強透水層深基坑施工對緊鄰地鐵車站影響分析*

方能榕,高 潔,余國梁,吳劍秋,林志龍,陳宇新

(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)

0 引言

隨著城市的發展和建設,城市高層和超高層建筑集中開發區域往往也是城市軌道交通線網密集地帶,基坑工程都在往深、大、長的方向發展,由基坑工程施工誘發的周圍環境問題頻發,其引起的鄰近地鐵隧道結構變形將會嚴重影響地鐵結構安全和運營穩定性[1]。

基坑工程是涉及諸多學科的系統工程,包含支護結構設計與施工、地下水控制、土方開挖與回填等多項內容,這其中某一環節出現問題都會對施工進度、周邊環境甚至人員安全等造成影響[2]。針對基坑開挖施工對鄰近隧道的影響,學者們采用理論計算、模型試驗及數值模擬等手段對此展開了研究,如張治國等[3]基于Pasternak地基模型提出雙基坑開挖引起鄰近既有隧道縱向變形的兩階段簡化分析方法,該簡化解析法精度較高且計算簡便。閆旭麗等[4]推導了既有盾構隧道在鄰近基坑開挖卸荷作用下周圍土體中各點應力路徑演變規律,得到基坑施工對既有隧道周圍土體應力的擾動程度、擾動范圍及安全程度。張玉偉等[5]設計了非對稱荷載作用下基坑卸載、再卸載對既有隧道影響的離心試驗,深入研究了基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響。基于前人的研究,基坑開挖對鄰近地鐵隧道帶來的影響可以分為兩方面,一方面由于坑內土體開挖卸載使圍護結構及周邊土體發生變形,進而導致緊鄰地鐵結構隨土體發生變形;另一方面,由基坑的開挖直接引起緊鄰結構的變形和破壞[6-7]。

基坑工程另一個重要內容是地下水控制。基坑降水會對周邊環境產生影響,一方面是降水引起地層有效應力的增加使地層發生固結沉降[8];另一方面是滲流作用,水體流動帶動土體細顆粒的運移,使原有地層微觀孔隙和土骨架結構發生改變,從而令局部地層發生變形[9-11]。針對基坑降水帶來的問題,周勇等[12]以蘭州地鐵1號線某車站基坑支護工程為背景,借助有限元軟件ADINA全面分析了基坑開挖降水過程中地下管道的位移,分析結果表明,車站深基坑開挖及降水對地下管道的位移有顯著影響。陳永才等[13]分析了基坑降水對周邊環境產生影響的原因,尤其是對承壓水問題,著重分析了隔斷承壓水的設計,并提出相應問題的處理方案。對于基坑降水引起的滲流問題,孫文娟等[14]建立了三維有限元分析模型,充分研究了上海浦東新區某基坑工程開挖降水過程中地下水位、土體滲流場的變化及坑內外地面沉降。趙明[15]利用FLAC3D有限差分分析程序,基于流固耦合功能模擬了基坑開挖降水的三維流固耦合作用,得到基坑周圍建筑物在不同工況下的相關沉降規律。

綜上所述,本文以福建省內某防洪排澇深基坑工程為背景,利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維模型模擬基坑施工工況,分析該基坑工程施工全過程對鄰近已建地鐵車站結構的影響,針對基坑工程施工帶來的問題,提出針對性的技術控制措施,以期為福建省類似基坑工程施工提供工程經驗和理論指導。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某工程為新建防洪排澇深基坑工程,建設內容包含涵洞豎井、排水箱涵、排澇泵站和水閘,項目位置關系如圖1所示。根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》對工程外部作業影響等級的判定,新建1號排水箱涵和水閘基坑的施工對地鐵車站結構的影響為特級,因此,本文利用有限元軟件PLAXIS 3D,全面分析該防洪排澇深基坑工程施工對緊鄰地鐵車站結構的影響。

