談新建深基坑工程對既有地鐵車站的變形影響

唐 飛 周小華 朱炎兵

(1．武漢地鐵集團(tuán)，湖北武漢 430000;2．中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，地面空間日趨擁擠飽和，建設(shè)用地稀缺，加之地鐵周邊地理位置優(yōu)越，所以目前在地鐵車站周邊進(jìn)行地下空間開發(fā)時(shí)，基坑工程距離既有地鐵車站越來越近，甚至二者緊鄰(見圖1)。

基坑的施工會(huì)對地鐵車站產(chǎn)生一定的影響，只有將此影響控制在一定的范圍內(nèi)，才能確保車站結(jié)構(gòu)的安全及地鐵系統(tǒng)正常運(yùn)營。當(dāng)前已有學(xué)者對這類問題的某些方面進(jìn)行研究:姚燕明、孫?。?］以緊靠上海地鐵2號(hào)線東方路站的明珠二期張楊路車站基坑工程為背景，對既有地鐵車站的內(nèi)力變化情況進(jìn)行分析;高盟等［2］以緊貼上海地鐵2號(hào)線靜安寺站的越洋廣場基坑工程為背景，建立三維數(shù)值分析模型模擬基坑開挖過程，對既有車站的受力及變形進(jìn)行了分析;于松等［3］對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)單側(cè)卸載工況下變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

目前，鄰近基坑開挖對既有地鐵車站影響及控制標(biāo)準(zhǔn)的研究主要在結(jié)構(gòu)變形方面，但少有一致意見。如對于車站底板的豎向位移，在上述文獻(xiàn)中的分析中，有的抬升，有的沉降。產(chǎn)生這樣迥異的結(jié)果，是否與基坑的開挖深度(He)及基坑與地鐵車站的距離(D)有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

圖1 基坑與地鐵車站相對關(guān)系圖

本文將采用 PLAXIS8．5建立全基坑模型(見圖2)，通過36組二維數(shù)值模擬，研究不同(He，D)組合條件下，深大基坑工程實(shí)施對既有地鐵車站的變形影響。

圖2 計(jì)算模型有限元網(wǎng)格圖（單位：m）

1 土層參數(shù)

蘇州地區(qū)水網(wǎng)密布，地下古河道較多，由上而下，典型的地層序列［4］見表 1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算模型

研究采用控制變量法，設(shè)基坑寬度B=60 m，He取值分別為9 m～21 m，增量為4 m，共4個(gè)值;D的取值分別為5m～40m，增量為3 m～5 m，共9個(gè)值;采用兩兩組合，共計(jì)36組工況。分析模型包含一個(gè)寬度為60 m的順作法基坑以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙層雙跨島式車站。計(jì)算模型邊界距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)120 m，模型二維尺寸為300 m×72 m。模型側(cè)面為位移邊界，限制水平移動(dòng);底部為固定邊界，限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng);模型頂面為地表，取為自由邊界。

地鐵車站與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。車站的樓板及墻體以及基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)采用Plate單元模擬，基坑支撐采用Anchor單元模擬。各部分結(jié)構(gòu)單元的EI或EA根據(jù)表2所示的尺寸計(jì)算獲得。為準(zhǔn)確模擬土層的變形，粘土采用考慮小應(yīng)變的硬化土本構(gòu)模型(HSS);砂土采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型(M-C)。

在開始參數(shù)化分析前，采用所取參數(shù)對只有基坑的模型進(jìn)行試算。試算結(jié)果表明，當(dāng)基坑開挖深度分別為9 m，13 m，17 m，21 m時(shí)，地下連續(xù)墻最大側(cè)移量與實(shí)測統(tǒng)計(jì)平均值十分接近［5］。

3 計(jì)算結(jié)果分析

基坑開挖至坑底后，新建基坑與地鐵車站的變形如圖3所示(He=21 m，D=11 m)。由圖3可以看出，受側(cè)向基坑開挖的影響，地鐵車站結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出不均勻側(cè)移和輕微的不均勻沉降，這有可能對地鐵車站結(jié)構(gòu)的承載力以及列車的運(yùn)行造成不可接受的影響。

表2 地鐵車站和基坑尺寸

圖3 基坑開挖后有限元網(wǎng)格變形圖

3．1 車站底板變形及軌道橫向轉(zhuǎn)角

在鄰近基坑開挖過程中，車站結(jié)構(gòu)的初始變形將發(fā)生變化，其變化值稱之為附加變形。附加變形加劇或減緩了車站結(jié)構(gòu)的初始變形。如圖4所示為He=21m，D=5 m和He=21 m，D=35 m兩種工況下車站底板在不同施工階段時(shí)的變形圖。當(dāng)車站距離基坑較近時(shí)，基坑開挖引起底板順時(shí)針旋轉(zhuǎn);而當(dāng)車站與基坑較遠(yuǎn)時(shí)，基坑開挖引起車站底板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖4 不同階段車站底板的變形圖

由于列車軌道是鋪設(shè)在底板上，底板的變形直接影響軌道的平面傾角。當(dāng)傾角過大時(shí)將對列車運(yùn)營造成影響;忽略底板的水平向和豎向的剛性平移，選取左右線軌道平面轉(zhuǎn)角為變形指標(biāo)，如圖5所示。

圖5 底板變量定義

由于底板初始變形的存在，列車左線(靠近基坑一側(cè)，下同)和右線(遠(yuǎn)離基坑一側(cè)，下同)軌道存在一定的初始轉(zhuǎn)角，其絕對值為8．8×10－5。周邊深基坑工程實(shí)施造成左線傾角最大絕對值為51．7 ×10－5，右線傾角最大絕對值為18．9 ×10－5。

