深基坑緊臨施工對既有地鐵車站結構影響分析

賓勝林

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

軌道交通容量高,方便快捷,對于緩解地面交通擁堵,減輕城市交通壓力具有重要意義。隨著城市軌道交通項目有序推進,交通線路數逐年增加,地鐵、隧道等交疊沖突或緊臨施工的情況越來越多,巖土體介質中既有建筑物的安全性受到影響[1],容易導致地下洞室圍巖應力重分布,引起臨近建筑物的變形、破壞[2]。國內外關于地鐵等地下工程交叉、緊臨的研究較為豐富,如相關施工力學機理、影響分析及對應措施研究等。然而,由于地下工程的灰色空間特性,任何理論或模型都無法完全適用于特定項目復雜的周邊條件[3]。因此,根據具體情況建立適應實際邊界條件的分析模型來評價既有建筑物的不利影響,具有較強的針對性和可靠性[4-5]。文章以新建興華商業街明挖深基坑緊臨地鐵一號線鐵西廣場站南側施工工程為研究案例,采用三維彈塑性模型對新建基坑施工產生的與既有結構之間的交互影響進行全面分析,驗證了基坑開挖方案和施工流程的合理性,為科學確定基坑施工、監測方案,保證既有地鐵車站結構安全提供依據[6]。

1 工程背景

鐵西廣場站為島式站臺車站,有效站臺寬度12.9m,車站起點里程CK5+960.162,終點里程CK6+137.132,主體結構總長176.97m。標準段的地鐵車站結構寬度為22m,結構形式在小里程端為三層雙柱三跨,大里程端為三層單柱兩跨箱型框架結構。該車站結構的頂板覆蓋土層厚度為3.5m,結構底板位置在地面下25.5～26.3m。新建興華商業街基坑臨近地鐵一號線,明挖基坑寬40.8m,深約25m,基坑圍護樁采用直徑1m,間距1.4m的鉆孔灌注樁,新建基坑與地鐵車站緊臨的夾層空間采用直徑1.2m,間距1.5m的鉆孔灌注樁,圍護樁嵌固進入基坑底部的深度為8m。該基坑共設置1道混凝土支撐、3道鋼支撐及1道換撐。該基坑與既有地鐵一號線T字形施作,基坑圍護距離地鐵一號線圍護3.1m。其平縱關系如圖1所示。

圖1 臨近地鐵車站一側基坑平面圖

2 數值模型及邊界條件

2.1 三維數值模型構建

根據圣維南原理,考慮到減小模型邊界影響和建模計算經濟性,分析結構的土體介質計算模型尺寸為81m×92m×37m。既有地鐵一號線鐵西廣場站主體及圍護結構、新建興華商業街基坑圍護及臨時結構分別建立結構三維模型,并按照實際空間位置布設于土體模型中。基坑周邊的圍護樁支護,既有車站主體結構底、頂及中隔板,臨時支護體系及邊墻等均采用彈性模型,板單元;既有車站主體結構柱及上、下翻梁等均采用彈性模型,梁單元。結構周邊包圍的巖、土體均采用彈塑性材料,三維實體單元,屈服準則采用摩爾-庫倫準則。模型約束條件為:底部邊界建立豎向位移約束,側向邊界建立水平位移約束。建立模型中的單元數量為43074個。

2.2 施工工序模擬情況

既有地鐵一號線鐵西廣場站結構是首先需要激活的既有結構,先期施工完成。新建興華商業街基坑施工順序為:施作圍護樁、格構柱及冠梁,進行降水施工→基坑開挖至第一道支撐下0.5m,架設第一道支撐,鑿出格構柱,架設橫向連系梁→依次分層開挖,架設支撐至基坑底,同時鑿出格構柱,架設橫向連系梁→施作底板防水、底縱梁、底板及部分側墻,架設臨時支撐,逐層向上拆除臨時支撐及橫撐,施作主體結構→結構封頂,填土覆蓋。土體內部地鐵站結構及新建基坑模型見圖2。

圖2 土體內部地鐵站結構及新建基坑模型

2.3 計算模型參數

2.3.1地層參數

根據施工范圍內的鉆孔報告揭露,地層主要為:③-1-33粉質黏土、③-7-3粗砂及④-9-4圓礫。根據地勘報告數據及地區經驗,結合往期數值分析貼合度,擬定土層力學參數,并在試算過程中進行調整,保證計算結構貼合實際情況。各地層計算參數如表1所示。

表1 土層力學參數表

2.3.2結構參數

地鐵車站各層板、梁及外側墻均采用C30防水混凝土,抗滲等級S8;各節點位置主體結構柱均采用C50混凝土;混凝土內鋼筋主要采用HPB300及 HRB400;結構預埋鋼構件采用Q235B。既有車站基坑圍護結構直徑0.8m,間距1.2m,鉆孔灌注樁。

