臨江地鐵車站的加固及沉降分析

廖 長 林

(海峽(福建)交通工程設計有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

地鐵車站基坑開挖過程中雖然有圍護結構及支撐支護但仍會造成周邊地面沉降及水平位移。由于本站位靠閩江一側在2007年發生過滑坡，采用抗滑樁加抗滑錨索進行加固，屬于地質不利地帶。因此分析研究臨江地鐵車站的沉降及水平位移對保證地鐵車站基坑施工及運營的安全性具有重要實際意義。

地鐵車站基坑開挖的分析研究主要集中在基坑穩定性研究[1]、對臨近建(構)筑物的保護[2]、基底承壓水處理[3]等，對于臨江地鐵車站基坑施工領域的分析研究較少，但工程中對于抗滑樁的相關研究較為豐富[4-8]。根據申永江、孫紅月等對錨索雙排樁與剛架雙排樁的對比研究[9]，結果表明門架式雙排樁前后兩排樁內力分布差距較小，剛架雙排樁能夠更好地發揮抗滑效果，且具有抵抗力大樁頂位移小的特點。因此本工程對滑坡治理工程采用門架式雙排樁進行加固設計。年廷凱等對雙排抗滑樁加固邊坡穩定性與荷載傳遞機制分析[10]，結果表明由于雙排樁陰影效應的存在,導致后排樁的內力高于前排樁，因此本工程設計時對后排樁進行加長處理。另一方面則是要求施工時嚴格按照設計提供的施工步序圖進行施工，嚴禁超挖。同時基坑開挖過程中加強對周邊的監測，將施工對臨近地層及靠江一側的滑坡治理工程的擾動影響降到最低。

臨江地鐵車站基坑施工過程中存在的主要風險包括地面水平位移及沉降，原有滑坡治理工程的失效、江水與基坑連通等。本文以福州市軌道交通5號線一期工程(農林大學站)為背景在滑坡治理工程一側的臨江地鐵車站基坑開挖建立數值模型，模擬分析了不加固及采用雙排樁加固的方式對控制地表水平位移及沉降的作用。

1 工程概述

農林大學站位于上下店路道路下方，站中心沿上下店路跨福建農林大學校門口設置，為地下三層雙柱三跨半蓋挖島式站臺車站。外包總長168 m，標準段總寬22.1 m，車站埋深約23.4 m。車站西側為福建農林大學及福建工業學校，東側為閩江，閩江江堤距車站主體基坑線約17 m～36 m。車站主體基坑東側存在往年滑坡治理工程。

本站采用半蓋挖法施工。主體圍護結構采用1 000 mm厚地下連續墻+5道支撐的支撐體系，其中第一、三道支撐為800×1 000的混凝土支撐，間距6 m，第二、四、五道采用φ800(t=16)的鋼支撐，間距3 m。

本站位東側在2007年發生過滑坡，采用抗滑樁加抗滑錨索進行加固，治理后至今均處于穩定狀態。抗滑樁為φ1 200@3 000，設計樁長15 m，樁底標高-7.5 m(羅零高程)；抗滑錨索總長25 m，錨固段長12 m，間距1.5 m，角度為30°，底標高-5 m，冠梁尺寸為1 200 mm×600 mm。抗滑樁中心距離車站主體基坑地下連續墻外皮23.3 m,抗滑錨索錨固端端底距離車站主體基坑地下連續墻2.25 m。

2 抗滑樁加固方案

借鑒杭州等城市采用雙排樁進行滑坡加固處理的成功經驗，本工程擬采用在原有抗滑樁與車站基坑之間新增一排抗滑樁然后與原有抗滑樁采用連梁連成整體形成抗雙排樁的加固設計方案。新增抗滑樁采用φ1 200@3 000，設計樁長25 m，樁底標高-17.5 m(羅零高程)，新增抗滑樁冠梁尺寸為1 200 mm×1 000 mm，新增抗滑樁與原抗滑樁間距為4 m。為避開抗滑錨索，新增抗滑樁與原抗滑樁錯開布置。

3 數值模擬計算建模

3.1 幾何模型

計算模型底部約束豎直方向位移；模型兩側約束水平位移。

農林大學站與抗滑樁及抗滑錨索的位置關系計算模型見圖1。

3.2 模擬方法

本工程加固為原有抗滑治理工程基礎上進行加固，從治理至今已將近11年，期間未發生過二次滑坡，處于較穩定狀態。因需要在抗滑樁工程西側新建地鐵車站，考慮到地鐵車站基坑施工可能對抗滑樁治理工程產生擾動發生二次滑坡，因此采取提前加固的措施。在此前提下本文模型根據相關規范計算潛在滑裂面的滑坡力，將滑坡力等效成均布荷載加載于后排抗滑樁上進行模擬。

