地鐵結建車站零距離近接基坑施工安全研究

吳 波

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610031)

1 前言

近年來，隨著我國城市地下空間不斷拓展，建設規劃逐步趨于網絡化，以聯系周邊既有地下空間，達到地下空間合理開發、經濟效益的最大化。零距離近接、連通接駁、豎向增層、以小擴大、多維拓展等各式各樣的拓建方式層出不窮。但地下空間施工不同于一般地上工程，施工環境復雜，風險較大，施工作業的安全性控制要求高。對于近接施工的地下結構而言，由于既有結構的存在，增加了施工環境的復雜程度，新建工程的施工破壞了鄰近既有結構原有的平衡狀態，其施工風險更大，不僅涉及新建結構的施工安全，還需保證既有結構的安全穩定，施工方案的實施需要進一步的研究探討，采取合理的控制措施為施工的安全性做保障。

針對近接工程的施工安全性分析，國內外學者開展了大量的研究，并提出了相應的處理措施。沈小輝[1]等對北京某雙矩形區間隧道密貼下穿既有地鐵車站工程暗挖隧道動態施工過程進行數值仿真模擬，指出千斤頂工法為優先考慮的工法，并給出了千斤頂工法下既有車站軌道結構典型的雙峰形態沉降槽。李清菲[2]對青島某即將修建的線路下穿既有車站進行數值分析，研究在硬巖地區新建線路采用型鋼格柵密貼下穿及采用CRD法近距離下穿2種方案引起的既有站底板位移變化的規律。朱正國[3]對新建區間隧道零距離下穿既有地鐵車站不同開挖工法及周圍地層不同加固范圍等施工方案進行數值模擬，分析了既有車站軌道沉降、結構應力及新建區間隧道周邊變形、結構受力特點及規律。杜建華[4]等以北京地鐵10號線國貿—雙井區間下穿地鐵1號線為工程背景，建立數值計算模型，對垂直下切穿越既有隧道過程中新舊隧道的受力、變形及地表沉降規律進行研究。陳彬科[5]等以重慶某新建地鐵下穿既有軌道車站為工程研究背景，對新建地鐵分別采用CRD法和上下臺階法施工進行數值模擬，分析對比下穿軌道工程案例中既有軌道車站結構的沉降變形與應力變化規律。

現有研究主要側重于新建地鐵區間下穿對既有地鐵車站、新建地鐵車站對既有地鐵車站、新建地鐵車站對既有地鐵區間或者鄰近基坑工程開挖的施工影響分析，而對于零距離近接基坑開挖施工及對既有車站的影響研究相對較少。本文以天津地鐵5號線思源道站結建工程零距離近接基坑開挖為背景，采用有限差分軟件FLAC3D建立數值計算模型，對零距離近接基坑開挖施工的安全性以及基坑開挖對既有車站的變形力學行為進行分析，評價現有施工方案的合理性，探討零距離近接施工的安全性和既有地鐵車站結構的受力是否滿足要求，并為后續類似工程提供參考。

2 工程概況

本工程分布于思源道車站主體結構東西兩側，基坑為不規則形狀，東側基坑開挖面積約1.25萬m2，西側基坑開挖面積約0.85萬m2。基坑圍護結構采用地下連續墻加內支撐的支護形式，墻厚800 mm，地下連續墻止水深度32 m，墻趾設計標高-35.22 m。墻頂設置鋼筋混凝土冠梁，內支撐為三道混凝土支撐，均為環形輻射支撐體系，東側設置兩個環梁支撐體系，大環梁直徑為82 m，小環梁直徑40 m；西側設置一個環梁，環梁直徑72 m。基坑施工現場見圖1。

圖1 基坑施工現場

3 建立數值模型及工況設置

3.1 基本假定

在最大程度還原工程實際的基礎上，對地層和結構進行簡化處理，以方便建立模型和網格劃分，采用如下基本假定:(1)忽略地形及地層分界線起伏，地表及各土層均按水平均質層狀分布考慮[6]；(2)地層條件考慮為最不利地質鉆孔的情況；(3)基坑開挖前存在的初始應力場只考慮地層及結構自重；(4)忽略施工誤差及施工降水的影響；(5)不考慮施工擾動引起土體參數的變化；(6)內支撐截面尺寸統一取最不利截面尺寸。

3.2 模型建立

本文采用軟件建立模型對天津地鐵5號線思源道站結建工程零距離近接基坑開挖施工進行分析為減少邊界效應對計算的干擾，模型整體尺寸取為550 m×550 m×90 m。車站主體結構及連續墻采用彈性本構模型，各土層采用摩爾-庫倫本構模型。以實體單元模擬。模型的邊界條件:底部和左右前后四面均施加法向約束，切向自由；地表保持為自由面。數值模擬所需參數如表1和表2所示。數值模型如圖2所示。