2.3.3設計荷載

查閱地鐵工程相關規范,既有車站各層站臺樓板采用的設計活荷載為4kPa;按照不利狀況考慮,列車滿載等效均布荷載為16.16kPa;結構覆蓋層上的車輛超載等效均布荷載為20kPa。

3 計算結果分析

3.1 模型整體變形分析

繪制地鐵車站整體豎向位移云圖如圖3。

圖3 既有地鐵車站豎向位移

由圖3可知,既有地鐵車站受商業體基坑開挖影響會產生空間位移,既有結構的最大水平位移量為1.99mm,朝向基坑方向,最大沉降量為0.62mm。結構整體變形是多方向的,因此設置監測點時需同時關注豎向位移和橫向位移。

3.2 基坑開挖引起既有結構變形分析

通過對計算模型進行初算分析,基坑開挖影響區域為圖4中所示區域。考慮模型經濟性,僅建立主要影響區域模型,并對主要變形位置進行詳細分析。

圖4 監測點位置示意圖

基坑開挖會導致既有結構發生不同程度的位移,嚴重影響結構的受力安全。模型計算中,在結構變形敏感位置設置監測點,通過監測點隨基坑開挖的位移變化情況,判斷基坑開挖對既有車站結構的影響程度。圖4中,D軸為靠近基坑一側,取8軸、9軸、10軸、11軸、12軸立柱底部端點為監測點,繪制豎向位移時程曲線如圖5～圖8。

圖6 B軸各監測點時程曲線

圖7 C軸各監測點時程曲線

圖8 D軸各監測點時程曲線

根據各監測點時程曲線可知:

(1)臨近基坑一側D軸,隨基坑開挖會發生上隆現象,開挖過程中最大上隆量為0.35mm,開挖第三層土體后開始發生沉降,最終位移為上隆0.14mm,發生在D8監測點。

(2)A軸、B軸、C軸時程曲線規律基本一致,均為隨基坑開挖既有結構持續產生沉降,最大沉降值為0.52mm,發生在A8監測點。

(3)通過分析各監測點位移,受基坑開挖及圍護樁變形影響,既有地鐵站結構位移為臨近基坑上隆,遠離基坑下沉的情況。根據這一特點,需合理布設監測點位置,重點關注D8及A8區域附近監測點,施工過程中可根據計算結果,在不同開挖工序階段合理加密地表監測,對不同工序對應的變形敏感點進行重點觀測,保證既有地鐵車站運營安全。

3.3 地鐵軌道縱向差異變形分析

地鐵軌道變形控制是城市軌道交通中不可忽視的重要內容,合理控制軌道的差異變形,能夠保證地鐵車輛行駛的平穩性,保障乘客出行安全。

文章通過線狀提取計算節點,得到既有地鐵車站左線軌道中心線及右線軌道中心線的最終沉降曲線,該曲線能夠直觀展現軌道的差異變形情況,具體見圖9和圖10。

圖9 左線軌道中心線最終沉降曲線

圖10 右線軌道中心線最終沉降曲線

根據軌道中心線最終沉降曲線可知:

(1)地鐵一號線鐵西廣場站差異沉降量相對較大的區域主要集中在車站距離商業體基坑較近位置,即右線軌道中心線差異沉降較大,左線軌道中心線差異沉降較小。

(2)左線沉降曲線呈“上凸形”,重點監測1個拐點即可;右線沉降曲線呈“M形”,3個拐點均需進行重點監測,嚴格控制軌道差異變形。

4 結論

(1)應用貼合實際工況的數值分析模型,計算并分析緊臨工程施工影響,能夠在復雜的空間和施工工序條件下獲取新建工程緊臨施工對既有結構的影響程度及影響范圍,準確判斷既有結構受力的不利時機和不利位置,為科學制定監控量測方案,保障既有地鐵結構運營安全提供依據。

(2)數值計算能夠反映施工狀態的一般情況及趨勢,但無法反映施工過程中遇到的非常規狀態,因此需要嚴格把控施工質量,嚴格按照設計圖紙進行新建商業街基坑施工,每開挖一層即作支護一層,及時施作坑內支撐。除對計算得出的主要變形位置進行監測外,新建基坑本身的變形監測也尤為重要。

(3)鐵西廣場站所處地層圍巖以粗砂和砂礫為主,屬強透水層,新建商業街基坑降水應根據水文情況制定專項降水方案并嚴格執行。降水期間,應加強對既有結構沉降的監測并制定應急預案。