至較低值，才不足以對(duì)路面產(chǎn)生后續(xù)破壞。

在實(shí)際的工程施工過程中，在基坑圍擋外側(cè)的和平大道的路面，正如理論計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)的一樣（圖6），出現(xiàn)了路面坑洼破壞的情況，但總體情況良好，特別是車站結(jié)構(gòu)完成后，路面結(jié)構(gòu)也趨于穩(wěn)定。

圖6 路面縱向彎拉應(yīng)力對(duì)比曲線

5 結(jié)語

1）臨時(shí)混凝土支撐在深基坑工程中，僅對(duì)一定深度范圍的地層位移起到了一定的抑制作用，隨著繼續(xù)開挖至完成地下1層結(jié)構(gòu)樓板后，深基坑再往下開挖時(shí)，臨時(shí)支撐對(duì)地層位移的抑制能力基本已經(jīng)被地下1層結(jié)構(gòu)中板所取代，在最終的路面沉降控制效果方面一般。因此也證明了在蓋挖逆作法地鐵車站施工中，地下連續(xù)墻和結(jié)構(gòu)樓板不但是主體結(jié)構(gòu)的一部分，而且是抑制地層位移和路面沉降的主要結(jié)構(gòu)，而臨時(shí)混凝土支撐的支撐效果隨著開挖深度的增加逐漸減弱。

2）軌交5號(hào)、7號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)深基坑開挖對(duì)路面產(chǎn)生的縱向附加彎拉應(yīng)力值較小，但是橫向附加彎拉應(yīng)力值較大，與無臨時(shí)混凝土支撐情況對(duì)比，有臨時(shí)混凝土支撐的可以有效地減少88%的路面附加彎拉應(yīng)力，這也大大減少了因路面裂縫而產(chǎn)生的路面坑洼破壞。

3）雖然3道臨時(shí)混凝土支撐對(duì)路面的最終沉降影響較小，但是卻讓車站在蓋挖逆作施工過程中不可避免的地應(yīng)力和地層位移有了較緩和的釋放，大大減少了附加彎拉應(yīng)力的產(chǎn)生，也減少了因過大的附加應(yīng)力而對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞。