建筑基坑支護工程施工階段對地鐵影響的預評估

陳金培,江俐敏

(深圳市基礎工程有限公司,廣東 深圳 518040;2.武漢職業技術學院建筑工程學院,湖北 武漢 430074)

隨地下空間的開發,地鐵逐漸成為城市交通主流,地鐵受周圍巖土體應力環境影響較大,尤其是附近的建筑基坑支護施工中不可避免會對地鐵帶來的系列影響[1]。為了避免基坑支護工程施工中對地鐵產生不利影響,一般應進行相應的評估[2]。評估常采用的方法有數值分析、理論計算和現場監測分析等[3-5],這些方法在支護工程施工階段對地鐵影響分析較為合理,也得到了廣泛的應用。劉賀等[6]采用數值分析軟件FLAC3D模擬基坑開挖全過程,通過計算結果完成了基坑開挖過程中地鐵隧道的安全評估,并分析了基坑土體分層開挖及坑外降水對臨近地鐵隧道的影響;麻鳳海等[7]以青島某鄰近地鐵基坑施工項目為例,對基坑開挖和主體結構施工工況進行模擬分析,得到不同施工步驟下地鐵隧道的位移變化情況和受力狀況;宋永彬[8]運用數理統計分析方法對不同因素下地鐵隧道的最大豎向變形及水平變形進行敏感性分析;孔俊強[9]分析了雙排樁支護深基坑工程對鄰近地鐵隧道結構安全的影響,得到了相應工況下隧道結構的變形及受力規律;胡俊濤等[10]對基坑開挖過程中,鄰近隧道會產生相應的位移,考慮基坑與隧道的豎向和水平位置關系對擬合結果的影響,分組擬合進行分析。基于系列影響研究,徐長節等[11]針對基坑相鄰地鐵隧道變形與應力提出了系列控制措施。

結合坪山沙湖社區“整村統籌”土地整備項目留用地12號地塊項目的工程條件、基坑工程設計以及基坑工程施工方案,擬采用數值分析和理論計算方法,對基坑支護、開挖過程等工況進行模擬,分析基坑開挖的各個工況對城市軌道交通設施的影響。

1 工程概況

1.1 工程概況

本項目總用地面積為81 700 m2,總建筑面積為620 000 m2。其中有三層地下室。擬建場地現狀為荒地,地形較為平坦。北側為坪山河,東側為錦龍大道。南側為坪山大道(下設地鐵14號線在建,已完成隧道施工,距離基坑支護邊線約8.46～24.6 m,軌道頂結構距現狀地面約28.1 m)。西側為內部道路,對面為4～5層框架結構建筑。基坑周長約1 258 m,面積約70 980 m2,深度為12.5～15.26 m。

基坑開挖揭露土層主要為素填土、雜填土、粉質黏土、粗砂、礫砂、全風化砂巖。

臨近地鐵側基坑開挖深度約14.1 m,采用φ1.2 m@1.8 m葷素咬合樁和2道混凝土水平內支撐或 2道斜拋鋼支撐支護。

1.2 工程地質條件

根據工程地質勘察報告資料,現場地形地貌和場地水文地質條件如下所述。

(1)地形地貌。

項目場地位于坪山中心區,場地原始地貌為沖洪積平原,現狀為荒地,地形較為平坦。實測場地高程介于40.80～45.60 m,平均高程為43.20 m。根據鉆探揭露結果,場地內各土層的巖性特征自上而下如下。

①人工填土層(Qml)。

雜填土(1-1):主要由碎混凝土塊、碎磚等組成,黏性土及少量砂土充填;素填土(1-2):主要為黏性土,夾多量砂巖強-中風化碎塊。分布于場地大部分地段,基本完成自重固結。

②第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)。

淤泥質粉質黏土(2-1):土質較均勻,黏性較好,該層場地僅JK1、JK4有分布;粉質黏土(2-2):中等壓縮性,局部含粉、細砂,該層場地局部地段有分布;粗砂(2-3):分選性較好,級配不良,該層在場地內局部有揭露。

