0 引言

随着城市化建设的发展，地铁已成为解决地面交通拥挤、提高人们出行效率的重要手段。地铁建设离不开地铁车站基坑工程，由于地铁车站往往设立在城市人口集中区域，故与普通建筑基坑相比，地铁车站基坑工程具有深度大、长宽比大、周围环境复杂等特点^[1,2,3,4,5]，且为减小车站施工对路面交通的影响，往往采用盖挖与明挖相结合的施工方法^[6,7,8,9]，故针对地铁车站基坑工程的研究非常有必要。

国内对地铁车站基坑工程已进行了诸多研究:谭维佳等^[10]以武汉地铁名都站深基坑工程为研究对象，利用FLAC3D软件研究了基坑开挖和周围建筑物的相互影响，并认为影响程度主要和建筑物与基坑的距离与角度、建筑物基础形式、建筑物总质量等有关。付发友^[11]以成都地铁1号线锦江宾馆站基坑为研究对象，同样利用FLAC3D软件对基坑开挖和降水过程中支护结构受力情况和对周围环境的影响进行研究。吴意谦等^[12]以兰州市地铁1号线世纪大道车站深基坑工程为依托，利用现场监测数据与有限元软件计算结果进行对比分析，为其他湿陷性黄土地区地铁车站深基坑工程提供参考。李磊等^[13]以南昌地铁艾溪湖东站深基坑工程为研究对象，利用ABAQUS软件模拟了基坑开挖过程中支护结构的变形情况。孟丹等^[14]结合青岛地铁车站，基于Peck方法和随机介质理论方法得到2种方法对于地表沉降影响范围计算结果的差异。任建喜等^[15]以西安地铁2号线北大街车站深基坑工程为背景，分析了围护桩的变形、钢支撑轴力变化和锚索受力变化规律。孙长军等^[16]结合北京地铁14号线望京站，分析了地下连续墙+钢支撑以及地下连续墙+钢支撑+锚索混合支护体系的支护效果。

从以上研究可以看出，目前对于地铁车站基坑工程的研究多集中在明挖施工，对于明挖、盖挖相结合的基坑工程研究较少。本文以成都地铁5号线青羊宫站基坑工程为研究内容，利用有限元软件对该基坑开挖过程进行模拟，重点分析明挖、盖挖相结合的基坑工程变形特点及盖板对基坑支护结构的影响。

青羊宫站为成都地铁5号线的中间站，位于一环路西二段与青羊上街交叉路口北侧。主体沿一环路路中布置，呈南北走向。一环路青羊宫节点立交工程为沿一环路布置的市政下穿隧道项目，青羊宫站范围内下穿隧道与车站合建，地下1层为市政下穿隧道，地下2, 3层为地铁车站。车站北端接双线矿山法隧道，南端为双线盾构接收，车站外包总长为282.70m，标准段宽21.5m，深22.1m，顶板覆土约0.2m，南端盾构扩大端宽25.0m，深22.84m。

一环路、青羊上街和青羊正街均为城市交通主要干道，交通繁忙;为保证施工期间一环路与青羊上街交叉路口及青羊宫门前交通，分别在车站端头和中部设置两段盖挖，具体位置如图1所示。

场地内土层整体较好，卵石层埋深较浅，表层杂填土厚度较薄，局部有粉质黏土。由于在有限元计算中不同土层采用不同的本构模型，故不同的土层所列参数也不同，如表1, 2所示。

车站地下水主要有赋存于填土层中的上层滞水，第四系砂、卵石层的孔隙潜水和基岩裂隙水，其中对工程影响较大的为第四系砂、卵石层的孔隙潜水。根据区域水文地质资料，成都地区丰水期一般出现在7～9月，枯水期为1～3月。丰水期历史最高地下水位埋深一般为2.000～3.000 m，水位年变化幅度约2～3m。

基坑标准段采用1 200@2 000钻孔桩;盾构洞门处采用1 200@1 800钻孔桩，洞门范围内采用玻璃纤维筋桩。桩顶设冠梁，桩间挂网采用8@150×150钢筋网、喷射150mm厚C20混凝土面层。标准段共设4道内支撑，其中第1道为混凝土内支撑，横向间距6.0m，剩下3道为钢管支撑，横向间距3.0m;南端扩大段由于顶部盖板的存在，共设3道钢管内支撑，横向间距均为3.0m。标准段和南端扩大段剖面如图2和图3所示。