GB 50299-1999地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定:軌頂橫向高差不大于2 mm，即允許的軌道平面轉(zhuǎn)角為139．4×10－5;在本研究范圍(He∈(9，21)，D∈(5，40))內(nèi)，|ωl|的最大值為 51．7 ×10－5，約為允許轉(zhuǎn)角的1/3，滿足軌道橫向高差的要求。

3．2 車站側(cè)墻變形

車站側(cè)墻最終相對變形(Δ/L)與(D/He)的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)D較小時(shí)，基坑開挖引起的地鐵車站側(cè)墻附加位移較大。在左側(cè)墻處，附加位移與初始位移方向相反，因而左側(cè)墻相對變形減小;在右側(cè)墻處，附加位移與初始位移方向相同，因而右側(cè)墻相對變形增大。隨著D增大，基坑開挖引起的車站側(cè)墻附加位移逐漸減小，因而車站側(cè)墻最終相對變形左增右減，二者逐漸趨于初始狀態(tài)的相對變形。可以看出，當(dāng)D＞1．5He時(shí)，基坑開挖對地鐵車站左右側(cè)墻最終相對變形的影響可以忽略。

圖6 車站側(cè)墻最終相對變形圖

3．3 中柱轉(zhuǎn)角

為方便評價(jià)基坑開挖引起車站結(jié)構(gòu)傾斜的作用，選取中柱轉(zhuǎn)角α為指標(biāo)，取順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。α隨D/He的變化關(guān)系如圖7所示，車站左右側(cè)墻以及中柱的附加變形幾乎一致。約在D/He=1時(shí)，不同開挖深度的基坑引起鄰近車站左右側(cè)墻的最終剛性轉(zhuǎn)角相同，且接近于零，此時(shí)可認(rèn)為車站結(jié)構(gòu)未發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖7 車站中柱轉(zhuǎn)角變化圖

3．4 剪切作用

當(dāng)基坑與地鐵車站距離較近時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)受到剪切作用。主要表現(xiàn)在車站結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)過程中，由于車站左右側(cè)墻的剛度比底板、中板和頂板要大，這三層樓板的附加變形呈現(xiàn)“波浪狀”，但隨著距離的增大，“波浪狀”逐漸變?yōu)椤皥A弧狀”。為衡量不同工況下車站結(jié)構(gòu)所承受的剪切作用，如圖8所示，選取車站中柱的轉(zhuǎn)角α與車站底板剛性轉(zhuǎn)角ωr的差值γ為指標(biāo)。

圖8 車站結(jié)構(gòu)剪切變量定義

當(dāng)基坑與地鐵車站距離較近時(shí)，車站結(jié)構(gòu)受到的剪切作用較強(qiáng)，|γ|的最大值為34．17 ×10－5;隨著距離的增大，|γ|逐漸減小，當(dāng)D=2He時(shí)，γ已處于零值附近，表明此時(shí)車站結(jié)構(gòu)所受的剪切作用已經(jīng)很小，可以忽略。同時(shí)，可以看出，鄰近基坑開挖深度越大，車站結(jié)構(gòu)受到的剪切作用越強(qiáng)，但其主要存在范圍并不顯著改變，皆為2He。

4 結(jié)語

1)新建基坑引發(fā)地鐵車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降、不均勻沉降、旋轉(zhuǎn)等類型的變形。當(dāng)D/He較小時(shí)，車站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，隨著D/He增大，車站結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。約在D/He=1時(shí)，可認(rèn)為車站結(jié)構(gòu)未發(fā)生旋轉(zhuǎn)。2)鄰近基坑開挖會(huì)引起運(yùn)營地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻側(cè)移和不均勻沉降。同時(shí)，由于車站結(jié)構(gòu)各部分抗彎剛度(EI)不盡相同，使得車站結(jié)構(gòu)各部分發(fā)生局部變形。由于車站左右側(cè)墻剛度較大，因而其變形主要以剛體位移為主。3)當(dāng)D＞1．5He時(shí)，基坑開挖對地鐵車站結(jié)構(gòu)變形的最終相對變形的影響可以忽略。4)當(dāng)基坑與地鐵車站距離較近時(shí)，車站結(jié)構(gòu)受到的剪切作用較強(qiáng);同時(shí)鄰近基坑開挖深度越大，車站結(jié)構(gòu)受到的剪切作用越強(qiáng)，但其主要存在范圍并不顯著改變，皆為2He。

［1］姚燕明，孫 ?。罨娱_挖對共用連續(xù)墻的既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的空間分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(sup):1411-1414．

［2］高 盟，高廣運(yùn)，馮世進(jìn)，等．基坑開挖引起緊貼運(yùn)營地鐵車站的變形控制研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(6):818-823．

［3］于 松，許 抒．既有地鐵車站結(jié)構(gòu)單側(cè)卸載工況下變形控制技術(shù)［J］．建筑施工，2008，30(5):352-355．

［4］王國慶．蘇州軟土地區(qū)的基坑支護(hù)工程［J］．江蘇地質(zhì)，2001，25(2):111-114．

［5］朱炎兵，周小華，魏仕鋒，等．臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀研究［J］．巖土力學(xué)，2013，34(10):2997-3002．

［6］張文奇．深基坑開挖對臨近地鐵的影響分析［J］．山西建筑，2013，39(8):63-65．