緊鄰地鐵車站的深基坑位移控制措施效果分析

吳才德 曾 婕 成怡沖 沈俊杰 龔迪快

(浙江華展工程研究設計院有限公司,315012,寧波∥第一作者，教授級高級工程師)

?

緊鄰地鐵車站的深基坑位移控制措施效果分析

吳才德 曾 婕 成怡沖 沈俊杰 龔迪快

(浙江華展工程研究設計院有限公司,315012,寧波∥第一作者，教授級高級工程師)

針對深基坑開挖時鄰近地鐵車站的保護問題,結合毗鄰在建的寧波軌道交通2號線外灘大橋站綠地中心深基坑工程項目,通過Midas/GTS有限元軟件對4種措施下鄰近地鐵車站位移控制的效果進行了對比分析。結果顯示,增加圍護墻剛度和采取坑內土體加固措施能有效減小基坑開挖導致的車站位移,增加支撐道數對車站位移控制同樣有利,而增加圍護墻嵌入深度的位移控制效果有限。

深基坑; 位移控制措施; 地鐵車站; 數值模擬

Author′s address Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research & Design,315012,Ningbo,China

地鐵車站附近區域因人流量大、交通便利等優勢而成為商業和辦公的理想地段。為最大限度地開發和利用這一有限區域,地鐵車站附近的建筑往往采用多層地下室方案,這就產生了深基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響問題。軌道交通系統是現代城市的生命線,對于緊鄰地鐵車站的深基坑工程,必須采取有效的位移控制措施以保證地鐵車站的正常運營和結構安全。

文獻[1]借助有限元手段,從車站間距、源頭變形和土體彈性模量3個方面入手,分析了它們對地鐵車站變形的影響,并認為提高被動區土體強度是減少基坑開挖對周邊影響的可行措施。文獻[2]分析了基坑與車站間距、基坑開挖深度等對地鐵車站結構的變形規律以及振動響應特性的影響。在緊鄰地鐵車站深基坑的位移控制措施研究方面,文獻[3]提出了一些對運營地鐵車站的保護措施,并借助數值分析手段證實它們的有效性;文獻[4]結合具體工程,從設計和施工角度對采取的施工控制措施進行了分析,并基于實測結果就其有效性作了驗證。文獻[5]結合實際工程進一步對坑底土體加固深度與寬度的影響進行了分析。文獻[6]則借助有限元手段探討了優化基坑開挖工法減少車站變形的問題。文獻[7]討論了鄰近既有地鐵線基坑工程的自適應支撐系統變形控制技術。總體來看,目前相關研究還多是定性分析施工控制措施的效果,并沒有對控制措施本身作定量分析,也鮮有不同施工措施效果的對比研究。

本文結合寧波綠地中心項目,采用三維有限元軟件MIDAS/GTS,從設計角度就減小基坑施工對隧道影響的控制措施展開研究,具體分析增加擋墻剛度和深度、增加支撐道數、加固坑內土體等措施對鄰近地鐵車站位移控制效果的影響。

1 工程概況

寧波綠地中心項目位于寧波市大慶南路以東、驚駕路以南、人民路以西。與工程場地毗鄰的有長約100 m的已建大慶南路軌道交通2號線區間隧道和長約80 m的在建軌道交通2號線外灘大橋站。擬建建筑主要由5幢17～51層辦公樓及公寓樓組成,整體設置3層地下室,層高分別為7.55、3.65、3.90 m。本工程共由4個地塊組成,劃分為10個子基坑施工,總平面圖見圖1。

本文主要分析1#地塊基坑的開挖對鄰近車站的影響。1#地塊基坑面積約3 100 m2,周長約225 m,開挖深度h約16～18 m。場地西側軌道交通2號線外灘大橋站距離本工程地下室最近約23.5 m,車站為地下二層結構,車站頂埋深約2.7 m,底埋深約17.6 m,底板厚度1 000 mm,車站采用明挖法施工,周邊設置800 mm厚地下連續墻,地墻埋深約為40 m,車站的主體結構已施工完成。基坑與車站相互位置見圖2。

