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摘要：随着城市规模不断扩大，大运输量的地铁作为有效解决城市交通拥堵的交通工具，是各地基础设施建设的重点 。目前，我国标准岛式地铁车站多采用明挖顺作法施工，为确保基坑的稳定性，车站主体结构与附属结构需进行分期施工，一期施工主体结构，二期施工附属结构，最后破除二者之间地下连续墙实现贯通 。在工程建设领域，主体结构与附属结构地下连续墙破除一直是行业研究的热点，主体结构地下连续墙作为附属结构支撑的受力点，采用划分多个单元幅“跳仓”破除的施工方法，施工速度慢且附属结构施工缝数量多，导致后期渗漏水问题明显 。
关键词：地铁;附属结构;支撑;优化;稳定性;差异沉降
引言
随着国民经济的飞速发展，轨道交通事业也蒸蒸日上。地铁作为轨道交通的最主要形式，工程多位于城市繁华区域，周边建筑物林立，交通繁忙，管线密集，因此地铁工程风险控制日益受到关注。地铁车站主体结构与附属结构通常采用前后各自独立基坑施工，主体结构施工完成后，施工附属基坑，待附属结构施工完成后，凿除主体围护结构，并完成主体结构与附属结构的连接。主体结构与附属结构连接是地铁结构施工重大风险点之一，尤其当主体侧墙需大范围打开，与附属结构连续多跨连接时，盖挖逆作法就凸显了很大的优越性。首先，顶板施工完成以后即可恢复地面交通，对地面交通影响程度较小;其次，施工过程都在顶板下进行，噪声和粉尘对周边环境影响大幅度减小;另外，车站的整体结构体系抗侧移刚度大，能较好地控制开挖过程中基坑变形及周边建筑和地面沉降。盖挖逆作法的这些优点为城市地铁建设创造了很多有利的条件，成为地铁建设中重要的施工方法。本文以某市轨道交通 2 号线某站为例，研究地铁车站侧墙大面积开洞设计方法，以期获得指导后续工程实施。
1水文地质概况
工程地处华北平原，属冲积、海积低平原。勘察最大孔深100.0 m，在该深度范围内，所揭露的地层属第四系全新统及上更新统底层。根据地质年代、成因类型及DB/T 29-191—2009《某市地基土层序划分技术规程》将场地土分为12个工程地质层。在本次勘察场区内古河道、洼、淀冲积和第陆相层湖沼相淀积层缺失，其他各成因土层在场区均有分布。根据各单元岩性组合特征，进一步将其分为 29 个工程地质亚层土层，开挖影响范围内的土层主要包括①1杂填土、①2素填土、④1粉质黏土、④3黏土、⑥1粉质黏土、⑥3黏质粉土、⑦1粉质黏土、⑧1 粉质黏土、⑧2-1砂质粉土、⑧2-2粉砂、⑨1粉质黏土。根据地基土的岩性分层及现场抽水试验结果，与本工程有直接联系的浅层地下水主要有以下三个含水层：潜水，初见埋深1.4～4.0 m;第一承压水，根据此站的试验资料，该承压水水头埋深在3.8 m，相当于大沽标高-0.5 m;第二承压水，经实测该承压水水头埋深6.5 m，相当于大沽标高-3.2 m。
2附属结构支撑设计优化
2.1原支撑设计方案
附属及外挂区基坑标准段深9.3m，覆土厚度为3.5m，采用明挖法进行施工，局部电缆夹层加深段坑深为10.045m，围护结构为SMW工法桩，采用?850mm@600mm三轴水泥搅拌桩，内插700mm×300mm×13mm×24mmH型钢，隔一插一形式布置，桩长为25m。桩顶设钢筋混凝土冠梁，围护结构均设两道?609mm×16mm钢管撑，第一道撑于冠梁，第二道撑于钢腰梁，钢腰梁采用双拼工45c热轧型钢。
2.2 优化支撑设计方案
与其他地下结构施工法选定时一样，盖挖逆作法的采用也必须考虑到地下结构施工的各项内容，即必须对周边环境条件、地质条件、工期、造价、安全性、建筑物规模形状等多方面进行探讨研究。与顺作法相比，盖挖逆作法被采用的最适当的场合，主要为以下六点：1.大平面的地下工程;2.大深度的地下工程;3.复杂形状的地下工程;4.状况复杂、对环境要求较高;5.作业空间较小;6.工期要求紧迫。
