新建地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響性分析

李妙

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200000

引言

在城市化發(fā)展的過(guò)程中，越來(lái)越多的人口流向大城市，對(duì)大城市的交通狀況產(chǎn)生了新的壓力和考驗(yàn)[1-2]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，軌道交通得到了大力發(fā)展，已成為城市公共交通的重要組成部分。地鐵作為軌道交通的一大部分，因其具有低能耗、占地少、運(yùn)量大、少污染等特點(diǎn)，屬綠色環(huán)保交通體系，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的原則，特別適應(yīng)于大中城市。地鐵的發(fā)展是一座城市融入國(guó)際大都市現(xiàn)代化交通的標(biāo)志，是解決大都市交通緊張狀況最理想的交通方式。近些年，各地地鐵網(wǎng)絡(luò)迅速鋪開(kāi)，換乘站數(shù)量不斷增加，新建地鐵線路臨近、緊貼甚至穿越既有運(yùn)營(yíng)線路成為不可避免的問(wèn)題[3]，新建車(chē)站在臨近既有區(qū)間時(shí)近距離施工可能對(duì)既有區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全性及正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響[4-5]。本文以實(shí)際新建工程為背景，建立二維仿真模型模擬新建車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程，分析新建車(chē)站基坑施工時(shí)既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形，并據(jù)此提出若干建議以供類(lèi)似工程施工參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目為成都軌道交通10號(hào)線紅牌樓站（以下稱(chēng)“新建車(chē)站”），與既有軌道交通3號(hào)線紅牌樓站換乘，與3號(hào)線車(chē)站及紅牌樓站～高升橋站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “既有區(qū)間”）基本呈平行布置。新建車(chē)站為地下3層島式車(chē)站，車(chē)站總長(zhǎng)185m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.98～26.74m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約25.7m，端頭井基坑深度約26.67m（小里程）/27.02m（大里程），圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+2道砼支撐+2道鋼支撐，樁直徑及間距為φ1200@2000（風(fēng)險(xiǎn)源處加密至φ1200@1800），第一、三道砼支撐尺寸為800×800、800×1000，鋼支撐采用φ609、t=16的空心鋼管（以上尺寸未標(biāo)注單位均為mm），采用明挖法施工。既有區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，內(nèi)徑5.4m，管片厚度0.3m，中心埋深約14.2m，左、右線線路中心線距離約16.1m，右線管片與新建車(chē)站基坑最近距離約9.7m。

圖1 新建車(chē)站與既有線平面關(guān)系

2 數(shù)值分析

2.1 工程地質(zhì)條件

本工程土層從上往下依次為：雜填土、素填土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土、密實(shí)卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖，底板主要位于密實(shí)卵石層。材料參數(shù)詳見(jiàn)下表。

表1 土體材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 模型單元及材料

考慮到車(chē)站基坑為長(zhǎng)條形分布，施工過(guò)程中其變形表現(xiàn)為向基坑內(nèi)部的水平位移，本次計(jì)算建立二維模型進(jìn)行分析。本次模擬主要考慮新建車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)既有區(qū)間的影響，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，計(jì)算模型上邊界取到地表，豎向取50m，沿車(chē)站橫向取120m。建模時(shí)，地層采用平面應(yīng)變單元，既有區(qū)間結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧炷林尾捎昧簡(jiǎn)卧M，鋼支撐及格構(gòu)柱用桁架單元模擬，立柱樁采用梁?jiǎn)卧M，圍護(hù)樁采用剛度轉(zhuǎn)換等效為鋼筋混凝土墻，用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。混凝土及鋼構(gòu)件采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，土體采用修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系。模型見(jiàn)下圖所示。

圖2 新建車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)既有區(qū)間影響的數(shù)值分析模型

2.3 約束條件

考慮周邊土體對(duì)車(chē)站、基坑的包裹和支承作用，及周邊土體本身的整體性，此次分析對(duì)模型底部土體約束其Y方向的位移，對(duì)兩側(cè)土體約束其法向X方向的水平位移。

2.4 荷載取值及分析工況

根據(jù)本工程的設(shè)計(jì)條件，在新建車(chē)站的基坑開(kāi)挖過(guò)程中，主要考慮的荷載包括參與分析的各部分結(jié)構(gòu)的自重及地層表面的超載，結(jié)構(gòu)自重由軟件自重加載，對(duì)地面超載按20KPa考慮，以均布荷載進(jìn)行加載。

