基坑施工對緊鄰地鐵出入口影響分析

李瑞超

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

隨著城市化進程的不斷加快,地鐵作為解決城市交通擁堵的主要手段也隨著迅猛發展,不少城市地鐵線網逐漸成型,在地鐵線網的存在下,后續民建、市政等新建工程不可避免與地鐵存在鄰近和穿越關系,其中基坑鄰近地鐵結構便是其中最為普遍的一種。基坑施工對周圍土體造成擾動,從而會引起鄰近的地鐵車站或隧道結構的位移和變形,給地鐵安全產生影響[1-2]。因此,在基坑施工時要采取各種手段,綜合評估基坑施工對地鐵結構的影響,采取針對性的施工控制措施,保證地鐵安全。目前針對基坑施工對地鐵出入口的影響研究,近年來主要有:唐鵬軍[3]以數值分析手段對鄰近地鐵出入口深基坑支護方案進行了研究及優化,作者認為深基坑施工應遵循分層、限時和先支護后開挖原則,同時以合理的施工組織和嚴格的現場監測,保證地鐵出入口結構安全;宮本福[4]采用數值手段分析了是否考慮既有地鐵圍護結構的2種工況下新建基坑對既有地鐵出入口結構的變形影響,認為圍護結構對于出入口變形控制有利;張鵬[5]分析了基坑開挖施工中臨近車站出入口結構的位移變化規律,研究認為出入口水平位移隨開挖深度的增加逐漸變大,豎向位移在結構頂部遠離和靠近基坑側變化情況不同,靠近基坑側出入口頂部隨著基坑開挖持續增大,遠離基坑側出入口頂部位移有先上升后下降的變化趨勢;閆磊[6]以數值手段分析基坑施工過程對地鐵出入口結構的變形及內力影響,研究顯示出入口變形主要集中于結構臨近基坑側出地面位置。

本文依托合肥某鄰近地鐵的商業中心基坑工程,建立了基坑與地鐵出入口結構的三維有限元模型,分析了基坑開挖、地下室施工及上部建筑物施工3個主要施工階段下出入口結構位移情況。

1 工程概況

合肥市蜀山區長江西路634號地塊項目位于長江西路與懷寧路交叉口(東北角)。項目地塊總體呈長方形,外圍周長約558 m,長約187.0 m,寬約96.0 m,項目占地面積約17 842 m2。項目與軌道交通2號線十里廟站及A號出入口臨近。擬建地下室外墻輪廓線與A出入口結構外邊緣線最近處為1.91 m,部分地下室進入軌道交通10 m嚴格保護區內。

地塊里主要包含兩棟塔樓及裙房:地塊南側塔樓為酒店,共22F—23F,高95.10 m～98.80 m;北側塔樓為公寓,共18F—19F,高81.80 m～85.70 m;裙房為酒店大堂及宴會廳,5F—6F,高度約28.10 m～33.82 m。建筑物采用筏板基礎,基礎在⑩3中等風化巖上,天然地基。

2 基坑圍護結構設計

基坑整體采用排樁+內支撐支護方案,支護具體形式如下:

A-C/D-E段:基坑上部結合原有擋墻采用格構框架梁+鋼管斜撐方案開挖至標高約28.0 m處,下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm,樁長約22.0 m。

J-A/C-D段:基坑上部利用原有擋墻開挖至標高約28.0 m處,下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm,樁長約22.0 m。

鄰近地鐵側的基坑支護斷面(E-G段和G-J段)如圖1所示。

E-G段:基坑上部采用一級放坡,放坡至26.5 m左右,坡比為1∶1.0。下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm/1 400 mm,樁長約19.5 m～22.0 m。

G-J段:基坑上部采用一級放坡,開挖至25.5 m左右,坡比為1∶1.0,并設置鋼管土釘φ48×3.0@1 300 mm,土釘長度約4.5 m。下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 800 mm,樁長約18.5 m。

3 數值計算

3.1 模型概況

三維數值計算模型如圖2所示,模型中基坑與地鐵出入口相對位置關系如圖3所示。模型的計算范圍為202 m×121 m×38 m,模型單元數93 251,節點數81 531。其中,土體模型采用三維塊體單元模擬,樓板、側墻、圍護樁等采用板單元模擬;梁、柱、支撐等采用梁單元模擬。模型地基兩側約束水平位移,底部約束豎向位移。

模型中主要采用C30,C35兩種混凝土模擬基坑及地鐵出入口結構,其中鉆孔灌注樁(圍護)、冠梁、腰梁、支撐采用C30混凝土模擬,A出入口敞開段結構(頂板、底板、側墻)、暗挖1段結構、暗挖2段結構、地下室底板、-1層板、-2層板、地下室頂板及外墻等均采用C35混凝土模擬,其中敞開段、暗挖1段、暗挖2段的示意圖如圖4所示,巖土體計算參數列于表1中。

