地塊基坑施工對地鐵車站及區(qū)間的環(huán)境影響分析

陳連偉

摘要 文章以南通中南地塊鄰近南通地鐵1號線施工為背景，對地塊圍護方案提出改進措施，采用Midas GTS NX軟件模擬了地塊基坑施工的全過程，通過數(shù)值模擬分析了基坑施工引起的地表變形、車站變形以及區(qū)間變形，根據(jù)變形規(guī)律提出相應(yīng)的措施以及建議。

關(guān)鍵詞 基坑施工；鄰近地鐵；變形；數(shù)值分析

中圖分類號 TU755文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0041-04

0 引言

隨著大中型城市地鐵線網(wǎng)的不斷成熟，城市交通壓力得到有效緩解；在城市發(fā)展過程中，不可避免地會出現(xiàn)鄰近地鐵保護區(qū)的地塊開發(fā)項目。如何降低地塊施工對已經(jīng)運營地鐵的影響，針對此問題，國內(nèi)外許多學者已進行深入研究[1-5]，該文以南通中南地塊項目鄰近地鐵1號線施工為例，對地塊圍護方案提出改進措施，通過數(shù)值計算，對周邊地表、地鐵車站及區(qū)間變形進行預測。

1 工程概況

南通市中南地塊項目，位于南通中央商務(wù)區(qū)西北角地段，工農(nóng)南路以東，崇川路以南，項目包括A01-1、A02A和B01三棟塔樓及三層地下室，基坑開挖面積約54 700 m2，基坑周長約1 300 m，擬建工程所處平面位置如圖1所示。

塔樓A01-1、A02A、B01的基礎(chǔ)形式擬采用樁筏基礎(chǔ)（鉆孔灌注樁+筏基）。地庫下采用筏形基礎(chǔ)，塔樓A01-1、A02A地上總高均為190 m，塔樓B01地上總高約為274.8 m。

中央商務(wù)區(qū)站位于崇安路與崇文路之間，沿崇川路東西向布置。中央商務(wù)區(qū)站為12 m島式站臺地下二層車站，車站凈長469 m，凈寬19.3 m。車站為地下二層島式站臺車站，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為二跨二層鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)（局部三跨）。端頭井基坑開挖深度為19.3 m。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)概況

擬建場地地基土以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂為主，為一套第四系海陸交互相（三角洲相）松散堆積物。該場區(qū)在鉆探120.5 m深度范圍內(nèi)自上而下可分為填土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂夾粉土、粉細砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉細砂夾粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土八個工程地質(zhì)層。其中層①為人類活動擾動層，層②～層⑧為第四紀全新統(tǒng)長江 河口相沖（淤）積層，各層土物理力學參數(shù)見表1。

2.2 水文地質(zhì)概況

建筑場地位于長江三角洲沖積平原富水亞區(qū)。根據(jù)勘察及調(diào)查結(jié)果，場地上部地下水類型為孔隙潛水，賦存于場地②～⑧層土中，主要補給來源為大氣降水及區(qū)域水系，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)及側(cè)向徑流，水位變化與季節(jié)氣候有明顯影響，水量較豐富。勘察場地因相鄰工程施工降水，地下水位降深較大。場地如無人工干預，水位在地面下1 m左右，豐水期可近地面。據(jù)調(diào)查，歷年最高地下水位2.8 m（標高），地下水位年變化幅度為1.5 m左右。

場地下部微承壓水含水層為⑥、⑦層土，其透水性和富水性較好，⑤層屬相對隔水層。勘察期間，測得承壓水水頭標高為?3.2 m左右。

3 針對原圍護方案設(shè)計的改進

為了加強對地鐵結(jié)構(gòu)的保護，降低地塊基坑施工過程中對地鐵車站及區(qū)間產(chǎn)生的變形影響，采取調(diào)整基坑輪廓、調(diào)整基坑分區(qū)開挖方案、增加地塊基坑圍護結(jié)構(gòu)剛度等措施，具體改進后的基坑設(shè)計方案如下。

（1）對基坑輪廓進行調(diào)整，使中南地塊基坑區(qū)域退出地鐵特別保護區(qū)范圍，原方案中槽壁加固距離車站地墻最近距離為7.6 m，調(diào)整后方案距離車站地墻最近距離為11.5 m，改進后的方案見圖2。