相同基坑參数下，采用盖挖逆作法进行施工，围护结构为钻孔灌注桩+止水帷幕，钻孔灌注桩采用?800mm@1000mm的型式，止水帷幕采用?850mm@600mm三轴水泥搅拌桩，桩长为25m。桩顶设钢筋混凝土冠梁，围护结构均设两道?609mm×16mm钢管撑，第一道撑于冠梁，第二道撑于钢腰梁，钢腰梁采用双拼工45c热轧型钢。此外，需设置顶板所需的临时格构柱。
优化后方案首道支撑上移，无法支撑在既有主体结构地连墙冠梁标高处。需在主体结构顶邻近地下连续墙处设置宽400 mm、高2500 mm钢筋混凝土挡土墙。待挡土墙后面的土体回填压实，将附属及外挂区首道钢支撑上移，首道支撑分别撑在主体结构顶板上方挡土墙和附属结构钻孔灌注桩冠梁上。
2.3优化后工序对比
原设计方案的地下连续墙破除工序：划分破除单元段→浇筑底板混凝土→拆除首道撑→拆除第二道钢支撑→破除单元段地下连续墙→浇筑底板后浇带→浇筑顶板混凝土。优化后的工序：浇筑顶板混凝土→划分破除单元段→浇筑底板混凝土→拆除第二道钢支撑→破除地下连续墙→浇筑底板后浇带。
优化后的施工工序相对优化前的优点在于：1）附属结构施工期间，太高首道钢支撑并不拆除，使围护结构处于稳定受力状态，既保证了基坑的稳定性又增加了地下连续墙破除单元段长度，大大减少施工缝数量，降低薄弱部位质量隐患。2）施作底板时，顶板已施工完成，对基坑的稳定性起到决定性作用。3）破除地连墙的施工阶段是整个基坑施工过程中风险最高的时期，故减少破除单元段的划分数量。在尽可能短的时间内浇筑底板后浇带，完成底板的闭合。
3方案优化设计分析
3.1模板支撑结构有限元分析
应用 ANSYS 有限元分析软件，依据实际工程中梁、板尺寸和模板支架搭设方案，按照有无三角形稳定支撑结构分别建立有限元中立杆和水平杆采用 BEAM188 梁单元，斜杆、梁侧稳定斜杆和水平附加稳定杆采用 LINK8杆单元，混凝土梁板采用 SOLID45 实体单元。脚手架盘扣节点采用 COMBIN14 弹簧单元模拟盘扣节点的半刚性特性;脚手架与地面之间、脚手架与梁板之间以及其余杆件之间均采用铰接连接。钢材弹性模量取2.06 ×10 5 MPa，立杆屈服强度取300 MPa，其余钢构件屈服强度取 205 MPa。在板顶施加单位均布面荷载，对结构进行特征值屈曲分析，估算出结构屈曲荷载;然后将估算出的屈曲荷载施加到板顶，用 Newton-Raphson 求解方法对结构进行非线性屈曲分析。 车站主体最大沉降值为5.32mm，小于报警值20mm。
3.2稳定性分析
优化后的设计方案钢支撑上移2.5 m标高，相对原设计方案受力点发生变化，为确保施工安全，对围护结构的抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性进行验算。1）计算参数基坑设计最大深度 10.045 m，按二级基坑，根据DB 29-202—2010《某市建筑基坑工程技术规程》进行设计计算。地下水埋深2.10 m。 第6层为承压含水层，坑外承压水水位 3.907 m;地面超载20.0 kPa。2）抗倾覆稳定性计算钻孔灌注桩抗倾覆稳定验算采用水土合算，墙后主动侧土压力采用三角分布计算。抗倾覆安全系数Ka为1.43，因 Ka >1.2，故抗倾覆满足要求。
3.3地下连续墙与中间桩柱及中间桩柱之间的差异沉降分析研究
盖挖逆作法施工对差异沉降的控制相较明挖法施工有明显优势，除了考虑到施工中围护结构的内力、变形和稳定性，在软土地区还要考虑施工过程中结构差异沉降这一新问题。
1）地下土体的开挖卸载导致基坑内底部土方因应力释放而向上隆起，从而产生向上的荷载。与此同时，上部结构的施工陆续完成，使得中间桩柱和地下连续墙承受上部顶传递下来的竖向荷载，故而中间桩柱和地下连续墙之间的差异沉降必然存在。
2）通过对桩、柱、连续墙的差异沉降情况进行了数值模拟，得到了在施工过程中差异沉降产生的最不稳定状态。当地下的土体全部挖出，而基础最底层楼板还没有浇筑时，其差异沉降达到最大。同时并得到地下连续墙与中间立柱桩之间的差异沉降量比立柱之间的差异沉降量要大。先施做的结构梁板可以对差异沉降起到一定的抑制作用，梁板结构刚度越强，抑制作用越明显，相邻柱、墙差异沉降则较小。
