新建車站蓋挖逆作法施工對(duì)既有車站的變形影響分析*

董發(fā)俊 胡安奎 張社榮 宋 冉 尚 超

(1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,650041,昆明; 2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,300072,天津; 3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,300072,天津∥第一作者，高級(jí)工程師)

?

新建車站蓋挖逆作法施工對(duì)既有車站的變形影響分析*

董發(fā)俊1胡安奎2,3張社榮2,3宋 冉2,3尚 超2,3

(1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,650041,昆明; 2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,300072,天津; 3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,300072,天津∥第一作者，高級(jí)工程師)

以深圳市新建軌道交通7號(hào)線福民站工程為例,研究采用蓋挖逆作法進(jìn)行新建車站施工對(duì)既有4號(hào)線福民站結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。通過三維數(shù)值模擬分析,揭示了既有4號(hào)線福民站受新建7號(hào)線福民站施工全過程影響的動(dòng)態(tài)變形規(guī)律,為施工過程中既有車站結(jié)構(gòu)變形發(fā)展預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)調(diào)整提供理論支撐；結(jié)合施工過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料,結(jié)果表明,數(shù)值模擬分析的既有車站沉降與實(shí)際監(jiān)測(cè)成果吻合,也驗(yàn)證了蓋挖逆作法施工的合理性,并為優(yōu)化地層加固方案的決策提供了依據(jù)。

城市軌道交通; 新建車站; 蓋挖逆作法施工; 既有車站變形; 數(shù)值模擬

First-author′s address Sinohydro Bureau 14 Co.,Ltd.,650041,Kunming,China

隨著城市的可持續(xù)發(fā)展,城市軌道交通建設(shè)越來越受到建設(shè)規(guī)模、建設(shè)深度及修建環(huán)境等多方面因素的制約。大多數(shù)地鐵工程建在城市繁華街區(qū),周邊建筑密集,由于受到場(chǎng)地限制,新建地鐵線路的施工必然對(duì)既有結(jié)構(gòu)及鄰近地表建筑物產(chǎn)生影響[1-3]。所以,深基坑工程的設(shè)計(jì)往往不是由強(qiáng)度和穩(wěn)定性控制,將深基坑施工過程中引起的周邊既有結(jié)構(gòu)或建筑物的擾動(dòng)變形控制在合理的安全范圍以內(nèi),即基坑在施工過程中既要保證其安全、穩(wěn)定,又要保證其對(duì)周邊環(huán)境不造成破壞性影響顯得尤為重要。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用科學(xué)的數(shù)值分析手段,為解決基坑開挖所產(chǎn)生的近接施工工程問題提供了技術(shù)支撐[4-6]。

文獻(xiàn)[7]分析了基坑開挖過程中地表沉降規(guī)律及施工對(duì)鄰近地下管線的擾動(dòng)研究;文獻(xiàn)[8]通過模型試驗(yàn)研究了車站及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化規(guī)律;文獻(xiàn)[9]探究了剛性支護(hù)在軟土深基坑開挖中的加固機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上研究了施工過程對(duì)地表建筑物沉降變形影響;文獻(xiàn)[10]總結(jié)出影響基坑四周地表沉降的八大因素,包括基坑開挖尺寸、土體類別及力學(xué)參數(shù)等;文獻(xiàn)[11]基于施工全過程針對(duì)不同部位的支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的變形控制指標(biāo);文獻(xiàn)[12]依托實(shí)際工程研究了鄰近地表建筑物隨基坑施工的變形規(guī)律并總結(jié)了相應(yīng)的加固方法。

