地鐵車站基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)明挖區(qū)間的影響分析①

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著我國(guó)各大、中城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵運(yùn)營(yíng)線路和里程不斷增加，在新線建設(shè)中經(jīng)常遇到新建線路距離既有運(yùn)營(yíng)線路的情況，地鐵基坑施工不可避免地會(huì)對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而地鐵結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形將引起自身開(kāi)裂、滲漏等現(xiàn)象，從而影響結(jié)構(gòu)正常使用，甚至危及運(yùn)營(yíng)安全[1]。因此，在地鐵深基坑施工中須保證既有運(yùn)營(yíng)線路的安全、有效控制運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)的變形。尤其當(dāng)基坑距離既有運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)較近時(shí)，如何保證基坑施工不影響既有地鐵的正常安全運(yùn)營(yíng)，合理進(jìn)行基坑施工顯得尤為重要，結(jié)合某城市一鄰近運(yùn)營(yíng)明挖區(qū)間的車站基坑施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析車站基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有地鐵明挖區(qū)間的變形影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的控制措施降低施工影響，以滿足運(yùn)營(yíng)要求。

1 工程概況

武漢某地鐵車站基坑采用明挖順作法施工，鄰近已運(yùn)營(yíng)的既有地鐵線區(qū)間及車站風(fēng)亭，車站基坑深度約為25.4m，運(yùn)營(yíng)線區(qū)間及車站風(fēng)亭距基坑最近距離僅10m，處于車站基坑工程主要影響區(qū)[2～3]?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的型式，鉆孔灌注樁進(jìn)入中風(fēng)化泥巖，設(shè)置4道內(nèi)支撐，本基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。基坑開(kāi)挖中存在運(yùn)營(yíng)區(qū)間沉降過(guò)大影響正常運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。該基坑工程自身風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)。車站基坑與既有運(yùn)營(yíng)區(qū)間及車站風(fēng)亭相對(duì)關(guān)系剖面如圖1所示。

圖1 車站總平面圖

2 研究方法及計(jì)算分析

2.1 三維計(jì)算模型及參數(shù)

在連續(xù)介質(zhì)模型的理論依據(jù)的基礎(chǔ)上,采用MIDAS-GTS有限元軟件建立車站基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)明挖地鐵區(qū)間及周圍土體的三維有限元模型，計(jì)算基坑每步開(kāi)挖的變形量并分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵明挖區(qū)間的影響。

根據(jù)車站基坑開(kāi)挖及鄰近區(qū)間結(jié)構(gòu)尺寸的大小，考慮模型的雙對(duì)稱性，取1/4結(jié)構(gòu)立體模型，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，并綜合考慮三維計(jì)算模型的工程實(shí)際情況、單元數(shù)量和計(jì)算速度，模型水平方向上的距離采用2倍的開(kāi)挖深度，在豎直方向上的距離采用約3倍的開(kāi)挖深度。最終模型的尺寸土體計(jì)算范圍為：80m×80m×70m,模型側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上面為地面，取為自由面；三維有限元模型如圖2 所示:

圖2 三維有限元模型

圍巖的計(jì)算力學(xué)模型選用修正劍橋模型(Modified Cam-Clay)，簡(jiǎn)稱MCC模型，為等向硬化的彈塑性模型，為應(yīng)用最為廣泛的軟土本構(gòu)模型之一，其屈服函數(shù)曲線如圖3。

圖3 修正劍橋模型的屈服函數(shù)

模擬過(guò)程中主要考慮土體自重和基坑周邊的超載情況，地層壓力的初始應(yīng)力場(chǎng)由自重產(chǎn)生。模型中考慮基坑邊20kPa的超載及地下水的影響。

土體采用實(shí)體單元模擬，采用等效剛度法將圍護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，墻體采用板單元進(jìn)行模擬。土體根據(jù)地勘報(bào)告資料共設(shè)為六層，從上到下依次為素填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。計(jì)算中對(duì)模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化，直徑1200@1500mm的鉆孔灌注樁按剛度等效為每延米934mm厚的板進(jìn)行模擬。

