緊鄰既有地鐵車站基坑開挖變形影響分析*

方能榕,藍燕金,李繼光,余國梁,江卓峰,蔡金山

(1.中國建筑第八工程局有限公司,上海 201200; 2.福建省建筑科學研究院有限責任公司,福建 福州 350108; 3.福州軌道交通設計院有限公司,福建 福州 350009)

0 引言

基坑開挖變形可能會對周圍環境產生不利影響,如建筑倒塌、地下管線變形、地表沉降和橫移等問題[1]。基坑施工對鄰近房屋受力影響較小時對房屋變形仍有一定影響[2],鄰近建筑物的沉降會經歷增大、回彈、加速增大等不同階段[3]。基坑緊鄰地鐵車站的情況已很普遍,由于地鐵車站對變形要求很高,對基坑進行安全評估十分重要[4]。對基坑開挖過程中鄰近車站的變形規律進行研究結果表明,基坑與車站不同距離、不同開挖深度、不同土體重度都會影響地下連續墻的內力和變形,并進一步影響鄰近車站結構的變形和振動響應。因此,為了提高建筑的安全性要嚴格控制基坑變形[5-9]。

目前主要是通過控制基坑支護體系的變形控制基坑變形。葉帥華等[10]通過模擬驗證了咬合樁和預應力錨桿對控制基坑及鄰近建筑變形的有效性。張愛民等[11]提出將基坑從四周向中間開挖減小鄰近車站變形。劉慶晨等[12]通過分析基坑回彈原因,提出基坑分倉開挖、改善支撐連接位置、進行降水試驗等方式保護基坑內的地鐵車站結構。吳才德等[13]通過增加圍護結構剛度、加固坑內土體、增加支撐數量等方式控制基坑附近車站變形。鄭翔等[14]提出在不同施工環節控制變形的建議。

不同地區的地質和水文條件往往存在較大差異,基坑施工影響需具體討論。楊忠平等[15]研究了淤泥土層中基坑開挖鄰近大橋和隧道的變形規律。王立新等[16]研究了黃土地層中基坑卸載對既有地鐵車站的影響。袁靜等[17]分析了粉砂土地層中基坑施工對鄰近地鐵站房和隧道的影響。

本文采用數值模擬方法研究緊鄰既有地鐵車站的某停車場基坑施工影響,分析了基坑降水至坑底、土方開挖至坑底、拆撐后3個關鍵節點的基坑周圍土體、圍護樁和鄰近車站出入口結構的變形情況,通過對基坑變形結果進行分析,評價施工過程對周圍環境影響,為基坑支護結構設計提供參考。

1 工程概況

擬建某停車場為地鐵配套停車場地塊,由1層多棟管理用房組成,采用淺基礎,設1層地下室。基坑開挖深度6.35～7.60m。項目地平面如圖1所示。場地東側及南側為解放溪,西南側為空地,西側為地鐵1號線車站出入口,距基坑頂邊線約5.2m,北側為市政路,距基坑頂邊線約20.0m。

圖1 項目所在地平面

其中,綜合停車場項目基坑支護采用放坡、灌注樁、灌注樁+1道角撐支護方式。靠近地鐵出入口的范圍采用灌注樁支護形式,其他區域采取放坡支護。

既有地鐵車站為地下2層島式車站,采用明挖順作法施工。主體基坑標準段深16.5m,圍護結構采用800mm厚地下連續墻+內支撐支護方案。擬建某停車場西側臨近既有地鐵車站附屬主體1號出入口,新建基坑與既有地鐵車站的相對位置關系如圖2所示。

圖2 基坑相對位置關系

2 工程地質及水文地質條件

場地內各巖、土層的性狀和特征依序分述如下:雜填土①場地均有分布,厚1.80～5.20m,均勻性差;粉質黏土②厚度為2.20～6.30m,頂板標高6.330～9.630m,均勻性較差;卵石③層穩定,厚度3.50～6.40m,頂板標高2.840～4.670m,均勻性差;殘積砂質黏性土④層零星分布,厚度2.50～5.70m,頂板標高-1.270～0.130m,均勻性差;全風化花崗巖⑤層厚度為1.40～13.90m,頂板標高-6.920～-0.080m; 砂土狀強風化花崗巖⑥層厚度為4.70～41.60m,頂板標高-14.520～-4.100m,均勻性差。地質剖面如圖3所示。