③第四系上更新統沖洪積層(Q3al+pl)。

粉質黏土(3-1):切面稍有光澤,壓縮性中等;礫砂(3-2):主要成分為石英,分選性差,級配不良。

④第四系殘積土層(Qel)。

粉質黏土(4):由下覆粉砂巖風化殘積而成,壓縮性中等,該層場地大部分地段均有分布。

⑤石炭系下統大塘階測水組(C1c1)砂巖。

全風化粉砂巖(5-1):風化裂隙極發育,巖芯呈堅硬土柱狀,遇水易軟化;強風化粉砂巖(5-2):巖石風化強烈,組織結構已部分破壞,遇水易崩解。

(2)場地水文地質條件。

場地勘察期間測得水面標高在35.80～38.60 m,水位變化幅度約為3 m。河道按百年一遇洪水水位設防。

場地地下水分為第四系孔隙水及巖溶裂隙水。孔隙水主要賦存于第四系人工填土層,粉、細砂,礫砂,全風化巖層中;其次賦存在沖洪積粉質黏土和第四系殘積層中。其中粉質黏土、殘積土為弱透水性;素填土,粉、細砂,全風化層為弱-中透水性;礫砂層為強透水層。

2 評估方法及依據

針對上述問題,結合實際工程條件、基坑工程設計以及基坑工程施工方案,通過有限元方法和理論計算,對基坑支護、開挖過程等工況進行模擬計算,給出基坑開挖的各個工況對城市軌道交通設施的影響,提出分析評估為工程決策提供依據。

2.1 評估方法及內容

采用水土合算三維有限元數值分析,綜合水土合算三維有限元數值分析結果,得到基坑開挖對周邊環境的影響。

(1)分析和整理場地地質資料和基坑支護設計資料,調查下穿隧道結構的建設情況,明確基坑開挖對地鐵的主要影響因素。

(2)通過三維空間有限元數值模擬計算,分析基坑在每個施工工況時基坑變形、地鐵結構的變形和附加應力情況,并判定地鐵結構累積變形是否在允許范圍內。

(3)根據所有計算分析結果,得出評估結論并提出來優化建議。

2.2 評估依據

評估依據主要包括深圳市管理性條例和管理辦法,《坪山沙湖社區“整村統籌”土地整備項目留用地12號地塊項目基坑》相關工程設計成果及技術文件,地鐵設計圖紙,業主提供的地形圖,中華人民共和國國家標準、行業標準。

根據深圳市地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法的相關標準,地鐵監測項目的控制標準如下。

(1)軌道安全控制指標。

運營線路軌道靜態尺寸容許變形值:軌道高低、軌向變形<4 mm/10 m;兩軌道橫向高差<4 mm;三角坑高低差<4 mm/18 m;扭曲變形<4 mm/6.25 m;軌距+3 mm,-2 mm;道床脫空量≤5 mm。

(2)完成鋪軌后才開始施工的地鐵設施安全控制指標參照運營安全保護區工程的指標執行,其控制指標標準如表1所示。

表1 車站及隧道結構安全控制指標標準值

3 基坑開挖對鄰近地鐵的數值分析

3.1 三維有限元計算模型幾何尺寸

由于項目基坑支護與地鐵相關的區域主要在南側,即東西兩個角撐和中間斜拋撐。因此,本次數值分析針對角撐和斜拋撐區域進行數值分析。

基坑開挖深度為14.1 m,模型中土體采用實體單元,模型整體尺寸為420 m×100 m×40 m。

3.2 地層分布情況

將基坑4-4剖面圖的地質鉆孔JK-22作為本項目區域的典型地層分布,部分土層厚度根據建模要求進行了簡化,土層厚度如表2所示。

表2 土層厚度

3.3 本構模型及計算參數

在土工有限元分析中,擬建項目基坑的圍護結構采用等效抗彎剛度的板單元代替,地鐵隧道襯砌采用線彈性板單元。各結構構件相關參數如表3所示。

表3 結構構件相關參數

根據土層性質的特點,土質材料選用小應變土體硬化模型,其中部分參數通過經驗分析進行了調整,具體參數如表4所示。

表4 土體材料相關參數

3.4 邊界條件及荷載

在模型中,四周水平方向均對x、y方向設置固定約束,底部設置固定約束。為了模擬水平混凝土支撐立柱和斜拋鋼支撐支座,采用固定點對桿件進行約束。整個模型僅添加自重應力,場地初始豎向應力場為土體自重通過計算獲得,通過地應力平衡計算后,重置位移,其詳細步驟如下。