3）施工中加快各层结构板施工速度，也能有效减小相邻柱、墙间差异沉降。通过对立柱的差异沉降的工程监测数据分析，盖挖逆作过程中，板结构对立柱的差异沉降有一定的抑制作用，实际上是相应底板施工完成后，结构形成封闭整体，趋向稳定，差异沉降减小。
4）地下连续墙是纵向连续结构，楼板传给地连墙的荷载是均布的;而立柱在纵向是非连续的，立柱需要承担楼板传来的附加集中力。正是在受力上的差异导致了二者的差异沉降，开挖深度增加差异沉降也增大，就是受力不均导致的差异沉降逐层累积。地下连续墙和中间柱的在基坑刚开挖时处于沉降状态，随着深度的增加，逐渐从沉降转为抬升，中间柱抬升的幅度更大，导致中间柱和连续墙的差异沉降越来越大。
本工程在车站施工完毕后，地连墙和立柱最大沉降值为13.57 mm 和13.36 m，小于报警值20 mm，立柱与地连墙差异沉降为 3 mm，小于报警值 10 mm。在盖挖逆作法施工过程中，主要的问题就是差异沉降以及差异沉降所引起的内力重分布问题。因此如何控制差异沉降和在设计中如何考虑差异沉降将是以后差异沉降研究的重点问题。
结语
本文对地铁车站主体结构与附属结构连接存在连续多跨时，进行了支撑设计优化，即采用盖挖逆作法施工，在主体结构上增设挡土墙，提高附属结构首道支撑标高与并撑于挡土墙上，先施作顶板稳定基坑受力，解决了明挖法施工采用“跳仓”破除地下连续墙施工速度慢、施工缝数量增多，渗漏水隐患大等問题。并对对优化后的设计方案进行抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性验算。此外，以此盖挖逆作工程实例研究了差异沉降存在的原因以及发展趋势，供类似工程借鉴。
参考文献
[1]周顺华.城市轨道交通结构工程[M].上海：同济大学出版社，2004.
[2]彭宇，地铁车站深基坑支护体系设计研究[D].西安：西安科技大学，2008.
[3]高涛，刘永勤，王伟，等.工地铁车站深基坑围护结构变形及内力影响因素研究[J].工程勘察，2010，（S1）：223-230.
[4] 廖国兴 . 地铁车站深基坑开挖围护结构与施工技术研究 [J]. 城市建设理论研究 ，2015，（22）.112-115.
[5] 宋林，李昌宁，范恒秀 . 紧邻既有线地铁车站深基坑施工开挖方案研究 [J]. 现代隧道技术 ，2016，53（5）：154-160.
关键词：地铁;附属结构;支撑;优化;稳定性;差异沉降
引言
随着国民经济的飞速发展，轨道交通事业也蒸蒸日上。地铁作为轨道交通的最主要形式，工程多位于城市繁华区域，周边建筑物林立，交通繁忙，管线密集，因此地铁工程风险控制日益受到关注。地铁车站主体结构与附属结构通常采用前后各自独立基坑施工，主体结构施工完成后，施工附属基坑，待附属结构施工完成后，凿除主体围护结构，并完成主体结构与附属结构的连接。主体结构与附属结构连接是地铁结构施工重大风险点之一，尤其当主体侧墙需大范围打开，与附属结构连续多跨连接时，盖挖逆作法就凸显了很大的优越性。首先，顶板施工完成以后即可恢复地面交通，对地面交通影响程度较小;其次，施工过程都在顶板下进行，噪声和粉尘对周边环境影响大幅度减小;另外，车站的整体结构体系抗侧移刚度大，能较好地控制开挖过程中基坑变形及周边建筑和地面沉降。盖挖逆作法的这些优点为城市地铁建设创造了很多有利的条件，成为地铁建设中重要的施工方法。本文以某市轨道交通 2 号线某站为例，研究地铁车站侧墙大面积开洞设计方法，以期获得指导后续工程实施。
1水文地质概况
工程地处华北平原，属冲积、海积低平原。勘察最大孔深100.0 m，在该深度范围内，所揭露的地层属第四系全新统及上更新统底层。根据地质年代、成因类型及DB/T 29-191—2009《某市地基土层序划分技术规程》将场地土分为12个工程地质层。在本次勘察场区内古河道、洼、淀冲积和第陆相层湖沼相淀积层缺失，其他各成因土层在场区均有分布。根据各单元岩性组合特征，进一步将其分为 29 个工程地质亚层土层，开挖影响范围内的土层主要包括①1杂填土、①2素填土、④1粉质黏土、④3黏土、⑥1粉质黏土、⑥3黏质粉土、⑦1粉质黏土、⑧1 粉质黏土、⑧2-1砂质粉土、⑧2-2粉砂、⑨1粉质黏土。根据地基土的岩性分层及现场抽水试验结果，与本工程有直接联系的浅层地下水主要有以下三个含水层：潜水，初见埋深1.4～4.0 m;第一承压水，根据此站的试验资料，该承压水水头埋深在3.8 m，相当于大沽标高-0.5 m;第二承压水，经实测该承压水水头埋深6.5 m，相当于大沽标高-3.2 m。