3 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/T 202-2013），城市軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)的主要變形控制指標(biāo)如下表所示：

表3 城市軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)主要安全控制指標(biāo)值

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911-2013），城市軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)的變形控制值如下：

表4 城市軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)變形控制值

綜合上述規(guī)范規(guī)定，確定本工程既有線地鐵區(qū)間的變形限值為：沉降10mm，水平位移5mm。

4 數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)上述約束條件和荷載取值等信息，借助Midas Gts Nx軟件建立新建車(chē)站基坑、既有區(qū)間及周邊土體的數(shù)值分析模型，根據(jù)基坑開(kāi)挖的工序依次對(duì)模型分階段模擬計(jì)算，主要工序?yàn)椋撼跏紤?yīng)力分析（位移清零）-圍護(hù)樁、立柱樁及格構(gòu)柱施工-開(kāi)挖-第一道砼支撐架設(shè)-開(kāi)挖-第二道鋼支撐架設(shè)-開(kāi)挖-第三道砼支撐架設(shè)-開(kāi)挖-第四道鋼支撐架設(shè)-開(kāi)挖至基坑底。

根據(jù)分析結(jié)果，在新建車(chē)站開(kāi)挖至基坑底，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)未施做時(shí)，土體出現(xiàn)一定程度的向基坑開(kāi)挖臨空面的位移，主要表現(xiàn)為坑底隆起及周邊土體的沉降，引起既有區(qū)間結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變形。經(jīng)計(jì)算，得到既有區(qū)間產(chǎn)生變形及位移如下圖所示：

圖3 基坑開(kāi)挖中既有區(qū)間發(fā)生的最大水平位移（m）

圖4 基坑開(kāi)挖中既有區(qū)間發(fā)生的最豎向位移（m）

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形分布情況，新建車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰既有區(qū)間產(chǎn)生了一定影響。基坑開(kāi)挖后，既有區(qū)間水平、豎向均產(chǎn)生位移，且為向著基坑側(cè)，水平最大值為左線4.4mm、右線4.6mm，最大豎向位移為左線1.1mm、右線3.6mm。分析其原因，主要是因?yàn)榛娱_(kāi)挖過(guò)程有土體卸載的作用，在開(kāi)挖至坑底時(shí)，卸載達(dá)到最大程度，原土壤平衡的應(yīng)力場(chǎng)受到破壞，土體應(yīng)力重分布。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，區(qū)間最大位移小于變形限值，既有區(qū)間結(jié)構(gòu)變形在結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備范圍內(nèi)，即在基坑開(kāi)挖時(shí)既有區(qū)間結(jié)構(gòu)是安全的。但是，此工程基坑自身風(fēng)險(xiǎn)及周邊風(fēng)險(xiǎn)都很大，需提前采取對(duì)基坑及既有區(qū)間的保護(hù)措施，如增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，且在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑及既有區(qū)間的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在既有地鐵區(qū)間周邊新建地鐵車(chē)站，其基坑開(kāi)挖對(duì)既有線有較為明顯的影響，主要表現(xiàn)為基坑開(kāi)挖過(guò)程中既有區(qū)間產(chǎn)生豎向位移及發(fā)生向著基坑的水平位移。通過(guò)新建車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程的力學(xué)模擬影響分析，可以認(rèn)為新建車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響是在安全范圍內(nèi)的，在采取針對(duì)措施的條件下，可以保證既有區(qū)間的安全。針對(duì)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)本工程的施工提出以下建議以減少基坑開(kāi)挖對(duì)既有區(qū)間的影響，確保基坑開(kāi)挖過(guò)程的安全性：①施工期間基坑外側(cè)10m范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載，主體結(jié)構(gòu)施工完成前，基坑周邊地面超載不得大于20kPa，控制施工階段地面的附加荷載，進(jìn)而減少對(duì)基坑周邊土體的擾動(dòng)。②基坑沿縱向應(yīng)分段開(kāi)挖，橫向分層開(kāi)挖，以減小開(kāi)挖過(guò)程中土體回彈量，進(jìn)而減小基坑及周邊土體的變形，也有利于減小既有區(qū)間產(chǎn)生的位移。③新建車(chē)站第三道支撐標(biāo)高與既有區(qū)間基本持平，采用鋼筋混凝土支撐，以減小既有區(qū)間的水平位移。④新建車(chē)站基坑及車(chē)站結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)基坑自身及既有線的監(jiān)測(cè)，確保施工安全。