超大面積深基坑開挖對毗鄰地鐵車站影響的監(jiān)測與數(shù)值分析

李世輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，210003,南京//高級工程師)

目前，我國各城市地鐵工程發(fā)展越來越快，隨之帶動了地鐵鄰近周邊地塊的開發(fā)與利用。周邊地塊的基坑開挖勢必對毗鄰的地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此，對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的保護和基坑的施工安全應(yīng)引起重視。

臨近地鐵深基坑周邊的地下基坑施作目前已有大量的理論與應(yīng)用研究[1-7]，其中有很多關(guān)于基坑結(jié)構(gòu)安全保護措施的研究成果,但與地鐵站零距離接觸的大面積基坑項目實例則很少。本文結(jié)合南京地鐵4號線某大型基坑的實例工程進行探討分析。

1 工程概況

1.1 項目概述

南京地鐵4號線旁某大型基坑項目位于南京市玄武區(qū)，徐莊軟件園站南側(cè),蘇寧大道和東來路交匯處(地鐵車站結(jié)構(gòu)已施工完成，為地下兩層局部3層的的鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)為φ1 000 mm灌注樁+內(nèi)支撐形式)。該項目為地下1—2層的商業(yè)建筑，開挖深度8～15 m，圍護采用鉆孔灌注樁+混凝土內(nèi)支撐，建筑面積約2.45萬m2，平面形狀呈倒"L"型，在蘇寧大道段緊貼已有地鐵圍護結(jié)構(gòu)樁。該項目與地鐵車站平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 項目與地鐵車站平面位置關(guān)系圖

1.2 基坑地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報告，項目的場地土層自上向下分別為:①層人工填土,②層新近沉積土,④層粉質(zhì)黏土,④-4e層含卵礫石粉質(zhì)黏土,T2h-2強風化泥質(zhì)粉砂巖及T2h-3中風化泥質(zhì)粉砂巖。地下水可分為潛水、弱承壓水和基巖裂隙水[8]。

場地環(huán)境類型屬Ⅱ類，經(jīng)調(diào)查場地及周圍無環(huán)境污染源。根據(jù)項目《水質(zhì)分析報告》，按GB 50011—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中第12.2條判定：場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

1.3 保護措施

由于項目與地鐵車站結(jié)構(gòu)零距離接觸，且開挖面積大，故該項目基坑開挖過程中對地鐵車站結(jié)構(gòu)需采取如下必要的保護措施。

(1)對基坑圍護結(jié)構(gòu)、交通疏解道路路面等均應(yīng)加強施工監(jiān)測。嚴格控制地面沉降量和圍護結(jié)構(gòu)的變形。

(2)為增加支撐的整體穩(wěn)定性，控制地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形,基坑圍護采用兩道桁架混凝土支撐，臨近地鐵車站一側(cè)第2道混凝土支撐加密，增設(shè)邊桁架梁系，如圖2所示。

圖2 臨近地鐵車站一側(cè)第2道混凝土支撐平面圖

(3)對地鐵車站結(jié)構(gòu)、共用圍護樁及冠梁，采用實時監(jiān)測等措施來控制基坑開挖過程中地鐵車站側(cè)墻及圍護樁的變形。

(4)做好防滲處理，避免地下水位上升對內(nèi)部造成污染。施工時做好基坑監(jiān)測和地下水位觀測，加強基坑底部防水設(shè)計與處理。

(5)基坑圍護采用鉆孔灌注樁+混凝土支撐，局部樁間做旋噴樁。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

基坑開挖全過程中，通過對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)變形的實時監(jiān)測，為車站結(jié)構(gòu)的安全提供保障?，F(xiàn)場監(jiān)測的主要方式如下[9-10]：

(1)以項目設(shè)計文件為指導(dǎo)，以專家評審后的監(jiān)測方案為依據(jù)來實施監(jiān)測。

(2)不同開挖深度時以及底板澆筑后不同時間的監(jiān)測頻率如表1所示。

(3)對于與地鐵車站結(jié)構(gòu)共用的圍護樁及冠梁，基坑開挖過程中需控制地鐵車站側(cè)墻的水平位移不大于8 mm、豎向位移不大于5 mm，圍護樁水平位移不大于8 mm、豎向位移不大于15 mm。基坑監(jiān)測項目的監(jiān)控報警值取控制值的70%。

(4)項目基坑開挖過程中，應(yīng)全程監(jiān)測與實時分析，嚴格控制變形，將對既有地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)的影響降到最低。

表1 基坑開挖中不同開挖深度階段以及底板澆筑后不同時間階段的監(jiān)測頻率表

(5)監(jiān)測、監(jiān)理、施工等單位需做好各方面的配合工作，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，及時做好應(yīng)急措施，并及時向設(shè)計單位反應(yīng)現(xiàn)場情況，確保施工過程中的安全。

項目基坑開挖過程中，對已有地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響分析主要包括地鐵車站側(cè)墻及圍護樁的水平位移和豎向位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。對臨近一側(cè)的地鐵車站側(cè)墻，按每10 m一段(共24處)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

2.1 地鐵車站結(jié)構(gòu)變形

由圖3可以看出,項目施工過程中,測點T1—T24在各階段中水平位移不斷變大，在底板澆筑前至底板澆筑結(jié)束階段的各測點水平位移最大，其中測點T12位移最大，達到-1.75 mm，但也在可控范圍內(nèi)。

圖3 地鐵車站側(cè)墻水平位移監(jiān)測曲線

從圖4可以看出,各測點豎向位移均為負數(shù)。說明在開挖過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻處于下沉狀態(tài)，且隨著開挖深度加大及時間效應(yīng)的影響，豎向位移數(shù)值逐漸變大。在底板澆筑前至底板澆筑結(jié)束階段的各測點豎向最大位移值為-1.48 mm，符合基坑開挖階段工況設(shè)計值。