由此可知,為了避免工程事故的發(fā)生,不僅需要從設(shè)計(jì)、施工方法優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行安全控制,還要基于對(duì)地鐵施工全過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析以獲得結(jié)構(gòu)施工力學(xué)實(shí)時(shí)性態(tài),預(yù)先掌控工程各階段可能存在的危險(xiǎn)因素,明確對(duì)周邊既有結(jié)構(gòu)或建筑物的安全性影響程度。本文將在對(duì)工程實(shí)際監(jiān)測(cè)成果分析的基礎(chǔ)上,以變形控制為基準(zhǔn),按照蓋挖逆作法施工步序?qū)ι钲谛陆ㄜ壍澜煌?號(hào)線施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬,論證新建車站施工對(duì)既有車站的影響程度,為優(yōu)化決策地層加固方案提供依據(jù)。

1 工程概況

深圳市軌道交通7號(hào)線工程福民站西端與既有4號(hào)線福民站T型換乘,車站東端設(shè)置盾構(gòu)接收井。車站全長(zhǎng)204.53 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬21.1 m,采用蓋挖逆作法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土支撐。本站為地下車站,共有三層。新建車站主體基坑及周邊建筑關(guān)系見圖1,車站主體北側(cè)緊鄰知本大廈和皇福裕苑,南側(cè)緊貼福民佳園和時(shí)代星居;皇崗村站至福民站下穿隧道橫剖示意見圖2,下穿既有4號(hào)線福民站的7號(hào)線區(qū)間頂板采用“平頂直墻暗挖”工藝,緊貼4號(hào)線福民站底板;下穿的左右線隧道平行布置且均為矩形斷面,隧道軸線與既有4號(hào)線福民站軸線呈75°夾角。

圖2 新建7號(hào)線皇崗村站至福民站下穿隧道橫剖示意圖

2 蓋挖逆作法施工

為盡可能地減小施工對(duì)環(huán)境的影響、確保施工過程安全有序進(jìn)行,深圳軌道交通7號(hào)線福民站采用蓋挖逆作法進(jìn)行施工。施工預(yù)留出土洞來運(yùn)輸土方和器材。在地面施工階段,施工對(duì)地面交通、市民生活以及地下管道等有干擾,應(yīng)快速而妥善地完成。頂板、圍護(hù)墻、柱是施工期間以及運(yùn)營(yíng)期間主體結(jié)構(gòu)的一部分;施工中完成的樓板是施工階段幫助側(cè)墻維持穩(wěn)定以及運(yùn)營(yíng)期間整體結(jié)構(gòu)的組成部分,當(dāng)側(cè)墻有穩(wěn)定需要時(shí),樓板上方和下方需加臨時(shí)水平撐;底板是完成整個(gè)主體結(jié)構(gòu)的最后組成部分,是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)閉合的重要環(huán)節(jié),對(duì)保證車站蓋挖逆作施工安全、穩(wěn)定有重要意義。具體施工過程見圖3。

3 三維有限元數(shù)值模擬分析

3.1 巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《福民站初勘階段巖土一般物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表》,主要地層巖性物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模型的建立

采用大型有限元計(jì)算軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模擬模型。假定工程條件及仿真方法如下:① 工程區(qū)域內(nèi)地勢(shì)平坦,且不同土體間分界線為水平線;② 采用各向同性理想彈塑性模型來模擬各層土體,且滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,巖土體、混凝土材料采用C3D8R實(shí)體應(yīng)力/位移單元,錨桿采用T3D2桿單元,格構(gòu)柱、鋼支撐及鋼管采用B31梁?jiǎn)卧?③ 采用生死單元技術(shù)模擬施工中的土體開挖、臨時(shí)支護(hù)拆除及永久支護(hù)施作等過程;④ 計(jì)算中未考慮土體固結(jié)引起的長(zhǎng)期沉降及土中地下水位的變化;⑤ 地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)不隨土體不同及埋深變化而變化,且摩擦接觸系數(shù)只因土體不同而異,但不隨埋深變化;⑥ 下穿左右線隧道采取CRD (中隔壁加臺(tái)階)法進(jìn)行施工,分步開挖土體,成環(huán)殺死掌子面前方土體單元;⑦ 采用場(chǎng)變量技術(shù)更新巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以模擬注漿、施作旋噴樁等措施對(duì)土體力學(xué)性能的改進(jìn)效果。

