臨近地鐵基坑開挖對車站附屬結(jié)構(gòu)的影響分析

諶小麗 （常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213011）

0 引言

近年來，地鐵逐漸成為一個城市現(xiàn)代化的重要名片，越來越多的地鐵項(xiàng)目在城市中建設(shè)，而隨著城市的不斷發(fā)展，地鐵臨近的深基坑開挖工程也逐漸增多，在基坑開挖過程中，土體改變了已有的平衡狀態(tài)，周圍土體也產(chǎn)生了擾動，這勢必會對原有的地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

地鐵作為一個百年工程，一旦影響過大，就會影響其正常使用，甚至發(fā)生破壞，輕者市民交通出行不便，重者造成非常大的社會輿論。因此，臨近地鐵深基坑開挖對地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響是需要研究的一個重要課題，具有非常大的實(shí)際意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對臨近地鐵基坑開挖對地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了眾多研究。余曉琳、施成華等[3]通過收集廣州地區(qū)及國內(nèi)的工程真實(shí)案例,研究了基坑開挖后土體位移場的變動,歸納了鄰近基坑施工對現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)的相關(guān)影響,并選取廣州農(nóng)貿(mào)園工程,采用有限元分析法進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,得出一些能對今后類似工程起到一定借鑒作用的結(jié)論。陳魯[4]結(jié)合某實(shí)際工程實(shí)例，采用有限元計(jì)算，對不同工況和施工步驟下深基坑開挖對地鐵隧道和站臺結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，得出分析模型、分析手段以及計(jì)算結(jié)果。曾祥會[5]在天津市某購物中心基坑工程緊鄰既有地鐵車站施工的背景下,針對既有地鐵車站及區(qū)間隧道的變形情況采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析,總結(jié)隧道變形的發(fā)展規(guī)律,與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出了變形的最大值及其位置。徐騰飛[6]以紅谷灘中央金融大街基坑工程項(xiàng)目毗鄰南昌地鐵1號、2號線換乘站——地鐵大廈站作為研究對象，對近接工程控制因素所帶來的風(fēng)險采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并將結(jié)果進(jìn)行量化，最后分別對各因素所產(chǎn)生的風(fēng)險進(jìn)行評估。

本文根據(jù)某臨近地鐵的地下空間民防工程，運(yùn)用MIDAS軟件建模，建立開挖基坑及車站附屬結(jié)構(gòu)的三維整體數(shù)值模型，分析在基坑開挖各種工況下，車站附屬結(jié)構(gòu)的變形情況。研究結(jié)果為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考意義。

1 工程概況

某地下空間民防工程總建筑面積約10800m2，該工程基底黃海標(biāo)高為-3.6m，框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板+鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁樁徑600mm，樁長13m。項(xiàng)目平面布置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目平面布置圖

項(xiàng)目基坑周長約590m，開挖深度約9.5m-11.6m。根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方提供的圖紙，地面整平標(biāo)高取+5.50m（黃海標(biāo)高），地下室板面標(biāo)高為-3.15m，外墻下條基墊層底標(biāo)高為-4.15m；基坑西側(cè)為已建地鐵車站主體、附屬結(jié)構(gòu)及區(qū)間。該項(xiàng)目地下室外墻與車站主體外墻距離約為37m-40m，車站主體埋深約16.1m-19.29m；地下室外墻與地鐵1號出口距離約為3.7m-6.7m，與地鐵4號出口距離約為1.2m-1.6m；后期地下室與地鐵1號、4號出口連通。基坑支護(hù)形式擬采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐圍護(hù)形式，并設(shè)置三軸攪拌樁止水，坑內(nèi)采用管井降水。

2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

綜合考慮基坑的安全、造價、工期等因素，基坑考慮采用整體開挖方案，基坑圍護(hù)如圖2～圖6所示。

圖2 基坑圍護(hù)平面布置圖

圖3 1號口處圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 1號口處橫斷面關(guān)系圖

圖5 4號口處圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖6 4號口處橫斷面關(guān)系圖

4號口和1號口均為地下一層箱型結(jié)構(gòu)，1號口建筑面積約510.2m2，4號口建筑面積約502.3m2，1號口標(biāo)準(zhǔn)段埋深約8.95m，集水坑處埋深約11.87m，4號口標(biāo)準(zhǔn)段埋深約8.85m，集水坑處埋深約11.85m，4號口和1號口的圍護(hù)均為φ850SMW工法樁，插一挑一，局部密插，圍護(hù)樁長標(biāo)準(zhǔn)段長約16.6m，集水井落低處約21.3m。

3 結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202-2013)、《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013)的規(guī)定，該基坑工程位于地鐵車站主體、附屬1號出入口、4號出入口保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。

保護(hù)情況梳理如表1所示。

保護(hù)情況匯總表 表1

綜合考慮1、4出入口的實(shí)際情況，提出在開挖基坑對車站附屬結(jié)構(gòu)影響的計(jì)算分析控制標(biāo)準(zhǔn)，車站附屬結(jié)構(gòu)變形預(yù)警值為8mm，控制值取10mm。