圖1 寧波綠地中心項目總平面圖

圖2 基坑與地鐵車站位置關系

2 有限元建模

為選擇有效措施減小基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響,本文構建了基坑-軟土-車站有限元模型，如圖3和圖4所示。根據該項目地質勘查報告,基坑坑底位于2-2層淤泥質粉質黏土層;而8-1層粉砂層物理力學性能較好,作為支護結構持力層。結合本項目基坑周邊的環境情況,確定了三維模型尺寸，東西向長度為280 m,南北向長度為270 m,高度為80 m。模型中以平均層厚作為每層土的厚度,土體采用硬化土模型,具體參數列于表1。支護結構及車站結構材料采用線彈性模型模擬,相關參數見表2。此外,計算過程中的主要荷載包括自重、基坑外地表半無限荷載15 kN/m2;模型約束了底部的豎向位移和各側面的法向位移,分析步按常規施工順序設置。

圖4 基坑和車站的三維有限元模型

3 控制措施研究

為了保護鄰近車站和基坑本身的安全,該基坑在設計過程中考慮了增加圍護墻剛度、增加圍護墻嵌固深度、增加支撐道數以及坑內土體加固等措施。在模擬計算中,首先假設不考慮對車站進行保護,建立無任何變形控制措施的常規基坑模型。該模型采用地連墻結合3道鋼筋混凝土支撐的形式,地連墻厚為800 mm,墻深30 m,并不考慮坑內土體加固措施。以該計算模型為基準模型,然后分別考慮上述4種變形控制措施,將考慮了控制變形措施的計算模型與基準模型的有限元計算結果進行比較分析。

表1 土層參數

表2 車站及支護結構參數

3.1 圍護墻剛度對車站位移的影響

圖5為不同墻厚時車站水平位移的變化情況,其中墻厚2 400 mm是T型墻按剛度等效原則換算得到的墻厚。從圖中可知,隨著地連墻剛度的增加,車站位移逐漸減小。地連墻墻厚從800 mm增加到1 000 mm,車站水平位移減少了13.3%,故增加地連墻的剛度對減小車站位移十分有效;另外,采用T型墻對車站水平位移最為有利,但相比于普通地連墻,其用料更多且施工難度加大,所以應權衡利弊后選擇使用。

3.2 圍護墻深度對車站位移的影響

圖6反映了采用不同深度地連墻時,車站水平位移的變化情況。由圖6可知,隨著地連墻墻深的增加,車站位移略有減小,地連墻墻深從30 m增加到46 m,車站位移減少了3.3%。總的來看,增加圍護墻嵌入深度并不是十分有效的位移控制措施。尤其需要指出的是,當地連墻墻深達到38 m后,繼續增加墻深對車站位移幾乎沒有影響。可見,工程實際墻深應控制在某一有效深度以內,以免造成不必要的浪費。

圖6 車站水平位移隨墻深變化曲線

3.3 支撐道數對車站位移的影響

圖7比較了設3道支撐和4道支撐情況下的車站位移。從圖7中可知,采用4道支撐得到的車站最大水平位移為5.5 mm,比設3道支撐時減少了8.3%。因此通過增加支撐道數的形式來減少基坑支護和周邊土體位移是有效的。

圖7 車站位移最大值隨工況變化曲線

3.4 坑內土體加固對車站位移的影響

圖8為坑內未設置加固土體和坑內加固土體的置換率分別為0.2、0.4、0.6和0.8時,車站水平位移變化情況。從圖8中可知,車站變形隨著置換率的增加而減小,將置換率為0.6與無坑內土體加固情況比較,車站水平位移減少了15%。上述結果表明，坑內設置加固土體對控制鄰近車站的位移十分有效。

4 計算與實測對比

基于上述研究并充分考慮措施的經濟性和寧波地區深基坑工程經驗,本工程實際采用的地下連續墻墻厚為1 000 mm,墻深為46 m(插入比為1.8);支撐為4道,各道支撐截面見表2,支撐底相對標高分別為-2.45、-6.70、-10.40、-14.00 m,支撐水平間距為5～10 m;土體加固范圍為基坑鄰近車站一側的第1道支撐底到基坑坑底以下6 m,置換率為0.6。