第一步:地應力平衡。

模型為均勻土層,無激活任何結構,最大值為0.112 kN/m2,最小值為-377.8 kN/m2土層的自重應力為均勻分布,且符合理論計算結果。

第二步:激活地鐵隧道和支護樁。

該施工步將隧道、支護樁激活,并將隧道內土體凍結。利用Plaxis的重置位移功能,圖中土體最大位移為0.389 5 mm,可以認為將土體位移已經歸零,此時隧道襯砌具有初始應力,但位移為零。該施工步是模擬基坑未開挖時的初始場地狀態。

第三步:基坑開挖至2.5 m深度。

該施工步是模擬基坑開挖至2.5 m深度的工況,此時施工第一道角撐,圖中土體最大位移為6.351 mm。

第四步:逐層開挖至基坑底14.1 m深度。

該施工步是模擬基坑開挖至14.1 m深度的工況,此時2道角撐已經施工完成,開挖至基坑底標高,并且在斜拋鋼支撐區域預留土臺,土體最大位移為44.2 mm。

第五步:第一道斜拋鋼支撐,挖除反壓土至8.3 m深度。

該施工步是模擬角撐區域已經開挖至基坑底標高后,施工第一道斜拋鋼支撐,并挖除第一道斜拋鋼支撐下的預留土,土體最大位移為49.86 mm。

第六步:施工第二道斜拋鋼支撐,挖除反壓土至坑底。

該施工步是模擬施工第二道斜拋鋼支撐之后,挖除第二道斜拋鋼支撐下的預留土。至此整個基坑大開挖至14.1 m深度,基坑開挖完畢,土體最大位移為74.58 mm。土體最大側向位移為50.26 mm;最大沉降為21.15 mm,均在斜拋鋼支撐的支護樁頂附近。

支護樁最大側向位移處在斜拋鋼支撐的支護樁頂附近,為49.8 mm。地下水滲流最大值為38.10 m/d。

4 計算結果與分析

由于本評估主要是分析基坑開挖對地鐵隧道的影響,最后一個施工步開挖至14.1 m時,隧道襯砌的側向位移最大值為2 mm,豎向沉降為1.7 mm。

5 結論和建議

5.1 結論

(1)擬建項目基坑與地鐵隧道最近距離為8.4 m,雖然距離地鐵較近,但地鐵隧道埋深28.1 m,位于全風化砂巖土層,地鐵隧道最大側移為2 mm(地鐵允許變形值為10 mm)。

(2)由于地鐵隧道埋深28.1 m,基坑開挖深度為14.1 m,因此地下水變化對地鐵影響較小,地鐵沉降最大值為1.7 mm(地鐵允許變形值為10 mm)。

(3)基坑支護方案滿足現行地鐵安全變形控制要求。

5.2 建議

(1)本項目基坑重點在于加強地鐵隧道的監測,避免因其變形過大,導致管片開裂漏水等問題。

(2)施工過程中應加強監管和控制,嚴禁超挖。嚴格控制通道的變形,并保證臨近地鐵隧道的安全,控制變形在規范允許的范圍。按《監控量測標準控制要求》嚴密監測隧道結構的變形和線路狀態,確保運行安全,也為安全性分析和線路的檢測維修提供依據。

(3)施工監測應參考本報告的分析結果,對地鐵的隧道區間結構進行布點監測,建議對地鐵隧道的位移和沉降、地鐵隧道周邊場地布置底面沉降監測點和水平監測點、軌道面的沉降和變形、線路的平順性以及線路的三角坑等內容進行監測。