圖4 地鐵車站側(cè)墻豎向位移監(jiān)測曲線

2.2 地鐵車站圍護樁變形

項目施工過程中，實測地鐵車站圍護樁水平位移和豎向位移分別如圖5和圖6所示。由圖可見,基坑開挖階段車站圍護樁水平位移數(shù)值和變化趨勢與側(cè)墻相似，相差在±0.06 mm內(nèi)。二者數(shù)值接近的主要原因是車站結(jié)構(gòu)與圍護體系通過底、中板連接形成一個整體，在受力過程中，變形相差很小。

圖5 地鐵車站圍護樁水平位移實測曲線

圖6 地鐵車站圍護樁豎向位移實測曲線

二者數(shù)值有差異，主要是由圍護樁與車站結(jié)構(gòu)之間連接的微小間隙所引起。

監(jiān)測數(shù)據(jù)在各階段基本呈平緩走勢，說明在受力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)之間形成一定的整體穩(wěn)定性，且各階段監(jiān)測位移值均在設(shè)計可控范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法是可行的。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 數(shù)值分析計算模型

采用MIDAS GTS-NX軟件來分析模擬基坑施工中各工況對既有地鐵車站的變形影響。

本文計算中得出的地鐵車站結(jié)構(gòu)變形是由于毗鄰的大面積深基坑施工對土體擾動引起的。結(jié)合工程的實際情況和特點，針對臨近地鐵車站區(qū)域進行三維有限元分析，包括對土體、既有車站梁板柱及圍護樁,對本工程圍護樁、支撐、圍檁、格構(gòu)柱和格構(gòu)柱樁基等的分析。

計算模型所取土體總厚度40 m、總長度300 m、總寬度120 m，在此區(qū)域模擬土層，通過激活和鈍化開挖區(qū)的土體單元模擬基坑施工過程。既有車站取構(gòu)件實際材料與尺寸。

數(shù)值計算中，上表面邊界條件自由，其余表面法向位移約束設(shè)為零。既有地鐵車站位于蘇寧大道下方，地面車輛荷載偏于安全考慮取35 kN/m2;綜合考慮周邊建筑基礎(chǔ)形式、樓層及距離，數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)域上部荷載取75 kN/m2;其余非開挖面土體表面活荷載取30 kN/m2。項目的有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 項目三維計算模型

施工階段共分以下7個工況。

工況1：初始階段，包括既有地鐵車站、土體、周邊建筑等。

工況2：施作基坑圍護樁、格構(gòu)柱樁基、格構(gòu)柱和冠梁。

工況3：基坑開挖1 m。

圖8 基坑與周邊位置關(guān)系模型

工況4：施作第一道混凝土支撐。

工況5：基坑開挖5 m。

工況6：施作第二道混凝土圍檁及支撐。

工況7：開挖至基坑底。

3.2 模型材料及屬性

各土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，其余均采用彈性本構(gòu)關(guān)系?；颖眰?cè)既有地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，本次模型中按等剛度代換原則將圍護樁等效為圍護墻；同理，項目圍護樁等效同上。各土層和主要圍護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2和表3所示。

表2 基坑各土層主要參數(shù)表

表3 基坑圍護各主要構(gòu)件參數(shù)表

3.3 計算結(jié)果分析

基坑開挖過程中，對已有地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響分析主要包括既有地鐵車站側(cè)墻變形的數(shù)據(jù)分析。

基坑開挖過程中，隨著開挖深度的加大，地鐵車站側(cè)墻的變形也隨之增大，對應(yīng)既有地鐵車站及基坑圍護應(yīng)力云圖如圖9和圖10所示。

圖9 基坑開挖完成車站及基坑圍護水平變形云圖

對臨近基坑一側(cè)的地鐵車站側(cè)墻，取每10 m一段(共24處)，讀取其變形數(shù)值，每段最大變形結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖11和圖12所示。

圖10 基坑開挖完成車站及基坑圍護沉降云圖

圖11 地鐵車站側(cè)墻水平位移

通過開挖各過程中的數(shù)值分析與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可知，數(shù)值分析中地鐵車站結(jié)構(gòu)的最大水平位移3.51 mm，最大沉降2.19 mm,各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于數(shù)值分析，說明采取的保護措施提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，控制了結(jié)構(gòu)的變形。

圖12 地鐵車站側(cè)墻沉降

由圖11、圖12可以看出，兩端數(shù)據(jù)值較小，中間較大，且呈平緩走勢。說明基坑開挖對臨近地鐵車站結(jié)構(gòu)有一定影響，中間影響較大,兩端影響較小。數(shù)據(jù)呈平緩走勢，說明在受力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)之間具有一定的整體穩(wěn)定性。各階段位移值均在設(shè)計可控范圍內(nèi)，說明工程結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計具備可行性。

4 結(jié)論

通過對基坑開挖各階段中既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和數(shù)值分析，得到基坑開挖對緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。分析結(jié)果顯示,變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明基坑設(shè)計的支撐布置體系及開挖的施工組織均合理可靠。主要結(jié)論如下：

(1)基坑應(yīng)采取合適的支護體系，如靠近既有地鐵車站一側(cè)支撐加密，增設(shè)桁架系梁，以便增加支撐的整體穩(wěn)定性，使地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形得以控制。

(2)基坑開挖過程中，應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求及指導(dǎo)文件來監(jiān)測地鐵車站結(jié)構(gòu)變形，以確保工程結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

(3)應(yīng)采取嚴格的地鐵車站結(jié)構(gòu)保護措施，有效地控制臨近既有地鐵車站的結(jié)構(gòu)位移。