圖8 車站位移隨加固土體置換率變化曲線

表3是按工程實際采用各項措施在控制車站位移上的貢獻率對比,反映了各措施在控制車站位移上的效果。

根據實測數據對每個基坑施工工況進行參數反演,不同工況下地連墻水平位移以及坑外地表沉降的計算值和實測值對比分別見圖9和圖10。

圖9 不同工況下墻身水平位移對比

由圖9可知,隨著基坑開挖深度的增加,地連墻的水平變形不斷增大,樁體水平位移最大值位置逐漸下移,直至開挖完成后趨于穩定,最大墻身水平位移發生在坑底位置。

圖10顯示,隨著開挖深度的不斷增加,地表沉降也逐漸增大,形成近似拋物線形的沉降槽,而且最大地表沉降點在距離基坑邊約0.6倍基坑開挖深度處;由于地鐵車站的阻隔作用,地表沉降在接近車站時迅速減小,而當穿越車站后又有所增大。通過有限元計算和實測得到的位移曲線變化趨勢基本一致，且數值接近,證明本文參數選取及有限元模擬是合理的。

圖10 不同工況下坑外沉降對比

受基坑開挖的影響,車站的位移主要表現為水平位移。圖11是不同工況下車站水平位移的計算值和實測值,車站的水平位移隨基坑開挖深度增加而增加,到施工底板階段趨于穩定。計算所得車站水平位移最大值約為3.8 mm,比不采用控制措施情況下的水平位移減小37%,而實測得到數據比計算值更小,僅為2.3 mm。可見,通過合理運用以上控制措施,車站水平變形控制在5 mm以內,保護效果良好。

圖11 不同工況下車站水平位移對比

5 結語

本文依托緊鄰地鐵車站的寧波綠地中心基坑工程項目,對項目基坑及鄰近地鐵車站進行三維有限元建模,模擬分析了深基坑開挖時不同位移控制措施對鄰近地鐵車站的保護效果,進而確定基坑圍護有限元模擬方案,并通過模擬結果與實測結果的對比,驗證有限元模擬及措施運用的合理性。結果顯示:

(1) 車站水平位移隨坑內土體置換率和圍護墻厚的增加近似呈線性減小,坑內土體加固和增加地連墻剛度這兩種措施的位移控制效果最為明顯;

(2) 增加支撐道數同樣有利于減小車站變形,但就本文工程效果有限;

(3) 增加圍護墻深度的效果不顯著,實際設計中還應考慮最優的嵌入深度;

(4) 鄰近基坑開挖導致的車站變形以水平位移為主,位移量隨開挖深度的增加而增加,并在施工底板階段趨于穩定；

(5) 基坑工程設計中應對位移控制措施的效果、經濟性以及施工難度等作綜合分析,以實現優化設計的目的。

[1] 曾遠,李志高,王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學報,2005,1(4):642-645.

[2] 郭典塔,周翠英.基坑開挖對近接地鐵車站的影響規律研究[J].現代隧道技術,2015,52(1):156-162.

[3] 朱建明.深基坑施工對鄰近運營地鐵車站影響的數值分析[J].建筑施工,2010,32(4):299-301.

[4] 袁運濤,李蘇春.臨近地鐵車站深基坑開挖綜合控制研究[J].地下空間與工程學報,2013,9(4):846-847.

[5] 王印.深基坑開挖對緊鄰地鐵車站影響的位移分析及施工保護措施研究[D].上海:同濟大學,2008.

[6] 丁習富,師海,孟小偉.深基坑開挖與緊鄰在建地鐵車站影響優化分析[J].地下空間與工程學報,2014,10(增2):1817-1822.

[7] 朱衛東.鄰近既有地鐵基坑工程的自適應支撐系統變形控制技術[J].城市軌道交通研究,2015(4):90-94.

Effect Analysis of Displacement Control Measures for Deep Foundation Pit Adjacent to Subway Station

WU Caide, ZENG Jie, CHENG Yichong, SHEN Junjie, GONG Dikuai

Combined with the case of Waitan Da Qiao Station close to the foundation pit of Ningbo Lvdi Centre project, the protection of subway station adjacent to deep excavation is discussed. With the aid of finite element analysis software Midas/GTS, the effects of 4 different measures on the displacement control are compared. The results show that the station displacement induced by excavation can effectively be reduced by increasing the stiffness of the retaining wall and reinforcing the soils in the pit, the increase of the support number is also beneficial to the displacement control of the station. However, the effect of increasing the embedded depth of the retaining wall is rather limited.

deep foundation pit; displacement control measures; subway station; numerical simulation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.05.026

2015-06-10)