大面積連排基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵車站的影響分析

李燦輝

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 概述

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，軌道交通沿線的住宅、商業(yè)等設(shè)施用地的需求量逐漸增加，在軌道交通建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了許多綜合配套項(xiàng)目，如地鐵車站旁配套建設(shè)商業(yè)建筑物、廣場(chǎng)、連廊等，這些配套工程的施工會(huì)對(duì)車站產(chǎn)生一定影響。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

臨近地鐵車站的基坑開挖打破了原有地鐵結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡關(guān)系，地應(yīng)力重新進(jìn)行分布，從而導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的內(nèi)力與變形。許多學(xué)者基于理論研究與工程實(shí)踐，對(duì)該問題進(jìn)行研究?？紫轾i系統(tǒng)研究了緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵車站基坑施工變形控制和保護(hù)問題，認(rèn)為施工改變了原有車站結(jié)構(gòu)的傳力路徑，從而增加了結(jié)構(gòu)頂板及中板的彎矩，轉(zhuǎn)變了底板的彎矩方向；高盟以緊鄰上海某地鐵車站的基坑工程為背景，建立三維數(shù)值模型并研究了托換樁、旋噴加固、分塊開挖等措施對(duì)變形控制的影響；曠慶華結(jié)合長(zhǎng)沙地區(qū)某地鐵車站工程實(shí)例，對(duì)深基坑開挖引起緊鄰已建成地鐵車站的變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了有效控制車站結(jié)構(gòu)變形的主要措施。除數(shù)值模擬外，還有學(xué)者采用離心模型試驗(yàn)對(duì)多個(gè)方案下的基坑開挖過程進(jìn)行模擬，分析了緊鄰、部分緊鄰、不緊鄰情況下車站旁基坑開挖引起的土體變形情況?，F(xiàn)有研究針對(duì)車站旁獨(dú)個(gè)基坑施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，很少涉及多個(gè)連排開挖施工的案例，同時(shí)在研究中很少考慮不同支撐形式對(duì)既有地鐵車站的變形特性。該文以徐州地鐵2號(hào)線物資市場(chǎng)站綜合配套項(xiàng)目工程為背景，采用Midas計(jì)算緊鄰既有地鐵車站的基坑大面積開挖對(duì)已建地鐵車站變形及內(nèi)力影響，并分析連排基坑、不同支撐形式對(duì)車站的影響程度。

2 工程概況

2.1 位置關(guān)系

物資市場(chǎng)站是徐州地鐵2號(hào)線的一座地下3層車站，車站長(zhǎng)度約215m，底板埋深約22.8m。綜合配套工程涉及A、B 2個(gè)地塊，平面關(guān)系如圖1所示。A地塊長(zhǎng)約126m，寬約24m～32m，基坑深度為17.2m。B地塊基坑分為兩期，一期基坑長(zhǎng)約77m，寬15m～25m，基坑深約19m；二期基坑長(zhǎng)約77m，寬約62m，基坑深約19m。A地塊采用一道混凝土支撐與兩道鋼支撐；B地塊一期采用一道混凝土支撐與三道鋼支撐。

2.2 工程地質(zhì)條件

工程所在地的地貌上分屬?zèng)_積垅狀高地與沖（坡）—洪積平原。沿線地表為第四系地層覆蓋，表層為人工填筑土，其下為第四系全新統(tǒng)（Q4）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、老城雜填土、黏土；再下為第四系上更新統(tǒng)（Q3）黏土。車站及配套基坑工程所在的主要土層為黏土、黏質(zhì)粉土層。場(chǎng)地地下水類型主要為分布在填土、黏質(zhì)粉土層的孔隙潛水。

3 模型建立

3.1 幾何模型

為評(píng)估配套項(xiàng)目基坑開挖對(duì)車站的影響，采用Midas GTS NX軟件建立二維有限元模型，分別選取A、B地塊的2個(gè)典型斷面作為計(jì)算斷面。A地塊模型尺寸為X×Y=120m×42m，B地塊模型尺寸為X×Y=140m×42m。

3.2 材料參數(shù)

土體采用平面應(yīng)變單元，本構(gòu)關(guān)系選取修正摩爾-庫(kù)倫模型；車站等結(jié)構(gòu)物采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為線彈性。地層及結(jié)構(gòu)的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 A地塊計(jì)算結(jié)果

對(duì)地層變形來說，以A地塊基坑開挖完成時(shí)的計(jì)算結(jié)果為例，如圖2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在豎向變形時(shí)，基坑開挖導(dǎo)致坑底出現(xiàn)隆起變形，最大變形為6.7cm。同時(shí)，靠近車站側(cè)的土層受到既有車站的限制作用，沉降值與遠(yuǎn)離車站側(cè)相比要小。在水平變形時(shí)，坑底以下土體向坑內(nèi)位移。

從車站結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力變形計(jì)算可以看出，基坑開挖引起既有車站豎向上浮變形，同時(shí)既有車站呈現(xiàn)上部向坑外，下部向坑內(nèi)的水平變形。

另一方面，地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在配套工程基坑開挖過程中逐漸減少，說明開挖施工減少了臨近基坑側(cè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向受力，從而減少了該側(cè)車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，而配套工程施工完成后荷載可向深層傳遞，對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不大。

