深基坑施工對鄰近地鐵立交車站結構的安全影響分析

徐長金

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,重慶 400707)

城市軌道交通作為城市公共交通的骨干,其安全運行對保障人民生命財產安全、維護社會安穩定具有重要意義。隨著地下工程開發建設越來越頻繁,城市軌道交通與各種建構筑物間的上跨、下穿、鄰近情況也越來越多,許多學者對該領域進行一系列研究。聶浩基于土力學基本理論和數值計算分析,研究基坑開挖對既有盾構管片變形與應力影響[1];彭濤等認為深基坑施工引起地鐵站線結構破壞的原因主要是地下水治理失效和基坑圍護施工質量缺陷[2];孫廉威發現,在基坑開挖至第2道支撐時進行加載改造為最不利工況,且圍護結構側向位移將超過規范允許值,在施工中應嚴格避免[3];史磊磊[4]等針對暗挖地鐵車站側穿安貞東橋施工提出兩種保護措施,并采用數值模擬方法對兩種保護方案的實施效果進行計算分析。還有部分學者針對不同地質條件下的地下工程,研究施工對鄰近既有隧道的影響規律[5-8];以及采用各種數值模擬軟件,分析鄰近施工對地鐵結構的影響[9-11]。然而,以往的研究多集中在地鐵隧道或單一車站等結構受施工的影響,對地鐵立交車站結構的研究相對較少。以某臨近地鐵立交車站的深基坑工程為背景,通過建立基坑施工過程中既有車站及附屬結構的數值模型,對地鐵結構的安全狀態進行分析。

1 工程背景

某城市地鐵2、3號線立交車站西北側擬新建基坑工程,如圖1所示。該基坑北側為地下3層,占地面積為9694m2,開挖深度為17.5m,南側為地下4層,占地面積為18268m2,基坑開挖深度為20.9m,基坑周長為760.0m。其中,地鐵2號線5號風亭與基坑邊沿最近凈距為5.79m,地鐵3號線1號出入口與基坑邊沿最小凈距為26.75m,與地鐵3號線車站主體最小凈距為55.43m。根據地面地質調查、鉆探和試驗等資料,場地地層巖性自上而下為人工填土、粉質黏土、紅黏土、石灰巖,局部為巖層溶洞。場地地下水主要為第四系上層滯水以及深部灰巖中的巖溶裂隙水。

圖1 車站與基坑平面位置

依據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》,判定地鐵立交車站及其附屬結構與基坑工程接近程度為“非常接近”,其工程影響區域為“強烈影響區”[12],綜合考慮本工程地質條件特點,地鐵立交車站及其附屬結構受基坑施工的影響等級為“特級”。根據要求,應對城市軌道交通結構的安全影響進行分析與評估。

地鐵結構安全狀態的直觀反映就是地鐵隧道結構的損傷或破損狀態,其主要包括滲漏水、外觀變形、材料劣化、裂縫等[13-14]。以結構的變形、配筋及裂縫寬度為指標,通過有限元三維動態施工過程仿真,計算分析既有地鐵結構受擬建基坑工程施工的影響[15-16]。

2 三維有限元分析

2.1 模型參數設置

采用MIDAS GTS有限元軟件建立模型。針對基坑開挖影響區域,按照地鐵工程和基坑工程設計資料,選取計算模型尺寸為320m×360m×50m,受有限元單元規模限制,單元網格尺寸設定在3 ～5m,并對特殊部位對網格進行細化,共劃分209211個單元,如圖2所示。邊界條件為:模型底部設置為Z方向約束,模型左右面設置為X方向約束,模型前后面設置為Y方向約束。

圖2 有限元模型(單位:m)

假定土體為彈塑性材料,針對復雜地層,應盡可能模擬真實的地層土的分布規律和力學特征。對局部小區域土層材料進行歸一化處理時,考慮數值分析偏于安全的要求,土層選用力學性能低的材料,地基土的非線性本構與屈服力學特性層采用摩爾庫倫模型描述,土層參數如表1所示。車站主體及附屬結構等混凝土結構假定為彈性材料,材料結構力學參數如表2所示。地鐵車站結構與土體之間符合變形協調原理,基坑周邊地面超載取20kN/m2。

表1 土層參數

表2 材料結構力學參數

2.2 模擬工況

根據施工流程,數值模擬過程為:初始地應力平衡—鉆孔灌注樁、鋼立柱施工—施作第一道水平撐及預應力索錨、第一層土方開挖—施作第二道水平撐及預應力索錨、第二層土方開挖—施作第三道水平撐及預應力索錨、第二層土方開挖—地下室底板施工。由于只研究擬建基坑對既有結構的影響,故不考慮車站及附屬結構在基坑施工前的變形,對基坑施工前的位移值進行清零。選取表3中的典型工況進行研究,各工況有限元模型如圖3所示。地鐵立交車站及附屬結構與基坑位置關系如圖4所示。