圖2 整體計算模型

表1 地層物理力學參數

表2 結構及支護體系材料參數

3.3 計算工況

為保證既有車站兩邊基坑開挖狀態一致，以維持既有車站的穩定與施工安全，實際開挖施工工序遵循“先撐后挖、分區分層、對稱開挖”的原則，基坑豎向開挖總深度為15 m，分四層進行逐步挖除，第一層開挖2.2 m，第二層開挖4.2 m，第三層開挖4.1 m，第四層開挖4.5 m。

為方便計算，簡化施工順序，模型不進行分區開挖，東西兩側各區同時進行，以達到對稱開挖的目的。為保證與實際開挖類似的效果，圓形中心島比周圍土體延后一層開挖。由于開挖前會進行降水處理，使地下水位在開挖面以下1 m以上，故不考慮地下水的影響。為盡可能還原基坑開挖的實際施工過程，本計算共設置7個計算工況，各工況的施工內容如表3所示。

表3 數值模擬工況

4 計算結果分析

4.1 施工安全性及影響分析

圖3為基坑開挖完成后基坑內部及周圍地層豎向位移云圖。

圖3 開挖完成基坑內部及周圍地層豎向位移云圖

通過計算發現，基坑開挖對周圍地層的豎向位移影響較小，地層豎向變形主要集中在基坑內部，表現為豎向隆起，沿基坑四周向中心靠攏隆起量逐漸增大，開挖深度越大的地方隆起量越大。基坑開挖完成時，基坑內部隆起量達到1.16 cm，如圖3所示。施工中需要采取措施抑制基坑內部隆起，并及時進行后續新建地下結構的施工，減少基坑的曝露時間。

圖4為基坑開挖過程中地下連續墻的受力及變形曲線，由基坑圍護體系的受力及變形可知，除支撐柱沉降以外，其他內力和變形均隨基坑開挖而增大，且構件存在差異，但變化趨勢略有不同。基坑開挖過程中，地下連續墻的最大拉應力為0.782 MPa，最大剪應力為0.563 MPa；由地下連續墻的側向變形可知，基坑周邊的收斂變形最大值為2.635 cm。通過分析支撐體系的受力和變形可知，基坑開挖過程中內支撐的彎矩峰值達到5 682 kN·m，軸力峰值達到2 024 kN，支撐柱所受軸力最大為669 kN，仍在支護體系可承受的范圍內，支護體系未出現破壞；內支撐的最大隆起量為0.719 cm，最大沉降量為4.290 cm；支撐柱的豎向位移主要表現為隆起，最大隆起量為1.313 cm，均在允許范圍內，支護體系未出現失穩的情況[7-9]。

圖4 基坑開挖過程中地連墻應力及側向位移變化曲線

4.2 基坑開挖對既有車站影響分析

圖5為基坑開挖完成時既有天津地鐵思源道站應變云圖。

圖5 基坑開挖完成時既有地鐵站的應變云圖

計算結果表明，基坑開挖使得既有車站結構的拉應力、剪應力以及應變均有所增加。既有車站拉應力最大值分布在一些角隅處，其余部位拉應力分布較為均勻；既有車站結構的剪應力最大值分布同樣位于角隅處，頂板和側墻的剪應力也較大，應變最大值出現在既有車站底板，基坑開挖時既有車站應變增加，但應變范圍縮小，由幾乎遍布整個頂板縮小到車站的兩端一定范圍內，如圖6所示。隨著基坑開挖，既有車站各部位的應力和變形均逐漸增大；拉應力頂板增幅最大，達到0.768 MPa，柱子增幅最小，只有0.220 MPa；而剪應力依然為頂板增幅最大，達到0.344 MPa，柱子增幅最小，只有0.114 MPa；應變底板增幅最大，達到0.003 18%，中板增幅最小，基坑開挖完成時，既有車站的最大拉應力為1.052 MPa，最大剪應力為0.563 MPa，均滿足原設計要求，基坑開挖過程中，既有車站結構未遭到破壞[10-12]。

圖6 基坑開挖過程中既有車站結構應力變化曲線

5 結論和建議

本文采用數值模擬方法研究了天津地鐵5號線思源道站結建工程零距離近接基坑開挖施工過程，主要結論如下:

(1)基坑開挖過程中，地下連續墻的拉應力及剪應力峰值為0.782 MPa，最大剪應力為0.563 MPa，均小于地下連續墻的容許應力，地下連續墻未出現破壞。

(2)基坑開挖過程中，內支撐受到的最大彎矩為5 682 kN·m，最大軸力為2 024 kN，支撐柱所受軸力最大為669 kN；內支撐的最大位移量為4.290 cm，支撐柱的最大位移量為1.313 cm，均在支護體系可承受和允許范圍內，支護體系未出現失穩和破壞。

(3)基坑開挖完成時，既有車站結構的最大拉應力為1.052 MPa，最大剪應力為0.563 MPa，均滿足原設計要求，基坑開挖未對既有車站結構造成破壞。

(4)根據地下連續墻的側向變形量，基坑開挖過程中，基坑收斂位移量最大為2.635 cm，基坑變形在允許范圍內，處于穩定狀態。