3.3 力學模型及參數選取

計算時，地層采用強化土模型；地下連續墻、抗滑樁、支撐采用彈性模型。

土層參數及荷載按以下原則選取：

1)粘聚力、內摩擦角、重度按巖土詳勘報告中的物理力學指標進行設置；

土層參數力學參數如表1所示。

表1 土體力學參數

2)彈性模量按過往工程經驗，按巖土詳勘報告中土的壓縮模量的兩倍進行取值；

3)地面超載取20 kPa。

3.4 計算工況

模型中忽略構造應力將初始應力場視為土體自重應力場，只施加自重荷載、附加荷載、抗滑力荷載，在地下連續墻施工完土體處于平衡狀態后位移清零。并假定在車站基坑開挖前，土體自重及相關荷載作用下的上覆土層固結沉降已完成。

為分析車站基坑在開挖與支護過程中抗滑樁一側地面的沉降及水平位移的變化規律，在分析時，選取6個典型施工步。其中第1步施工步序為土方開挖至一道支撐中心線以下0.5 m，然后架設第一道支撐；第2步施工步序為土方開挖至第二道支撐中心線以下0.5 m，然后架設第二道支撐；依次類推，詳見表2。計算在正常的施工條件下，車站基坑施工引起抗滑樁一側地面沉降及水平位移的變形特征。

表2 數值模擬典型施工步一覽表

4 計算結果及分析

4.1 計算結果

4.1.1基坑開挖至坑底時水平及豎向位移

圖2，圖3為不采取加固措施基坑開挖時的水平及豎向位移云圖；圖4，圖5為采取加固措施基坑開挖時的水平及豎向位移云圖。

由圖2和圖3可以看出：不采取加固措施車站基坑開挖至基底后，基坑靠抗滑樁一側豎向最大位移值為22.2 mm，水平最大位移值25.2 mm；由圖4和圖5可以看出：采取加固措施車站基坑開挖至基底后，基坑靠抗滑樁一側豎向最大位移值為14.7 mm左右，水平最大位移值8.5 mm。由以上計算結果對比表可知：新增一排抗滑樁在打樁變形穩定后抗滑治理區域的水平及豎向位移比不新增抗滑樁的變形大為減小，由此可知新增一排抗滑樁能有效減小基坑開挖過程中原有抗滑樁區域的水平及豎向位移。采用雙排樁加固增大了基坑的安全性。

4.1.2施工過程中水平及豎向位移特征

圖6，圖7為未采取加固措施和采取加固措施后車站基坑開挖水平及豎向位移曲線。

4.2 計算結果分析

根據圖6，圖7可知，不采取加固措施車站基坑開挖過程中，基坑靠抗滑樁一側豎向最大位移值為45.1 mm，水平最大位移值25.7 mm；采取加固措施車站基坑開挖過程中，基坑靠抗滑樁一側豎向最大位移值為29.9 mm左右，水平最大位移值8.8 mm。采用雙排樁加固后基坑開挖滿足車站基坑開挖時的變形要求。

根據基坑開挖地面水平及豎向位移變化曲線可知，基坑開挖在一次開挖機第二次開挖時水平位移變化量較大，然后逐漸穩定，主要是由于第一次及第二次開挖均在潛在滑裂面以上，土層性能較差，基坑開挖擾動對其影響較大，基底隆起較為明顯；第三次開挖之后水平位移變化趨緩，豎向位移變小，豎向位移變小的原因主要是由于基坑內較差土層被挖除坑底隆起變小。

4.3 施工建議

根據以上數值分析結果，提出如下施工建議：

1)根據雙排樁的特點，其自身具有一定的穩定性能夠抵擋住一部分土的水平推力，原有抗滑錨索不截斷，作為安全儲備。

2)新增抗滑樁與原有抗滑樁連接應可靠。

3)施工前，檢測驗證原有滑坡治理工程是否有損壞，如有存在損壞情況，應及時進行加固處理。

5 結語

1)雙排樁自身結構剛度大能有效控制地表的水平及豎向位移。

2)在原有滑坡治理工程處不采取加固措施時地鐵車站基坑開挖對其影響較大，水平及豎向位移均較大，不滿足一級基坑開挖時變形控制要求，基坑開挖風險大。

3)在原有抗滑樁基礎上新增一排抗滑樁并與之連成整體形成雙排樁加固后基坑開挖過程中的變形明顯改善，地表變形控制在一級基坑變形允許范圍之內，基坑開挖更安全。

4)潛在滑裂面以上基坑開挖時地表及基坑內水平及豎向位移變化較大，坑底隆起較明顯，開挖至潛在滑裂面以下時土層條件變化坑底隆起較小，豎向及水平位移變化均趨緩。