2.2 基坑開(kāi)挖施工引起的影響分析

選取當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)的工況，模型X方向水平位移圖、Y方向水平位移圖、豎向位移圖、開(kāi)挖導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)區(qū)間及風(fēng)亭位移圖，如圖4～圖7所示。

根據(jù)計(jì)算Midas有限元軟件計(jì)算分析，基坑開(kāi)挖到基底時(shí)，基坑X(jué)方向(運(yùn)營(yíng)區(qū)間橫向)最大水平位移約2mm，基坑Y方向(運(yùn)營(yíng)區(qū)間縱向)最大水平位移約5.6mm，基坑最大豎向位移約8.6mm，運(yùn)營(yíng)區(qū)間及風(fēng)亭最大豎向沉降為2mm?；又饕憩F(xiàn)為坑底卸載回彈，帶動(dòng)坑外土體朝基坑下部位移，進(jìn)而引起運(yùn)營(yíng)區(qū)間及風(fēng)亭沉降。該結(jié)果參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)的規(guī)定，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量≤20mm要求[5]，故文中車站基坑開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)線區(qū)間及風(fēng)亭的影響在規(guī)定范圍內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖4 X方向(區(qū)間橫向)水平位移圖

圖5 Y方向(區(qū)間縱向)水平位移圖

圖6 豎向位移圖

圖7 開(kāi)挖導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)區(qū)間及風(fēng)亭位移

為了進(jìn)一步控制風(fēng)險(xiǎn)，基坑開(kāi)挖前可以對(duì)基坑側(cè)壁與明挖區(qū)間之間土體進(jìn)行加固，或在靠近運(yùn)營(yíng)側(cè)增加基坑支護(hù)剛度[6]，基坑與運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)之間增加測(cè)斜監(jiān)測(cè)，基坑施工時(shí)應(yīng)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)線相關(guān)單位加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行信息化施工，并做好施工應(yīng)急預(yù)案，保證基坑開(kāi)挖過(guò)程運(yùn)營(yíng)線路相關(guān)設(shè)施的安全。

3 結(jié) 論

通過(guò)建立車站深基坑與運(yùn)營(yíng)區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系的整體有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)車站基坑開(kāi)挖主要引起坑內(nèi)卸載，坑底土體回彈和側(cè)壁朝坑內(nèi)位移，坑外土體在內(nèi)外壓差的情況下，繞圍護(hù)樁底朝坑內(nèi)位移，引起明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降；

(2)基坑開(kāi)挖前，可對(duì)基坑與區(qū)間之間土體進(jìn)行加固，控制基坑隆起量和側(cè)向變形，或通過(guò)增加靠近運(yùn)營(yíng)側(cè)車站基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，可增大鉆孔灌注樁樁徑、減小樁距及加密內(nèi)支撐的形式，減少基坑開(kāi)挖的變形量；

(3)基坑開(kāi)挖應(yīng)遵循時(shí)空效應(yīng)分層、分段、分塊施工，并在開(kāi)挖影響范圍內(nèi)加強(qiáng)基坑及運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，控制變形，確?；臃€(wěn)定及運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳盨,孫斌彬,顧鳳祥,等.基坑工程施工對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響研究現(xiàn)狀與展望[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,39(1):108-114.

[2] 鄭剛,杜一鳴,刁鈺,等.基坑開(kāi)挖引起鄰近既有隧道變形的影響區(qū)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2016,38 (4),171-175.

[3] GB50911-2013.城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[4] 趙錫宏,楊國(guó)祥.大型超深基坑工程實(shí)踐與理論[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996.

[5] CJJ/T 202-2013.城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[6] 郭永發(fā),楊翔,葉林,等.某基坑支護(hù)方案對(duì)相鄰地鐵區(qū)間的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11 (6),726-731.