有限元計(jì)算模型如圖4所示,沿新建7號(hào)線縱向長(zhǎng)250 m,橫向延伸長(zhǎng)度340 m,高60 m。模型共174 890個(gè)單元,143 993個(gè)節(jié)點(diǎn)。地基的下表面施加全約束邊界條件,四周表面均為法向約束邊界條件。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 既有車站監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

新建7號(hào)線福民站車站西側(cè)緊鄰既有4號(hào)線福民站,4號(hào)線福民站站廳層頂板共布置有16組結(jié)構(gòu)物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)頻率為1次/周，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖4 三維數(shù)值幾何模型

圖5 既有福民站地下一層頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4.1.2 既有車站主體結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)

在新建福民站下穿既有福民站施工過程中,在既有線不限速的情況下,既有福民站主體結(jié)構(gòu)豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 既有車站結(jié)構(gòu)豎向位移控制指標(biāo)

4.1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取既有車站地下一層頂板靠近新建車站基坑開挖處的4個(gè)點(diǎn)Jc-3、Jc-4、Jc-12和Jc-13作為典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)；選取新建車站基坑開挖周邊的4個(gè)點(diǎn)Jc-1、Jc-6、Jc-9和Jc-15作為典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6給出了既有車站地下一層頂板選取的8個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)從2014年1月到2014年12月的豎向位移曲線,包含從臨時(shí)立柱、地下連續(xù)墻等支撐結(jié)構(gòu)到基坑開挖,以及混凝土永久柱澆筑的整個(gè)過程中的變形過程。

圖6 既有福民站頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向變形過程

由圖6可知:① 新建車站主體覆土層開挖過程中,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形由于開挖土體卸荷大多表現(xiàn)為回彈,最大回彈值近1 mm,位置靠近基坑開挖處;② 2014年6月開始進(jìn)行新建車站主體地下一層開挖,各測(cè)點(diǎn)豎向變形表現(xiàn)為明顯下沉,最大累積下沉量約-2.8 mm,且之后地下二、三層開挖過程中頂板沉降量逐漸減小且趨于穩(wěn)定,最大沉降量?jī)H為0.5 mm;③ 從地下一層頂板豎向位移的空間分布來看,各測(cè)點(diǎn)變形普遍較小,而變形相對(duì)較大的點(diǎn)均位于靠近基坑開挖一側(cè)的頂板邊緣處,符合工程實(shí)際,其位移也不大于3 mm,滿足表2的控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,認(rèn)為7號(hào)線福民站基坑施工對(duì)4號(hào)線福民站影響較小,能夠保證既有車站的安全與穩(wěn)定。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7和圖8分別為既有4號(hào)線福民站主體結(jié)構(gòu)隨新建7號(hào)線福民站主體基坑開挖全過程的水平位移與豎向位移云圖。由圖7、圖8可知:① 在既有車站板結(jié)構(gòu)靠近基坑的中部區(qū)域,結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生向基坑施工方向的水平向位移,這是由于施工引起的土體卸荷效應(yīng)導(dǎo)致既有車站主體結(jié)構(gòu)受力平衡狀態(tài)受到破壞,繼而引起變形;② 隨著后續(xù)新建車站主體施工,既有車站主體結(jié)構(gòu)水平向位移逐漸減小,且最大水平位移由原來的靠近基坑開挖側(cè)逐漸遠(yuǎn)離基坑邊緣,量值也依次減小;③ 新建福民站基坑開挖過程中,既有福民站頂板、中板和底板的豎向變形過程較為復(fù)雜,覆土層開挖過程中地下一層頂板主要表現(xiàn)為回彈變形,隨著新建車站繼續(xù)向下開挖,頂板變形逐漸以沉降為主,究其原因,主要是蓋挖逆作法施工過程相對(duì)復(fù)雜,開挖和回填并存;④ 既有車站各層板豎向變形規(guī)律相似且符合一般規(guī)律,其量值大于水平位移,并呈明顯的帶狀分布。靠近基坑開挖一側(cè)區(qū)域板的豎向變形較大,逐次向四周擴(kuò)展、傳遞,但因既有車站自身結(jié)構(gòu)剛度較大,最終導(dǎo)致既有車站結(jié)構(gòu)向新建車站基坑施工方向傾斜,在遠(yuǎn)離基坑側(cè)的邊角區(qū)域既有車站板結(jié)構(gòu)存在一定隆起現(xiàn)象。