圖1 基坑開挖對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的對(duì)比關(guān)系圖

4.2 B地塊計(jì)算結(jié)果

對(duì)地層變形來說，以B地塊一期基坑開挖完成時(shí)的計(jì)算結(jié)果為例，如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，B地塊一期施工完成時(shí)的地層變形與A地塊類似，僅在量值上略有增大。在二期基坑施工時(shí)，地層的豎向位移影響未擴(kuò)散至既有車站，而水平位移仍對(duì)既有車站有影響，但量值較小。

4.3 基坑開挖對(duì)既有車站的影響分析

結(jié)合A、B地塊3個(gè)基坑可分析不同基坑對(duì)既有車站的影響。為方便討論，對(duì)變形量進(jìn)行歸一化處理，由此定義結(jié)構(gòu)相對(duì)位移，如公式（1）～公式（2）所示。

式中：δ、δ為結(jié)構(gòu)水平、豎向相對(duì)位移；x、y為結(jié)構(gòu)水平、豎向位移；H為基坑開挖深度。因此可得到3個(gè)基坑的相對(duì)位移對(duì)比關(guān)系，如圖4所示。

從圖4中可以看出，A地塊基坑的相對(duì)位移普遍大于B地塊一期基坑，而2個(gè)基坑均緊鄰車站，基坑的深寬比亦較為接近，其差異的原因應(yīng)該歸結(jié)為支撐形式的不同，具體可采用基于Clough的剛度理論提出的可反應(yīng)多類型支撐的MVSS（Multiple variables system stiffness）綜合剛度以定量描述。

A地塊計(jì)算得出的綜合剛度遠(yuǎn)低于B地塊一期基坑，從而傳遞至既有車站的相對(duì)位移較大。可見，車站結(jié)構(gòu)的變形不僅與基坑的卸載量相關(guān)，與基坑本身的剛度也有較大關(guān)系。對(duì)該工程來說，與A地塊相比，支撐綜合剛度更大的B地塊一期基坑減少了約20%～40%的結(jié)構(gòu)相對(duì)位移。

將B地塊的一二期2個(gè)工程進(jìn)行對(duì)比，其在支撐體系上相同，但與既有車站的相鄰關(guān)系不同。B地塊一期位于既有車站強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)；二期工程與既有車站間隔1倍開挖深度以上，處于一般影響區(qū)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響較小。從相對(duì)位移關(guān)系來看，這種連排基坑開挖對(duì)既有車站的影響主要體現(xiàn)在緊鄰基坑的施工，遠(yuǎn)端的二次開挖僅對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移產(chǎn)生影響，而在豎向位移上可認(rèn)為沒有影響。

類似的，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值進(jìn)行歸一化處理，因此定義結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對(duì)值如公式（5）～公式（6）所示。

式中：M、q為結(jié)構(gòu)相對(duì)彎矩、剪力變化量；ΔM、Δq為基坑開挖引起結(jié)構(gòu)彎矩、剪力變化值；M、q為基坑開挖前結(jié)構(gòu)的彎矩及剪力。

因此可得到3個(gè)基坑的相對(duì)內(nèi)力對(duì)比關(guān)系，如圖5所示。從圖中可見，與A地塊相比，B地塊一期更大的支撐綜合剛度會(huì)減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化量，從而使結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力處于相對(duì)較高的水平；同時(shí)并排基坑中非緊鄰基坑對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力幾乎沒有影響。

5 結(jié)論

該文以物資市場(chǎng)站綜合配套基坑開挖工程為背景，進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論分析，計(jì)算了既有車站在配套工程的2個(gè)地塊共計(jì)3個(gè)基坑施工中的變形及內(nèi)力情況，研究了緊鄰車站基坑施工對(duì)既有地鐵車站的影響，得到了以下3個(gè)結(jié)論：1）緊鄰基坑開挖會(huì)導(dǎo)致坑底出現(xiàn)隆起變形，而這種隆起變形會(huì)在上部荷載激活后適當(dāng)減少，同時(shí)，靠近車站側(cè)的土層受到既有車站的限制作用，沉降值相比遠(yuǎn)離車站側(cè)要小。在水平變形時(shí)，配套工程施工導(dǎo)致坑底以下土體向坑內(nèi)位移。2）緊鄰基坑開挖將引起既有車站豎向上浮變形，同時(shí)既有車站呈現(xiàn)上部向坑外，下部向坑內(nèi)的水平變形。原有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在配套工程基坑開挖過程中呈減少趨勢(shì)。3）基坑的支撐形式通過改變基坑綜合剛度，從而對(duì)緊鄰車站的內(nèi)力及變形產(chǎn)生影響，更高的支撐剛度可較大程度控制既有結(jié)構(gòu)變形，但也會(huì)減少內(nèi)力的變化量，使結(jié)構(gòu)處于較高應(yīng)力水平。

圖2 A地塊基坑開挖完成工況下地層豎向位移云圖

圖3 B地塊一期基坑開挖完成工況地層豎向位移云圖

圖4 基坑開挖對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響的對(duì)比關(guān)系圖

圖5 基坑開挖對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的對(duì)比關(guān)系圖

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