2附属结构支撑设计优化
2.1原支撑设计方案
附属及外挂区基坑标准段深9.3m，覆土厚度为3.5m，采用明挖法进行施工，局部电缆夹层加深段坑深为10.045m，围护结构为SMW工法桩，采用?850mm@600mm三轴水泥搅拌桩，内插700mm×300mm×13mm×24mmH型钢，隔一插一形式布置，桩长为25m。桩顶设钢筋混凝土冠梁，围护结构均设两道?609mm×16mm钢管撑，第一道撑于冠梁，第二道撑于钢腰梁，钢腰梁采用双拼工45c热轧型钢。
2.2 优化支撑设计方案
与其他地下结构施工法选定时一样，盖挖逆作法的采用也必须考虑到地下结构施工的各项内容，即必须对周边环境条件、地质条件、工期、造价、安全性、建筑物规模形状等多方面进行探讨研究。与顺作法相比，盖挖逆作法被采用的最适当的场合，主要为以下六点：1.大平面的地下工程;2.大深度的地下工程;3.复杂形状的地下工程;4.状况复杂、对环境要求较高;5.作业空间较小;6.工期要求紧迫。
相同基坑參数下，采用盖挖逆作法进行施工，围护结构为钻孔灌注桩+止水帷幕，钻孔灌注桩采用?800mm@1000mm的型式，止水帷幕采用?850mm@600mm三轴水泥搅拌桩，桩长为25m。桩顶设钢筋混凝土冠梁，围护结构均设两道?609mm×16mm钢管撑，第一道撑于冠梁，第二道撑于钢腰梁，钢腰梁采用双拼工45c热轧型钢。此外，需设置顶板所需的临时格构柱。
优化后方案首道支撑上移，无法支撑在既有主体结构地连墙冠梁标高处。需在主体结构顶邻近地下连续墙处设置宽400 mm、高2500 mm钢筋混凝土挡土墙。待挡土墙后面的土体回填压实，将附属及外挂区首道钢支撑上移，首道支撑分别撑在主体结构顶板上方挡土墙和附属结构钻孔灌注桩冠梁上。
2.3优化后工序对比
原设计方案的地下连续墙破除工序：划分破除单元段→浇筑底板混凝土→拆除首道撑→拆除第二道钢支撑→破除单元段地下连续墙→浇筑底板后浇带→浇筑顶板混凝土。优化后的工序：浇筑顶板混凝土→划分破除单元段→浇筑底板混凝土→拆除第二道钢支撑→破除地下连续墙→浇筑底板后浇带。
优化后的施工工序相对优化前的优点在于：1）附属结构施工期间，太高首道钢支撑并不拆除，使围护结构处于稳定受力状态，既保证了基坑的稳定性又增加了地下连续墙破除单元段长度，大大减少施工缝数量，降低薄弱部位质量隐患。2）施作底板时，顶板已施工完成，对基坑的稳定性起到决定性作用。3）破除地连墙的施工阶段是整个基坑施工过程中风险最高的时期，故减少破除单元段的划分数量。在尽可能短的时间内浇筑底板后浇带，完成底板的闭合。
3方案优化设计分析
3.1模板支撑结构有限元分析
应用 ANSYS 有限元分析软件，依据实际工程中梁、板尺寸和模板支架搭设方案，按照有无三角形稳定支撑结构分别建立有限元中立杆和水平杆采用 BEAM188 梁单元，斜杆、梁侧稳定斜杆和水平附加稳定杆采用 LINK8杆单元，混凝土梁板采用 SOLID45 实体单元。脚手架盘扣节点采用 COMBIN14 弹簧单元模拟盘扣节点的半刚性特性;脚手架与地面之间、脚手架与梁板之间以及其余杆件之间均采用铰接连接。钢材弹性模量取2.06 ×10 5 MPa，立杆屈服强度取300 MPa，其余钢构件屈服强度取 205 MPa。在板顶施加单位均布面荷载，对结构进行特征值屈曲分析，估算出结构屈曲荷载;然后将估算出的屈曲荷载施加到板顶，用 Newton-Raphson 求解方法对结构进行非线性屈曲分析。 车站主体最大沉降值为5.32mm，小于报警值20mm。
3.2稳定性分析