4 工程地質(zhì)水文條件

本場地地貌分區(qū)屬于太湖水網(wǎng)平原區(qū)，地貌單元屬于高亢平原。勘察時，場地內(nèi)分布有較大范圍的堆土，場地地勢有較大起伏，地面高程一般在4.5-7.5m，平均5.5m左右。場地北側(cè)分布有老塘港河，勘察期間測得水面高程約2.2m，最大水深1.5m，淤泥厚約40cm。

根據(jù)勘察報(bào)告，擬建場地地面下35m深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀(jì)全新世（Q4）、晚更新世（Q3）年代沉積地層，主要由粘性土、粉土、砂土組成。

根據(jù)勘察資料，該場地地下水類型可分為兩類，分述如下。

①上層滯水：主要賦存于表層的填土中，補(bǔ)給來源為大氣降水及地表水滲入，以地面蒸發(fā)為主要排泄方式。勘察期間，測得該層水一般埋深于地面下0.5-1.5m，水位水量隨季節(jié)變化，高水位接近于自然地面，低水位標(biāo)高約4.0m。

②承壓水：主要埋藏于粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土及粉砂中，受長江、運(yùn)河等區(qū)域水系補(bǔ)給，以地下水側(cè)向徑流為主要排泄方式。本項(xiàng)目勘察期間測得該層承壓水水位標(biāo)高平均約為-2.1m。據(jù)調(diào)查，近年高水位標(biāo)高約1.0m，低水位標(biāo)高約-5.0m。

擬建場地未發(fā)現(xiàn)有構(gòu)造斷裂、滑坡、土洞、地面沉降、地面裂縫等影響工程穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用。

擬建場地分布的特殊性巖土主要為厚層填土。勘察時，場地內(nèi)分布有較大范圍的堆土，另在地庫邊線處分布有較厚填土。經(jīng)查，填土成分主要為粘性土、混碎石塊等建筑垃圾。

根據(jù)調(diào)查，擬建地庫西側(cè)邊線緊鄰地鐵站，分布有地下管線和地下建筑物，新橋大街場區(qū)范圍內(nèi)也分布有地下管線。

5 計(jì)算軟件

本次分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS（Geotechnical&Tunnel analysis System）NX 2017進(jìn)行計(jì)算。該軟件主要針對巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析所涉及的功能而開發(fā)的程序，與其它相關(guān)大型通用有限元軟件相比，該軟件不僅具有強(qiáng)大的前后處理及求解功能，而且能夠很便捷地進(jìn)行回填、開挖及施加支護(hù)結(jié)構(gòu)等巖土及隧道工程施工階段的分析。施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都延續(xù)了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累積了本施工階段的分析結(jié)果。也就是說上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化是對后續(xù)階段分析結(jié)果會產(chǎn)生影響的。因此，為了研究施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)，本次分析土體材料本構(gòu)模型取用硬化土彈塑性模型。

6 計(jì)算內(nèi)容及工況分析

本次有限元影響分析采用土層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算，主要包含以下內(nèi)容：

①地塊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、樁基、地下室結(jié)構(gòu)，1號口附屬結(jié)構(gòu)、4號口附屬結(jié)構(gòu)、上下行區(qū)間，土層模型的計(jì)算范圍為277m×349m×42.5m；

②研究各構(gòu)件的荷載和變形效應(yīng)，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)，評估影響，經(jīng)綜合考慮，土體模型采用三維塊體單元模擬，區(qū)間結(jié)構(gòu)、樓板等采用板單元模擬；支撐和樁基采用梁單元模擬。

③工況

工況1：初始地應(yīng)力計(jì)算，位移清零。

工況2：車站、附屬結(jié)構(gòu)完成，位移清零。

工況3：完成圍護(hù)墻、立柱樁。

工況4：開挖第一層土。

工況5：施工第一道支撐，基坑開挖至坑底。

工況6：施工地下室頂?shù)装濉?/p>

工況7：拆除第一道支撐。

工況8：完成地塊與出入口的連通道，完成地塊頂板覆土。

7 計(jì)算結(jié)果分析

如圖7所示，各工況下1號口X向最大水平位移為8.41mm。

圖7 1號口的X向最大水平位移

如圖8所示，各工況下1號口Y向最大水平位移為1.80mm。

圖8 1號口的Y向最大水平位移

如圖9所示，各工況下1號口Z向最大位移為2.05mm。

圖9 1號口的Z向最大位移

如圖10所示，各工況下4號口X向最大水平位移為2.41mm。

圖10 4號口的X向最大水平位移

如圖11所示，各工況下4號口Y向最大水平位移為1.80mm。

圖11 4號口的Y向最大水平位移

如圖12所示，各工況下4號口Z向最大位移為1.41mm。

圖12 4號口的Z向最大位移

8 結(jié)論與建議

根據(jù)以上計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?/p>

計(jì)算結(jié)果匯總表 表2

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該基坑開挖對1號口影響非常明顯，X方向的位移已經(jīng)達(dá)到8.41mm，已超變形預(yù)警值，距離控制值10mm也非常接近，而4號口變形相對較小。建議該基坑在施工過程中采取信息化施工，實(shí)時監(jiān)測地鐵車站1號口水平向的位移數(shù)據(jù)。