大面積高卸荷比基坑開挖對下臥運(yùn)營中地鐵車站及盾構(gòu)的影響分析及對策

陸鵬 馬瑤

【摘要】以西安南門地下空間基坑工程為背景，文章運(yùn)用PLAXIS軟件建立三維數(shù)值分析模型，對基坑施工進(jìn)行全過程動態(tài)模擬，通過理論分析和數(shù)值模擬計算得出了基坑開挖過程中影響運(yùn)營地鐵車站變形的控制性因素。計算結(jié)果表明：合理安排施工工序，地鐵車站的變形是可以控制的。探討了對在運(yùn)營中地鐵上方大面積高卸荷比基坑開挖影響的控制措施。

【關(guān)鍵詞】大面積；高卸荷比；基坑開挖；運(yùn)營地鐵；模擬計算；工程措施。

前言

本文結(jié)合環(huán)城南路南門地下空間基坑上跨地鐵2號線工程實例，利用有限元三維計算程序PLAXIS，通過建立三維模型，對地鐵車站上方的大面積、高卸荷比基坑開挖全過程進(jìn)行模擬，對基坑開挖期間對下臥運(yùn)營中地鐵車站的影響進(jìn)行了分析，對合理、有效、經(jīng)濟(jì)地控制地鐵變形提出了針對性的工程措施，提出在開挖基坑過程中采用分塊開挖、土體加固、堆載回壓、全過程監(jiān)測、動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工等保護(hù)措施，在實際工程中取得良好的效果 。

一、工程概況

西安地鐵二號線永寧門站已投入運(yùn)營。車站為地下二層結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外包尺寸20.5×12.86m（寬×高），頂部覆土3.6m左右。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑約為16.5m，采用直徑1米間距1.2米的鉆孔灌注樁，樁長約23.4m。軌排井處車站基坑深約18.25m，采用直徑1.2米間距1.4米的鉆孔灌注樁，樁長約27.25m。車站附屬結(jié)構(gòu)除去盤道下出入口部分采用暗挖，其它結(jié)構(gòu)均采用明挖，基坑底最大深度約為10m。采用直徑0.6米間距0.8米的鉆孔灌注樁，樁長約12.5m。盾構(gòu)隧道出車站最小埋深約為10m。

南門地下空間處在南門廣場及交通繁忙的南門盤道之下。西區(qū)以西約25米為城堡大酒店裙樓，以南約28米為長安國際廣場。中間部分以北約3～5米為即將同期施工的市政下穿隧道，隧道基坑底最大埋深約為8.9米。護(hù)城河在地下停車場正北側(cè)約90m。東區(qū)與在建珠江時代廣場5層裙樓間距16米。

地下停車場大部分為兩層，基坑底埋深約10.6米。北側(cè)跨區(qū)間隧道部分地下一層，基坑底埋深6.2米。 停車場東、西部分均與永寧門站出入口相鄰。中間區(qū)域緊靠車站主體、風(fēng)道、出入口及冷卻塔。

地下停車場與地鐵車站及盾構(gòu)立面關(guān)系

二、基坑工程對地鐵工程結(jié)構(gòu)安全的影響分析及工程措施

南門地下空間與永寧門車站出入口、風(fēng)道緊貼，基坑深度基本相同，均為10米左右 ?？紤]到車站既有結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)大于周邊土體，保護(hù)措施的重點放在地下車庫基坑開挖卸載后引起的豎向位移。具體工程措施為對附屬結(jié)構(gòu)外側(cè)10米范圍內(nèi)土體加固 ，加固深至基底6米。為了減小加固過程對附屬結(jié)構(gòu)的震動 ，采用深層攪拌樁加固。

對稱開挖可以將車站結(jié)構(gòu)的水平位移降到最低。 基坑采用盆式開挖，在附屬外側(cè)預(yù)留土體，待外側(cè)基坑開挖完成澆筑底板，制作支座后安裝斜撐，最后再開挖預(yù)留土體。