1.2 基坑支護情況

該深基坑工程以既有地鐵排水箱涵作為銜接段,左側銜接新建1號排水箱涵,右側銜接新建水閘,銜接處采用水泥攪拌樁加固,樁底位于中砂層,與已建地鐵排水箱涵頂板的距離約0.5m,基坑具體支護結構如圖2所示。

圖2 地鐵箱涵銜接段基坑支護

新建1號排水箱涵基坑支護橫斷面如圖3所示,基坑為長條形,長約50m,寬約14.0m,開挖高度約11.5m。基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+3道鋼支撐,坑底采用水泥攪拌樁進行加固,側壁設置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

圖3 新建1號排水箱涵基坑支護橫斷面(單位:cm)

新建水閘基坑支護橫斷面如圖4所示,基坑長29.1m、寬19.2m,基坑開挖高度13.5m。基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+3道內支撐,坑底用高壓旋噴樁進行加固,側壁設置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

1.3 基坑降水設計情況

本工程地下水埋深0.3～3.0m,場地內均分布透水性強的砂、砂卵石層,地下水水量較豐富,各砂土層為地基主要的含水層,因此,在基坑開挖過程中,為了防止失穩、坑底隆起、管涌等問題,布置6口降水井使地下水位降至低于開挖面,同時設置9口回灌井,避免由于基坑內水位不均勻下降引起周邊地基土不均勻沉降,具體布置如圖5所示。

圖5 基坑降水井及回灌井平面布置

2 分析模型建立

2.1 模型邊界條件及參數取值

模型邊界條件為:①本構模型方面各土體均采用硬化土模型。其中,對應硬化土模型,基于工程經驗,對于軟土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1.5∶8,對于黏土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶5,對于砂土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶3;②計算中不考慮地層的次固結及蠕變沉降;③考慮到地鐵箱涵銜接段未完全封閉,且地層為透水的中砂層,數值模擬中考慮基坑內一次性降水至坑底以下0.5m,水位最高下降7.1m,坑外水位下降2m;④根據工程實際需要,既有車站結構兩側基坑開挖和回填同步進行;⑤模型結構中,基坑鉆孔灌注樁、鋼板樁及車站結構等均采用板單元,角撐、內支撐、立柱采用梁單元,水泥攪拌樁采用實體單元,車站下方工程樁采用樁單元(見表1～3)。

表1 巖土參數取值

表2 材料參數

表3 結構參數及強度等級

2.2 建立模型

采用PLAXIS 3D軟件進行建模分析,模型如圖6所示,模型尺寸為212.0m×128.0m×64.3m。模型計算主要針對防洪排澇工程基坑降水、開挖、水位恢復及通水階段對緊鄰地鐵車站結構的影響。

圖6 數值模型

2.3 施工工況

根據工程設計,新建防洪排澇工程的施工工序如下:①初始工況 生成車站結構、地鐵排水箱涵;②工況1 箱涵、水閘基坑側壁支護施工;③工況2 基坑內降水7.1m,坑外水位下降2m;④工況3 箱涵、水閘基坑施加第1道內支撐;⑤工況4 箱涵、水閘基坑開挖第1層土;⑥工況5 箱涵、水閘基坑施加第2道內支撐;⑦工況6 箱涵、水閘基坑開挖第2層土;⑧工況7 箱涵、水閘基坑施加第3道內支撐;⑨工況8 箱涵、水閘基坑開挖至坑底;⑩工況9 拆除第3道內支撐;工況10 拆除第2道內支撐;工況11 拆除第1道內支撐;工況12 水位恢復至8.000m;工況13 箱涵、水閘通水。

3 模擬結果分析

3.1 車站結構位移變化

數值模擬的位移數據如表4所示。由于篇幅限值,提取工況2,4,6,8,12,13車站結構z方向的位移云圖,如圖7所示。

表4 車站結構位移累計值

圖7 車站結構z方向位移變化

模擬結果表明:

1)對比分析所有施工工況車站結構的位移變化情況可知,基坑施工過程中,基坑降水、開挖卸載及水位恢復對緊鄰地鐵車站結構的位移影響較大。

2)車站結構兩側基坑及周邊地表降水時(工況3),車站結構位移發生較大變化,其中z方向沉降值達到-10.53mm,與上一工況相比,增量達9.41mm。這說明基坑及周邊地表降水后,土中的孔隙水壓力減小,土體的有效應力增大,使得土體產生固結壓密現象,進而加大對緊鄰車站結構的豎向作用,因此降水主要引起緊鄰車站結構發生豎向沉降,對水平位移的影響較小。

3)對比工況4,6,8的位移數值可知,基坑在逐步開挖過程中,緊鄰的地鐵車站結構水平位移較小,z方向的位移值從-8.57mm到-5.69mm,車站結構呈隆起趨勢,說明基坑開挖卸載,基坑土體發生回彈變形,銜接處的車站結構由于土壓力的卸荷作用,產生隆起現象。

4)工況12為基坑通過回灌水位恢復至8.000m的模擬結果,相比于工況11,車站結構沉降值減小4.02mm,說明基坑回灌可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結構發生沉降。

5)工況13模擬了防洪排澇深基坑工程施工完成后,新建排水箱涵、水閘及既有地鐵箱涵通水運營情況,模擬結果表明,加上水壓力后,車站結構的位移變化量在1mm內,說明防洪排澇工程運營期間對既有車站結構的影響較小。

3.2 軌道高差分析

提取車站軌道豎向位移(見圖8),計算結果如表5所示。既有左、右線軌道高差(矢度值)最大值發生在地鐵箱涵銜接段,最大值分別為1.85,1.11mm,均小于CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》要求的4mm;既有左、右線軌道橫向高差分別為1.06,1.03mm,小于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》要求的4mm。

表5 分析計算變形量

圖8 軌道豎向位移

4 基坑施工控制措施

本防洪排澇深基坑工程緊鄰既有地鐵車站,施工作業條件和施工工序復雜,由數值模擬得到該工程施工時基坑降水、開挖卸載及水位恢復對鄰近結構的影響較大,建議施工過程中采取以下措施。

1)大面積的基坑降水使周圍土體產生固結壓密現象,引起緊鄰車站結構發生較大豎向沉降,基坑降水應按需進行分步降水。施工過程中需加強坑外水位監測,控制坑外水位變化≤1m,必要時增設回灌井。回灌井應根據降水影響范圍和周邊建(構)筑物的位置進行布置,對于變形敏感或重要性等級較高的建(構)筑物應增設回灌井。

2)項目基坑為長條形,基坑深度較大,基坑開挖卸載時引起土體發生回彈變形,銜接處的車站結構由于土壓力的卸荷作用,產生隆起現象,為了避免大面積卸荷和大面積降水引起地鐵設施變形過大,建議基坑開挖時分段實施和間隔開挖,建議分段開挖長度≤30m。

3)防洪排澇深基坑工程與地鐵排水箱涵銜接處采用水泥攪拌樁進行加固,并設置注漿導管對箱涵頂板上方進行封閉,該處地層為中砂層,建議基坑施工前進行注漿試驗,基坑開挖前應試降水,測試基坑封閉情況。

4)既有車站結構兩側基坑應嚴格按同期實施的要求,基坑開挖和回填同步進行,且兩側土體開挖、回填高差建議控制在2m內。

5 結語

1)基坑施工全過程中,大面積的基坑降水會使土中的孔隙水壓力減小、有效應力增大,緊鄰車站結構發生較大豎向沉降。通過回灌井使水位恢復可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結構發生沉降。

2)基坑在逐步開挖過程中,緊鄰的地鐵車站結構由于土壓力卸荷作用,車站結構豎向位移呈隆起趨勢,產生隆起現象。基坑開挖對車站結構的水平位移影響較小。

3)根據工程設計資料,基于數值模擬結果,結合基坑施工過程中可能遇到的問題,建議采取相應的技術措施以控制基坑施工對緊鄰地鐵車站的影響,確保既有結構安全及正常運營。