圖3 基坑位置地質剖面

本場地地貌上處于沖洪積平原,地勢平坦,據鉆孔揭露,場地主要含水層為上部卵石層,場地地下水富水性較好,水量較豐富。除填土下部的少量孔隙潛水外,地下水類型主要為上部松散巖類中的孔隙承壓水和下部基巖風化網狀孔隙～裂隙承壓水2種類型。

3 有限元模型

3.1 模型假定

1)模型采用硬化土(plastic-hardening)模型,土體為正常固結土,不考慮土體變形的時間效應,土體在自重作用下產生的變形和應力在開挖前已完成。

2)參考2—2剖面,基坑深度按7.6m考慮。考慮最不利工況,模型中不考慮既有附屬結構1號口以外的地鐵結構剛度和駁岸臨空面影響,各層土不考慮土層面起伏,按等厚度考慮。

3)用基坑底部施加剛性鉸的方式模擬地下室底板澆筑對基坑側壁的支承,約束施加后再進行拆撐工況。

3.2 數值模型

基于上述模型假定建立包括某新建停車場基坑和既有地鐵車站附屬主體1號出入口的數值模型,模型的x-y方向與圖2中的標注保持一致,將與某新建停車場基坑長邊平行的軸線作為x軸,垂直的方向為y軸建立坐標系,最終的數值模型如圖4所示。本次模型計算的施工步驟如下:天然狀態→灌注樁、角撐施工→基坑降水→基坑開挖→基坑底部施加剛性鉸(地下室底板澆筑)→拆撐。

圖4 數值模型

3.3 計算參數

該模型的土體本構條件選擇硬化土模型,土體各項參數根據勘察報告取值,如表1所示。

表1 模型土體參數

1)地鐵車站1號出入口頂、底板和外墻采用板單元模擬,彈性模量為31.5MPa,頂、底板板厚0.7m,外墻厚0.6m。

2)地鐵車站1號出入口結構考慮基坑支護時支護樁的有利影響,既有圍護樁通過剛度等效板參數為:彈性模量為30MPa,板厚0.6m,外墻所處區域板單元彈性模量取30MPa,板厚1.2m。

3)基于理論研究和工程經驗,取E50=Es1-2,Eoed=E50,Eur=(3～10)E50。

4 數值計算結果分析

4.1 降水施工對支護結構及周邊環境的影響

施工過程中的孔隙壓力如圖5所示。初始水位埋深為2.5m,孔隙壓力為水平層狀分布。降水后,孔隙壓力分布表現為漏斗形,其中基坑處水頭最低,秀山站出入口由于距離基坑較近,水位也隨之降低。

圖5 施工過程中的孔隙壓力

降水至坑底后基坑周圍的土體沉降如圖6所示。計算結果表明,降水后基坑位置產生的沉降最大,沉降最大值達到12.5mm。隨著與基坑距離的增加,水位降深逐漸減小,土體沉降也隨之減小。

降水至坑底后圍護樁與1號出入口結構總位移如圖7所示。計算結果表明,圍護樁與1號出入口結構最大位移為1.0mm,說明基坑降水對圍護樁與1號出入口結構影響較小。

圖7 降水至坑底后圍護樁與1號出入口結構總位移

4.2 基坑開挖對支護結構及周邊環境影響

基坑開挖至坑底后基坑周圍的土體水平方向變形如圖8所示,圖8中x軸的正方向指向基坑北側,土體x方向水平位移主要發生在基坑北側和南側,土體y方向水平位移主要發生在基坑西側和東側。基坑北側為放坡支護,坡率為1∶0.9;基坑南側為放坡支護,坡率為1∶0.65;基坑東側采用放坡+錨管的支護形式,坡率為1∶0.25和1∶0.2。計算結果表明:隨著坡率減小,邊坡變形增加。其中,基坑東側水平變形最大,為34.0mm;其次是南側放坡段,水平變形為27.7mm;基坑北側變形最小,為10.2mm。基坑西側采用懸臂灌注樁、灌注樁+1道鋼筋混凝土內支撐的支護形式,基坑開挖到坑底后西側灌注樁的最大水平位移為17.7mm。

圖8 基坑開挖至坑底后土體水平變形

基坑開挖至坑底后周圍的土體沉降如圖9所示。計算結果表明,地表最大沉降出現在基坑東側,最大地面沉降為30.4mm。為對比施工過程中坑外道路的地表沉降變化,在基坑的不同位置上共選取4個剖面進行分析,剖面位置如圖10a所示。基坑開挖至坑底后這4個剖面上的土體沉降情況如圖10b所示,結果表明,在距離基坑邊緣5m范圍內,A—A′和D—D′剖面沉降最小,B—B′剖面次之,C—C′剖面沉降最大,坑外道路地表最大沉降值為23.0mm。