地下停車場西側(cè)與地鐵出入口爬坡段最小距離為6.75m，東側(cè)為7.8m。除了考慮盆式開挖外還設(shè)置了一道錨索。

1：計算軟件：荷蘭著名的巖土工程有限元軟件plaxis；

2：土體材料模型：HARDENING-SOIL（HS）本構(gòu)（硬化土本構(gòu)模型），很好的考慮了土體的卸載模量；

3：材料模型參數(shù)：西安地鐵2號線永寧站巖土勘察報告。參考相關(guān)論文與實際工程，考慮到有限元軟件分析模擬與實際施工的差異，對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

plaxis模擬地下停車場基坑分布開挖對車站結(jié)構(gòu)的影響，考慮到施工誤差，兩邊開挖滯后約2m。從完成開挖后變形的網(wǎng)格看到，靠近基坑的附屬結(jié)構(gòu)有上浮的趨勢，水平向位移很小，車站主體的變形很小 。

車站附屬結(jié)構(gòu)的水平位移約為1mm，主體結(jié)構(gòu)基本零水平位移。附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移約為2.5mm，呈上浮的趨勢；主體結(jié)構(gòu)豎向位移約為1mm。

下圖：一層地下車庫部分，基坑橫跨區(qū)間盾構(gòu)隧道，基坑長度約為40m，寬度約為16.5m。區(qū)間隧道頂原埋深約10m，開挖后覆土剩余約為3.8m，卸荷比例為62%，卸荷面積約660m2，卸載后剩余土體滿足抗浮要求。

采用深層攪拌樁加固，加固區(qū)域距離區(qū)間隧道1m，區(qū)間中間土體局部加固至隧道底5m，形成良好的空間交叉體系。為了減少開挖卸載后區(qū)間隧道的隆起變形，采用分區(qū)開挖其上方土體。先開挖第一區(qū)，開挖完成后及時澆筑底板并加載后，施工結(jié)構(gòu)主體。同法開挖第二區(qū)，最后再開挖第三區(qū)?；拥淖冃尉哂袝r空效應(yīng)，通過分布開挖及預(yù)加載能有效控制區(qū)間隧道的隆起。

左圖：為了更好的控制卸載引起的隆起變形，在地下停車場一二層基坑連接處施做隔斷樁。施工期間考慮將地下水降至盾構(gòu)隧道底可更加有效的避免施工期間的隧道上浮。 右圖：變形的網(wǎng)格顯示區(qū)間結(jié)構(gòu)整體上浮，有變?yōu)闄E圓的趨勢。

上二圖：分步開挖與預(yù)施加荷載對控制區(qū)間隧道的變形有利。

左上：左線區(qū)間隧道拱頂隨著分布開挖后的豎向位移，可見第一步開挖后隆起達(dá)到最大，隨著底板的施工與預(yù)加載，位移明顯減少。拱頂最大隆起量約為4.23mm。施工結(jié)束后拱頂隆起約3.39mm。

右上：左線區(qū)間隧道拱底隨著分布開挖后的豎向位移。第一步開挖后，拱底最大隆起量約為1.59mm，施工結(jié)束后拱底隆起約1.78mm。軌道處隆起量約為2.1mm 。

左下：左線區(qū)間隧道最左側(cè)點隨著分布開挖后的水平位移。 最大約為1mm

右下：左線區(qū)間隧道最右側(cè)點隨著分布開挖后的水平位移。 最大約為1.6mm。

三、結(jié)論

1、通過數(shù)值模擬分析，可以看出本工程采用的加固、開挖方案對地鐵結(jié)構(gòu)的影響是很小的，能夠滿足施工過程中及結(jié)束后地鐵正常運(yùn)營的需要。

2、在施工過程中，嚴(yán)格控制施工工序，加強(qiáng)施工期間的監(jiān)控量測并做好應(yīng)急預(yù)案，施工期間風(fēng)險可控。同時加強(qiáng)對已運(yùn)營地鐵工程的監(jiān)測，做到萬無一失。

3、實際施工中，因外部條件十分復(fù)雜，不一定能夠按照設(shè)計的施工工序進(jìn)行施工，因此對于此類城市中運(yùn)營中地鐵上大面積開挖施工的工程項目，應(yīng)當(dāng)引入“全過程監(jiān)測、動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”的手段，實時掌握監(jiān)控對象的變化，并根據(jù)變化對設(shè)計及施工進(jìn)行調(diào)整，才能適應(yīng)實際的需要。

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