（2）根據(jù)后期對接結(jié)果，中間道路區(qū)域不開挖，道路將基坑分割為東西兩個區(qū)域。將整個中南地塊基坑分為8個小基坑開挖，先開挖西側(cè)遠離地鐵車站的1～5號基坑，再施工東側(cè)6號基坑，最后施工鄰近地鐵車站的7號基坑，如圖2所示。

（3）基坑分區(qū)需設(shè)置止水帷幕，鄰地鐵側(cè)的止水帷幕需確保隔斷4層粉砂層（中間分區(qū)東西及北側(cè)均需隔斷4層粉砂層），進入5層土不少于1.5 m；B01塔樓東側(cè)止水帷幕長度應(yīng)與塔樓北側(cè)圍護長度相同，插入不透水層。

（4）北側(cè)鄰地鐵區(qū)間小基坑，距離區(qū)間50 m范圍內(nèi)的鋼支撐均采用軸力伺服系統(tǒng)。

（5）鄰區(qū)間隧道50 m范圍內(nèi)、車站與區(qū)間接口對應(yīng)地塊基坑范圍，基坑設(shè)置坑內(nèi)抽條加固措施。

4 數(shù)值計算

考慮基坑開挖施工過程的復雜性，采用Midas GTS NX巖土專業(yè)有限元分析軟件建立三維模型，模擬基坑開挖、降水、回筑和上部結(jié)構(gòu)施工對相鄰地鐵車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。并提供參考性建議以降低對區(qū)間隧道的影響。

數(shù)值模擬過程中，為了盡可能達到與實際相符的計算環(huán)境，需要對地層及結(jié)構(gòu)進行部分簡化和處理，以適應(yīng)計算理論和軟件，該次計算基本假定包括：

（1）初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。

（2）所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，土體水平成層分布。

（3）圍巖按修正摩爾—庫倫理想彈性材料考慮，車站結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、支撐、隧道管片均為均質(zhì)彈性材料。

（4）雙排樁、鉆孔灌注樁的圍護結(jié)構(gòu)按照抗彎剛度等效為對應(yīng)厚度的地墻進行模擬，有利于節(jié)點耦合及分析計算。

（5）管片之間的連接不作考慮，只作為整體進行簡化分析，對管片剛度進行等效折減。

（6）機械荷載不考慮機械在運作過程中產(chǎn)生的振動荷載。

4.1 有限元模型建立

該次建模過程中，土體采用實體單元建模，其物理力學參數(shù)參照《南通中央商務(wù)區(qū)A01-1樓、A02-B樓及周邊地下室?guī)r土工程勘察報告》。模型本構(gòu)關(guān)系選用修正摩爾—庫倫模型。

用板單元模擬地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁。在程序中使用板單元模擬圍護樁，板單元厚度使用剛度等效法確定，用下式進行計算：

式中，L——灌注樁間距；h——等效后的板單元厚度；d——灌注樁直徑。

混凝土支撐、系梁、鋼支撐、地下室結(jié)構(gòu)梁柱均采用梁單元模擬，頂?shù)装寮皞?cè)墻采用相應(yīng)厚度的板單元模擬。盾構(gòu)區(qū)間的管片采用0.35 m厚的板單元模擬，在管片與土之間設(shè)置接觸單元。

整個三維模型尺寸為422 m×162 m×116 m（高），共計401 371個單元。模型四周土體邊界采用法向位移約束，底部全固定約束。有限元模型如圖3和圖4所示。

模型荷載：主要為自重+活載，各層地下室結(jié)構(gòu)回筑完成時的荷載，為8 kPa。地面超載20 kPa。塔樓結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計方提供的計算結(jié)果，A01-1及A02塔樓每層平均荷載準永久組合值為20.3 kPa，B01塔樓每層平均荷載準永久組合值為25.8 kPa。