圖9 開挖至坑底后周邊土體沉降云圖

圖10 開挖至坑底后地表沉降曲線

基坑開挖至坑底后基坑圍護樁的水平變形如圖11所示。計算結果表明,在y方向上圍護樁的水平位移最大值約17.7mm,在x方向上圍護樁的水平位移最大值約3.8mm,通過矢量合成后,圍護樁總位移的最大值為17.7mm。

圖11 開挖至坑底后基坑圍護樁水平變形

基坑開挖至坑底后臨近地鐵車站1號出入口結構的水平變形如圖12所示。計算結果表明,開挖至坑底后,1號出入口結構4個側面的墻體均產生朝向基坑一側的變形。結構y方向的水平變形最大值為2.2mm,結構x方向的水平變形最大值為0.4mm,矢量合成結果表明,靠近基坑最近的側墻變形最大,總位移值為2.2mm。

圖12 開挖至坑底后1號出入口結構水平變形

4.3 拆撐對支護結構及周邊環境影響

拆撐后基坑土體的水平變形如圖13所示。計算結果表明,拆撐后土體的變形幅值與基坑開挖到坑底時的結果相差不大。基坑東側水平變形最大,為34.0mm;其次是南側放坡段,水平變形為27.7mm;西側灌注樁最大水平位移為17.7mm;基坑北側變形為10.2mm。

圖13 拆撐后土體水平變形

拆撐后基坑周邊的土體沉降云圖如圖14所示,與圖10a所示剖面位置一致,4個剖面對應的地表土體沉降曲線如圖15所示。計算結果表明,拆撐后,距離角撐位置較近的A—A′剖面的土體沉降有所增長,而其他位置的變形無明顯增長。

圖14 拆撐后的土體沉降云圖

圖15 拆撐后的地表沉降曲線

拆撐后基坑圍護樁的水平變形如圖16所示,拆撐后原支撐所在區域的圍護樁變形隨之增加,變形最大位置由樁身變成樁頂。圍護樁y方向的水平位移最大值為17.7mm,與基坑開挖到底時的變形相差不大。圍護樁x方向的水平位移最大值增加較多,由3.8mm增加至6.1mm。矢量合成結果表明,最大變形值為17.7mm。

圖16 拆撐后基坑圍護樁水平變形

拆撐后臨近地鐵車站1號出入口結構的水平變形如圖17所示。結果表明,隨著基坑支護樁變形增加,1號出入口結構水平位移也隨之增加,其中結構y方向的水平變形由2.2mm增加至3.2mm,結構x方向的水平變形為0.3mm,與基坑開挖到底時相差不大。最大矢量位移由2.2mm增加至3.2mm,最大變形位置位于靠近基坑一側。

圖17 拆撐后1號出入口結構水平變形

5 監測數據分析

利用實際工程的監測數據,選擇圍護結構的4個截面位置分析樁體水平位移,監測數據提取位置如圖18所示。拆撐后基坑圍護樁側向曲線如圖19所示,將數值模擬結果與現場監測數據進行對比,可發現兩者較吻合。數值模擬結果表明,拆撐后,2—2剖面變為懸臂結構,圍護樁最大變形位于樁頂。其中,1—1截面處最大變形為13.0mm,2—2截面處最大變形為6.0mm,3—3截面處最大變形為10.0mm,4—4截面處最大變形為16.0mm。監測數據顯示,拆撐后遠離原支撐位置的1—1′,4—4′剖面變形較大,圍護樁變形值與模擬值接近。

圖18 圍護樁剖面位置示意

6 結語

1)基坑降水對土體沉降影響較小,土體最大沉降位于基坑內,最大沉降值為12.5mm。

2)基坑開挖至坑底后,基坑支護樁最大變形為17.7mm,基坑外道路地表沉降最大值為23.0mm,符合規范控制標準。

3)基坑四周采取不同角度放坡時,隨著坡率減小,邊坡變形增加,施工中需對此位置加強監測。

4)拆撐后,僅臨近角撐范圍內的圍護樁變形略有增長,其他處變化較小。

5)靠近基坑的地鐵車站側墻變形最大,基坑與車站間區域的場地堆載要符合設計要求。