优化后的设计方案钢支撑上移2.5 m标高，相对原设计方案受力点发生变化，为确保施工安全，对围护结构的抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性进行验算。1）计算参数基坑设计最大深度 10.045 m，按二级基坑，根据DB 29-202—2010《某市建筑基坑工程技术规程》进行设计计算。地下水埋深2.10 m。 第6层为承压含水层，坑外承压水水位 3.907 m;地面超载20.0 kPa。2）抗倾覆稳定性计算钻孔灌注桩抗倾覆稳定验算采用水土合算，墙后主动侧土压力采用三角分布计算。抗倾覆安全系数Ka为1.43，因 Ka >1.2，故抗倾覆满足要求。
3.3地下连续墙与中间桩柱及中间桩柱之间的差异沉降分析研究
盖挖逆作法施工对差异沉降的控制相较明挖法施工有明显优势，除了考虑到施工中围护结构的内力、变形和稳定性，在软土地区还要考虑施工过程中结构差异沉降这一新问题。
1）地下土体的开挖卸载导致基坑内底部土方因应力释放而向上隆起，从而产生向上的荷载。与此同时，上部结构的施工陆续完成，使得中间桩柱和地下连续墙承受上部顶传递下来的竖向荷载，故而中间桩柱和地下连续墙之间的差异沉降必然存在。
2）通过对桩、柱、连续墙的差异沉降情况进行了数值模拟，得到了在施工过程中差异沉降产生的最不稳定状态。当地下的土体全部挖出，而基础最底层楼板还没有浇筑时，其差异沉降达到最大。同时并得到地下连续墙与中间立柱桩之间的差异沉降量比立柱之间的差异沉降量要大。先施做的结构梁板可以对差异沉降起到一定的抑制作用，梁板结构刚度越强，抑制作用越明显，相邻柱、墙差异沉降则较小。
3）施工中加快各层结构板施工速度，也能有效减小相邻柱、墙间差异沉降。通过对立柱的差异沉降的工程监测数据分析，盖挖逆作过程中，板结构对立柱的差异沉降有一定的抑制作用，实际上是相应底板施工完成后，结构形成封闭整体，趋向稳定，差异沉降减小。
4）地下连续墙是纵向连续结构，楼板传给地连墙的荷载是均布的;而立柱在纵向是非连续的，立柱需要承担楼板传来的附加集中力。正是在受力上的差异导致了二者的差异沉降，开挖深度增加差异沉降也增大，就是受力不均导致的差异沉降逐层累积。地下连续墙和中间柱的在基坑刚开挖时处于沉降状态，随着深度的增加，逐渐从沉降转为抬升，中间柱抬升的幅度更大，导致中间柱和连续墙的差异沉降越来越大。
本工程在车站施工完毕后，地连墙和立柱最大沉降值为13.57 mm 和13.36 m，小于报警值20 mm，立柱与地连墙差异沉降为 3 mm，小于报警值 10 mm。在盖挖逆作法施工过程中，主要的问题就是差异沉降以及差异沉降所引起的内力重分布问题。因此如何控制差异沉降和在设计中如何考虑差异沉降将是以后差异沉降研究的重点问题。
结语
本文对地铁车站主体结构与附属结构连接存在连续多跨时，进行了支撑设计优化，即采用盖挖逆作法施工，在主体结构上增设挡土墙，提高附属结构首道支撑标高与并撑于挡土墙上，先施作顶板稳定基坑受力，解决了明挖法施工采用“跳仓”破除地下连续墙施工速度慢、施工缝数量增多，渗漏水隐患大等問题。并对对优化后的设计方案进行抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性验算。此外，以此盖挖逆作工程实例研究了差异沉降存在的原因以及发展趋势，供类似工程借鉴。
参考文献
[1]周顺华.城市轨道交通结构工程[M].上海：同济大学出版社，2004.
[2]彭宇，地铁车站深基坑支护体系设计研究[D].西安：西安科技大学，2008.
[3]高涛，刘永勤，王伟，等.工地铁车站深基坑围护结构变形及内力影响因素研究[J].工程勘察，2010，（S1）：223-230.
[4] 廖国兴 . 地铁车站深基坑开挖围护结构与施工技术研究 [J]. 城市建设理论研究 ，2015，（22）.112-115.
[5] 宋林，李昌宁，范恒秀 . 紧邻既有线地铁车站深基坑施工开挖方案研究 [J]. 现代隧道技术 ，2016，53（5）：154-160.