圖3 各工況模型

圖4 地鐵結構與基坑有限元模型

表3 模擬工況

2.3 控制指標

根據國內類似地鐵結構安全保護經驗,結合本工程實際情況,制定既有地鐵車站結構安全評價指標如下。

(1)車站結構水平位移量及豎向位移量取10mm(包括各種加載和卸載的最終位移量),變化速率取2mm/d。

(2)車站結構裂縫寬度在迎水面取0.2mm,背水面取0.3mm。

3 地鐵結構安全分析

3.1 初始狀態模擬

在深基坑施工之前,對已建成地鐵車站結構的施工場地進行地應力平衡,由此得到場地在基坑工程施工前的初始地應力場和地鐵車站結構在未受影響情況下的原始受力狀態。初始位移理想狀況為零值,受模型復雜程度影響,精度計算會得到一個很小的初始值,利用初始值進行誤差修正。初始狀態地層應力分層見圖5。

圖5 初始狀態地應力模擬

3.2 結構變形分析

對工況1 ～ 5進行仿真模擬,獲得各工況下地鐵立交車站及附屬結構的三維變形,變形極值情況見表4。由計算結果可以看出,基坑開挖過程中,地鐵立交車站及其附屬結構有整體向基坑側位移的趨勢,位移隨著基坑開挖深度逐漸增大,且在工況4(基坑開挖到底)達到最大值。其中,車站主體最大水平位移值為2.43mm(橫向1.82mm,縱向-1.32mm)、最大豎向位移值-0.84mm;附屬結構離基坑近,水平位移變形相對較大,1號出入口最大水平位移值為6.48mm(橫向5.69mm,縱向-2.46mm)、最大豎向位移值-1.87 mm,2號出入口和風道最大水平位移值為5.42mm(橫向0.59mm,縱向-5.20mm)、最大豎向位移值-1.42mm,位于2號出入口與5號風亭相交叉部位。基坑開挖前(工況1)和完成后(工況4)的車站結構位移云圖如圖6、圖7所示。在工況5(基坑底部施工)中,受荷載增大影響,地鐵結構產生反向位移,其位移幅度很小,說明基坑開挖結束后,車站結構位移沒有繼續增大趨勢。

圖7 工況4結構變形模擬結果

表4 各工況下車站主體及附屬結構變形極值mm

圖6 工況1結構變形模擬結果

整個基坑開挖過程中,車站結構位移均小于控制指標允許值。

3.3 地鐵結構內力驗算

模擬分析各工況下車站及附屬結構的受力變化。在分析時,按結構在施工階段和使用階段可能出現的最不利情況進行荷載組合,各種荷載組合及分項系數見表5。結構配筋驗算采用荷載基本組合,內力=設計值(內力計算值×1.35+內力變化值×1.4)×1.1。裂縫驗算采用荷載準永久組合,內力=設計值(內力計算值+內力變化值)。

表5 荷載組合

對地鐵立交車站主體和附屬結構的板、側墻結構進行受力分析,各結構的彎矩云圖如圖8～圖11所示。根據內力結果計算結構配筋和裂縫寬度,結果如表6所示。

表6 地鐵結構板、側墻內力驗算結果

圖8 車站板結構內力彎矩

圖9 車站側墻結構內力彎矩

圖10 1號出入口結構內力彎矩

圖11 2號出入口和5號風道結構內力彎矩

計算結果表示,車站及附屬結構所受內力受基坑開挖影響均引起增大,且2號線與3號線交叉處、車站主體結構與附屬結構交匯處、變截面處均是受力影響的敏感區域。車站主體中2號線底板中支座的受力影響最大,最大彎矩值為-1620.7kN·m,最大扭矩值為-1141.3kN·m,附屬結構中5號風亭底板中支座受力影響最大,最大彎矩值為-970.8kN·m,最大扭矩值為-542.2kN·m。通過驗算可知,實配鋼筋面積均大于計算鋼筋面積,計算裂縫寬度也均在控制指標范圍內,地鐵車站結構配筋能滿足基坑開挖卸載導致結構內力增加幅度的要求。

4 結論及建議

4.1 結論

綜合地鐵立交車站及其附屬結構和擬建基坑的設計資料,結合現場環境,建立各工況有限元模型,模擬仿真結果如下。

(1)車站及附屬結構有整體向基坑側位移的趨勢,位移值隨基坑開挖深度逐漸增大,且在基坑開挖至底部時達到最大值,但位移值小于評估控制標準的允許值。

(2)經內力驗算,車站及附屬結構樓板結構配筋滿足計算要求,裂縫滿足控制標準要求。

(3)擬建基坑施工將會對地鐵車站結構和運營產生一定的影響,但處于安全可控范圍。

4.2 建議

(1)土方開挖是擬建基坑施工對地鐵結構產生影響的主要階段,其施工應嚴格按照設計中的施工方法、設計參數和步序進行,滿足相關規范要求,減少對地鐵車站的影響。

(2)車站附屬結構中1號出入口產生的最大水平變形可達到6.48mm,2號出入口和5號風亭的最大水平變形可達到5.42mm,但是在數值模擬中未考慮地下水影響,實際水平變形可能更大,建議在施工時基坑周邊做好硬化及截排水措施,并且加大該處的監測頻率。