基坑開挖、地下室回筑及塔樓施工階段計算工況見表2。

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1 基坑開挖引起的地表沉降分析

僅顯示開挖完成后剩余地層單元，提取基坑最終開挖完成時，坑邊土體及坑內(nèi)土體的位移數(shù)值來研究整個施工過程中的位移場。計算結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可知，鄰近地鐵車站一側(cè)，地面最大沉降為9.4 mm，最大側(cè)向變形為9.8 mm；鄰近區(qū)間一側(cè)區(qū)域，地面最大沉降為7.9 mm，最大側(cè)向變形為7.4 mm。

從計算結(jié)果可知，采取相應(yīng)措施后，有效地減小了鄰近地鐵車站及區(qū)間地層的豎向及水平位移。

4.2.2 基坑開挖對車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響

提取各節(jié)點工況下車站和區(qū)間最大變形位置的數(shù)值，在地塊基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)回筑施工過程中，中央商務(wù)區(qū)站、世紀大道站～中央商務(wù)區(qū)站區(qū)間產(chǎn)生的位移如圖7和圖8所示。

地塊基坑回筑完成時，中央商務(wù)區(qū)站鄰近基坑一側(cè)受坑底土體卸載回彈的影響，產(chǎn)生上浮，當基坑開挖至坑底時，最大上浮量為1.528 mm。由于A01-1和A02A塔樓相距地鐵車站較遠，施工完成時，對中央商務(wù)區(qū)站產(chǎn)生的沉降影響較小；由于B01塔樓距離中央商務(wù)區(qū)站較近，所以在B01施工過程中，中央商務(wù)區(qū)站產(chǎn)生明顯的沉降，最終沉降值為7.131 mm。

同時，地下室開挖回筑過程中，地鐵車站產(chǎn)生指向地塊基坑內(nèi)的側(cè)向變形，隨著施工的進行，側(cè)向變形逐漸增大，塔樓B01施工完成時，中央商務(wù)區(qū)站產(chǎn)生的最終車站的側(cè)向位移為6.3 mm。

基坑開挖回筑過程中，由于坑底土的卸載回彈，地下室開挖回筑完成時，鄰近地塊基坑區(qū)域的隧道略有上浮，最大上浮為0.461 m，此時隧道產(chǎn)生的水平位移為2.501 mm，大于豎向位移。隨著塔樓的施工，隧道沉降逐漸增大，水平位移也逐步增大，B01塔樓施工完成時，隧道最終沉降為5.221 mm，最終水平位移為4.2 mm。

從計算結(jié)果可知，采取相應(yīng)措施后，地鐵車站及區(qū)間的豎向、水平位移被控制在變形控制標準以內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

通過計算分析，南通中南置地A01-1、A02A、B01地塊建設(shè)項目對中央商務(wù)區(qū)站、世紀大道～中央商務(wù)區(qū)站區(qū)間影響分析結(jié)論如下：

由于中南地塊建設(shè)時序在后，按照最不利的形勢考慮地鐵的建設(shè)風險，對中南地塊及地鐵車站、區(qū)間進行了建模分析。計算結(jié)果表明，按照目前的設(shè)計方案，在采取了有效措施后，中南地塊的建設(shè)對已建地鐵設(shè)施的影響較小，地鐵設(shè)施的位移在設(shè)計容許范圍內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力在結(jié)構(gòu)自身的承載力范圍之內(nèi)。因此中南地塊的建設(shè)對已建地鐵線路區(qū)間的影響在安全可控范圍內(nèi)。

對地塊基坑圍護方案做出調(diào)整后，根據(jù)計算分析對圍護設(shè)計、塔樓設(shè)計、施工工序做出進一步要求。

（1）軸力伺服系統(tǒng)：北側(cè)鄰地鐵區(qū)間小基坑，距離區(qū)間50 m范圍內(nèi)的鋼支撐均采用軸力伺服系統(tǒng)。

（2）槽壁加固：鄰地鐵側(cè)地墻結(jié)構(gòu)兩側(cè)應(yīng)設(shè)置槽壁加固，加固體底部低于隧道底部。

（3）降水：基坑北側(cè)需設(shè)置一定數(shù)量的回灌井，根據(jù)水位變化確定開啟時間。

（4）中南地塊北側(cè)小基坑開挖時間需與中央商務(wù)區(qū)站基坑、世紀大道～中央商務(wù)區(qū)站區(qū)間推進錯開，避免交疊施工的影響。

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