表1 土體計算參數表

3.2 施工步設置

模擬施工步共有10步,具體設置如下:1)初始地應力場分析,位移清零;2)A出入口施工,位移清零;3)圍護樁及立柱樁施工;4)基坑開挖至第一道支撐底;5)施工第一道支撐,基坑開挖至第二道支撐底;6)施工第二道支撐,基坑開挖至坑底;7)施工地下室3層,拆除第二道支撐;8)施工地下室2層,拆除第一道支撐;9)施工地下室1層;10)施加上部建筑物荷載。

3.3 計算結果與分析

3.3.1 敞開段位移

當上部建筑荷載施加完成后,出入口結構敞開段水平位移及豎向位移云圖如圖5所示。結合施工過程中出入口結構敞開段位移變化情況可知:1)基坑施工至坑底時,敞開段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.5 mm,4.3 mm,-0.8 mm,敞開段位移隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大,Y向水平位移遠大于其他方向位移,即主要向基坑方向移動;2)地下室施工完成后,敞開段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.6 mm,6.1 mm,-1.3 mm,相對于開挖階段,Y向水平位移增幅大于其他方向位移,即地下室施工對敞開段Y向水平位移影響仍然較大;3)施加上部建筑物荷載后,敞開段三向位移有所增大,但變化幅度很小,上部建筑物施工對出入口敞開段產生的影響小。

3.3.2 暗挖段位移

由于空間位置關系,暗挖2段距離基坑比暗挖1段遠,受基坑開挖影響小,數值分析結果也驗證了這一結果。當上部建筑荷載施加完成后,出入口結構暗挖1段水平位移及豎向位移云圖如圖6所示。

結合施工過程中出入口結構暗挖1段位移變化情況可知:1)基坑施工至坑底時,暗挖1段的X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.4 mm,0.6 mm,0.5 mm,三向位移差異較小。其中暗挖1段Y向水平位移遠小于敞開段,原因是距離基坑較遠,施工效應影響小;2)地下室施工完成后,暗挖1段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.5 mm,0.8 mm,0.5 mm,相對于基坑開挖階段位移變化不明顯;3)施加上部建筑物荷載后,暗挖1段三向位移在0.1 mm內變化,上部建筑物施工對出入口結構暗挖段非常小。

3.4 位移控制效果

綜合考慮項目實際情況,根據《合肥市軌道交通條例》要求,參考《城市軌道交通結構安全保護技術規范》中的要求,提出基坑工程對軌道交通影響安全性評價報告的計算分析控制標準,A出入口結構水平位移、豎向位移的控制值為10 mm。

不同工況下出入口結構位移計算結果列于表2中,基坑及結構施工過程中,出入口結構最大水平位移為6.3 mm,最大豎向位移為1.5 mm,出入口結構位移均在控制標準內,但已超控制值的60%,因此,在實際施工過程中,需要對水平位移加強監測,及時進行施工調整,從而達到信息化控制的目的。

表2 不同工況下出入口結構位移計算結果 mm

3.5 裂縫驗算

對于明挖段,各工況最大彎矩184×1.5 kN·m,配筋E25@250,配筋面積3 273 mm2,最大裂縫寬度0.054 mm;對于暗挖1段,各工況最大彎矩81.3×1.5 kN·m,配筋E22@100,配筋面積3 801 mm2,最大裂縫寬度0.062 mm;對于暗挖2段,各工況最大彎矩190.1×1.5 kN·m,配筋E25@100,配筋面積為4 909 mm2,最大裂縫寬度0.061 mm。根據結構抗裂驗算結果,基坑及結構施工對出入口結構影響較小,各工況下裂縫控制均滿足規范要求。

4 結語

建立了臨近地鐵出入口的深基坑施工的三維有限元模型,基于數值分析結果,分析了不同位置處出入口位移變化規律,研究結論如下:

1)地鐵出入口結構敞開段和暗挖段水平位移和豎向位移及裂縫均滿足控制標準,表明緊貼的基坑及結構施工對地鐵的影響處于可控狀態,但安全余量不足,因此需加強信息化監測,并及時反饋現場施工。2)敞開段受基坑及結構施工影響最為明顯,基坑開挖、地下室施工引起的出入口敞開段Y向水平位移占總位移的68.25%和28.57%,基坑開挖是出入口位移控制的關鍵階段。3)出入口敞開段位移呈現層狀分布狀態,越靠近地表的位置上位移越大。因此敞開段的位移監測布置建議結合位移分布特征適當加密測點。