圖7 新建車站施工階段既有車站水平位移云圖

圖8 新建車站施工階段既有車站豎向位移云圖

圖9為既有車站地下一層頂板(選取Jc-13、Jc-12、Jc-3及Jc-4四個(gè)典型測(cè)點(diǎn))豎向位移隨施工步變化曲線。由圖9可知，靠近主體基坑開挖邊緣一側(cè)變形最大,在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中表現(xiàn)出一定的回彈,自開挖頂部覆土層后,其變形開始為沉降,且沉降速率較大。在新建車站地下一層開挖之后,施工所引起的既有車站變形以沉降為主,但沉降變形速率趨緩。遠(yuǎn)離坑周測(cè)點(diǎn)變形規(guī)律與靠近基坑處測(cè)點(diǎn)基本一致,但量值及變化幅度遠(yuǎn)小于靠近基坑處測(cè)點(diǎn)。隨著新建車站蓋挖逆作法的施工,地下一層開挖完成后既有車站的沉降量占總沉降量的75%以上,由此說明蓋挖逆作法施工起到了良好的效果,頂板作為支撐結(jié)構(gòu)有效減小了土體卸荷對(duì)既有4號(hào)線福民站的影響,起到了很好的保護(hù)作用。

圖9 既有車站地下一層頂板典型測(cè)點(diǎn)豎向位移隨施工步變化曲線

4.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖10為新建站施工階段既有站頂板位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比曲線(選取典型測(cè)點(diǎn)Jc-13及Jc-3)。由圖10可以看出:① 隨著新建車站蓋挖逆作法施工,既有車站沉降變形逐漸增大直至趨于穩(wěn)定。且受基坑開挖的影響，當(dāng)新建車站開挖至負(fù)一層頂板，即-6 m時(shí),沉降已達(dá)到最終累計(jì)沉降的一半以上,但開挖深度還未達(dá)到總挖深的30%。② 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，由此驗(yàn)證了數(shù)值模型的建立及模擬方法均是合理的,且數(shù)值模擬結(jié)果能夠直觀準(zhǔn)確地描述基坑施工全過程中既有車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。③ 因工程實(shí)際常受到人為、施工機(jī)械、水文氣象、時(shí)間效應(yīng)等不可控因素的影響,且監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)時(shí)間及測(cè)量精度也難以衡量,故數(shù)值分析難以考慮周全,致使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果存在偏差,但仍在合理范圍內(nèi)。④ 在當(dāng)前施工方案下,由新建車站基坑施工引起的既有車站各層樓板變形均較小,在新建車站主體基坑開挖完成后，既有站地下三層底板沉降值不足3.0 mm;在覆土層開挖后既有車站地下一層頂板近新建車站處回彈值達(dá)到最大值0.68 mm,整個(gè)施工過程中的沉降變形和回彈變形均不超過控制值(±10 mm)。由此驗(yàn)證了當(dāng)前施工方案的可行性及蓋挖逆作法施工的合理性。

圖10 新建車站施工階段既有車站頂板位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比曲線

5 結(jié)論

(1) 建立了彈塑性有限元模型,運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)新建車站及隧道施工數(shù)值模擬引起的既有車站變形進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬,數(shù)值模擬的既有車站最大沉降量在3.80～4.43 mm,說明新建7號(hào)線福民站采用蓋挖逆作法施工對(duì)既有4號(hào)線福民站影響較小,能夠保證既有車站的安全與穩(wěn)定。