1) 基坑深度大由于青羊宫站为青羊宫下穿隧道与地铁车站合建段，整个地下为3层现浇框架结构，标准段深度超过22m，南端扩大段深度更大，最深处超过23m。

2) 明挖、盖挖相结合为减小基坑开挖对城市交通的影响，在基坑南端扩大段和中部分别设置两段盖挖段，整个基坑明挖、盖挖结合施工，对基坑设计要求高。

3) 基坑周围环境复杂本基坑周围建筑均为浅基础，且基坑开挖临近城市主要干道，基坑开挖对变形控制要求较高。

4) 地下水丰富场地内丰水期地下水位在地表以下2.00～3.00m，砂和卵石中赋存有大量的孔隙潜水，水量较大，降水成功与否直接决定基坑支护的成败。

分析软件采用岩土工程专用有限元软件PLAXIS3D^[17,18]。为更好地模拟基坑开挖，模型采用1∶1建模，为消除边界效应对计算结果的影响，整个计算模型尺寸为:500m×220m×60m (长×宽×深) 。建模过程中考虑周围建筑物荷载:框架结构按每层15kN计算，砖混结构按照每层10kN计算，整体模型及结构模型分别如图4和图5所示。

除风化泥岩之外的所有土层均采用硬化土模型，而泥岩由于强度较高、埋深较深，故采用弹性模型进行计算，计算土层参数如表1所示。

排桩通过刚度相等原则利用板桩单元等效计算，板桩厚度计算如下:

式中:E_c为混凝土弹性模量;I_pz为排桩单桩的截面惯性距;d_pz为排桩桩径;I_bz为等效板桩的截面惯性矩;b_bz为板桩宽度，此处为排桩间距;h_bz为板桩厚度。

通过上式计算可得，φ1 200@2 000钻孔桩等效板桩的厚度为0.848m，而φ1 200@1 800钻孔桩等效板桩的厚度为0.878m;盖板厚度0.8m。

为给支撑施加预应力，所有支撑均采用点对点锚杆结构单元模拟，混凝土支撑为11.7×10⁶k N，钢管支撑为6.137×10⁶kN。预应力施加情况为:第1层200kN，第2层500kN，第3, 4层均为700kN。

模拟过程共包括1个初始阶段和6个施工工况，其中既有基础完成后所有位移和应力清零。

1) 初始阶段土体自应力平衡。

2) 既有基础施加周围建筑荷载。

3) 第1层支撑+开挖施工基坑支护桩，基坑开挖 (开挖深度超过支撑设置位置0.5m) 和设置第1道内支撑 (或设置盖板) 。

4) 第2层支撑+开挖开挖2层土 (开挖深度超过支撑设置位置0.5m) 和设置第2道内支撑。

5) 第3层支撑+开挖开挖3层土 (开挖深度超过支撑设置位置0.5m) 和设置第3道内支撑。

6) 第4层支撑+开挖开挖4层土 (开挖深度超过支撑设置位置0.5m) 和设置第4道内支撑。

7) 开挖到底整个基坑开挖到设计底标高。

图6显示了基坑5步开挖的支护结构沿y方向 (宽度方向) 最大水平位移的发展情况，可以看出，当第1, 2次开挖时，最大水平位移发展缓慢，但随着基坑开挖深度的增大，虽然设置支撑并施加预应力可以起到控制位移的效果，但最大水平位移发展速率逐渐增大，即基坑深度越大越危险;整个基坑开挖完成后，最大水平位移为20.1mm，满足GB50497—2009《建筑基坑工程检测技术规范》中规定的不超过45～55mm和 (0.5%～0.6%) H的要求 (H为基坑深度) 。

基坑开挖到底后支护结构y方向位移云图如图7所示。从图7可以看出，该基坑由于长宽比较大，延长度方向基坑开挖存在明显的空间效应，中间段的水平位移明显大于两端，且由于南侧端头整片盖板刚度较大，对于两侧支护结构具有支撑作用，故南侧支护结构位移明显小于北侧端头。而在基坑中部，虽然存在部分盖板，但盖板与基坑另一侧支护结构之间仍是通过内支撑传力，故对支护结构影响较小。

从图7还可以看出，由于4道支撑施加的预应力上小下大，支护结构变形并未呈现“弓”形，而是与悬臂结构变形方式类似:最大水平位移发生在顶部，随着深度的增大逐渐减小，直至为0。