(2) 對(duì)既有4號(hào)線福民站地下一層頂板沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，既有車站主體結(jié)構(gòu)的最大沉降量發(fā)生在新建車站地下一層頂板施作階段,其沉降量占到總沉降量的一半以上。由此可知,采用蓋挖逆作法施工起到了良好的效果；頂板作為支撐結(jié)構(gòu)有效減小了土體卸荷對(duì)既有4號(hào)線福民站的影響,起到了很好的保護(hù)作用。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明，二者結(jié)果吻合度高,且變化趨勢(shì)一致,說明數(shù)值模型的建立及模擬方法均是合理的,且數(shù)值模擬結(jié)果能夠直觀準(zhǔn)確地描述基坑施工全過程中既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律,可為類似基坑開挖數(shù)值模擬提供技術(shù)支持。

(4) 蓋挖逆作法在新建7號(hào)線福民站施工過程中體現(xiàn)了減小基坑開挖對(duì)鄰近建筑物影響的優(yōu)勢(shì),且預(yù)測(cè)了既有車站主體結(jié)構(gòu)變形逐步穩(wěn)定,故可不再對(duì)新、老車站交界處地層作進(jìn)一步加固即可有效地控制既有車站結(jié)構(gòu)的變形。

[1] 李新星.鄰近基坑開挖的運(yùn)營(yíng)地鐵車站結(jié)構(gòu)安全度分析[J].巖土力學(xué),2009,30(S2):382-386.

[2] 任建喜,劉杰.森林公園地鐵車站深基坑變形規(guī)律有限元分析[J].巖土力學(xué),2007,28(S1):639-642.

[3] 孫克國(guó),李術(shù)才,李樹忱,等.明挖法地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模擬與預(yù)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S1):3210-3215.

[4] 高盟,高廣運(yùn),馮世進(jìn),等.基坑開挖引起緊貼運(yùn)營(yíng)地鐵車站的變形控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(6):818-823.

[5] 謝秀棟,劉國(guó)彬,李志高,等.鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵車站基坑開挖土層位移特性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(4):742-744.

[6] 魏鵬程.蓋挖逆作法基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響的研究[D].長(zhǎng)沙:湘潭大學(xué),2013.

[7] ATTEWELL P B,YEATS J,SELBY A R G.Soil movements induced by tunneling and their effects on pipelines and structures[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1987,24(4):163.

[8] BOLTON M D,POWRITE W.Behavior of diaphragm walls in clay prior tocollapse[J].Geotechnique,1988,38(2):125-134.

[9] FINNO R J,BRYSON L S.Response of building adjacent to stiff excavation support system in soft clay[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2002,16(1):10-20.

[10] IAME I K.Relations between process of cutting and uniqueness of solutions[J].Soils and Found,1970,10(3):50-65.

[11] 侯學(xué)淵,楊敏.軟土地基變形控制設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996:228-257.

[12] 陳觀勝,嚴(yán)洪龍,陳昌平.深基坑開挖對(duì)周圍建筑物的保護(hù)[J].城市道橋與防洪,2003,3(2):74-77.

Influenc of Newly Built Metro Station with Up-down Construction Method on the Displacement of Existing Stations

DONG Fajun, HU Ankui, ZHANG Sherong, SONG Ran, SHANG Chao

Taking the newly constructed Shenzhen metro Line 7 as an example,the influence of newly built metro station with up-down construction method on the displacement of the existing Fumin Station on Line 4 is studied.Then,by using a 3D finite element numerical simulation,the dynamic deformation law of Fumin Station on Line 4 during the construction of Fumin Station on Line 7 is described,to provide theoretical support for the prediction of station deformation and the adjustment of design schemes.Combined with the monitoring data,the simulation result shows that the settlement of metro station is in coincident with the collected data,and the validity of the up-down construction method is verified.This research provides a basis for the policy decision on the optimization of strata reinforcement scheme.

urban rail transit; newly built station; up-down construction method; existing station displacement; numerical analysis

*國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065)

TU433.6

10.16037/j.1007-869x.2017.06.026

2015-06-24)