图8为基坑5步开挖下支护结构沿x方向 (长度方向) 最大水平位移的发展情况，对比图6可以发现，x方向水平位移发展趋势与y方向类似:总体发展较为缓慢，但从第4次开挖开始，水平位移增长速率有所增大。

基坑开挖到底后支护结构x方向位移云图如图9所示，水平位移主要发生在基坑两端，由于基坑两端宽度较小，两侧的支护结构可对端部支护结构起到约束作用，故x方向最大水平位移仅为y方向最大水平位移的1/3，仅为7.25mm。同样，南侧端头顶部盖板由于与三边支护结构刚接，对支护结构的位移发展也能起到很好的抑制作用，导致南端支护结构最大水平变位发生在支护结构的中部，位移云图呈圆形分布。

整个基坑开挖过程中，地表沉降发展缓慢，最大沉降量为11.05mm，如图10所示。这也说明排桩内支撑支护结构可有效控制基坑开挖对周边环境的影响。

地表沉降与基坑距离的关系如图11所示。可以看出，地表沉降大小与其到基坑边缘的距离有关，距离越远，沉降越小，基坑开挖引起的沉降主要发生在距离基坑边缘30m范围内 (约1.5倍基坑深度) ，30m以外的地表沉降已非常小，而最大沉降发生在距离基坑边缘0～10m范围内。

地表与支护结构沉降云图如图12所示。可以看出，由于盖板自重及上部荷载作用直接传递给基坑支护结构，而基坑支护结构本为水平被动桩，主要作用是抵抗水平土压力，并未考虑承受竖向荷载作用，故在竖向荷载作用下，支护结构沉降较大，从而导致盖板沉降量较大，但由于盖板的存在，基坑南侧端头周围土体基本无沉降发生，而在基坑北侧端头周围土体则发生了沉降。

截至2018年7月21日，青羊宫地铁站的施工进展如下:基坑围护结构桩体已全部完成，共368根桩，其中包含22根立柱桩;冠梁已全部施工完成，累计完成620m;整个车站主体结构已施工过半，正在由一头向另一头有序开挖，边挖边施工车站主体结构，钢支撑已完成380根 (包含换撑) ;主体结构 (共40块板) 已累计完成底板8块，中板完成6块，车站顶板完成7块，下穿顶板完成6块;累计土方开挖14.84万m³。

整个地下车站已有多半开挖到底，截至7月21日，所有监测结果均处于规范允许范围内，支护效果良好;青羊宫站7月21日监测值如表3所示;几个支护桩深层水平位移如图13所示。

由表5及图13可以看出，目前为止，整个基坑支护结构的最大水平位移18.63mm，发生在基坑中等偏上的位置，基坑支护结构的变形并未出现“弓”字形，与本次模拟结果一致，本次模拟的支护结构最大水平位移为20.1mm，比实测结果大1.47mm，相差7.9%，误差较小。虽然地表沉降实测最大值达到20.30mm，与本次模拟的11.05mm相差较大，但管线沉降及建筑物沉降均为12.3mm左右，与模拟结果接近，可见地表沉降最大值监测点可能为异常点，与现场材料堆放等情况有关。整体来说，模拟结果与现场实测结果吻合较好，模拟的相关结果可靠。

1) 该基坑在整个开挖过程中，支护结构沿基坑宽度方向最大水平位移为20.1mm，地表沉降发展缓慢，最大沉降量为11.05mm，均符合规范要求，而现场实测与模拟结果接近，证明了模拟结果的正确性，说明排桩加内支撑支护结构可有效控制支护结构自身变形及其对周边环境的影响。

2) 基坑开挖过程中，当基坑深度较浅时，水平位移和沉降发展缓慢，随着深度的增大，二者的发展速率逐渐变快。

3) 基坑开挖存在明显的空间效应，对于地铁车站基坑 (长宽比较大) 更为明显，支护结构沿x方向最大水平位移仅为y方向最大水平位移的1/3，仅为7.25mm。为保证基坑安全，应合理安排施工顺序，可分段开挖，并将出土口设置在基坑中部，最后挖除。

4) 当盖板与支护结构两侧连为整体时，由于其刚度较大，可起到内支撑的作用，对支护结构及基坑周边水平变形和沉降都有很好的控制作用。

5) 由于盖板自身质量及上部荷载均传递给基坑支护结构，此时支护结构不仅仅为水平被动桩，且承受了一定的竖向荷载，设计中应予以考虑。