基坑及群樁基礎(chǔ)施工對(duì)鄰近地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響

康 佩

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著我國城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的基坑施工鄰近地鐵區(qū)間隧道，基坑及樁基施工極易引起周邊土體擾動(dòng)，使相鄰的隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力和變形。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，丁智等通過數(shù)值分析的方法研究了不同相對(duì)位置關(guān)系、隧道埋深、樁身直徑對(duì)軟土地區(qū)相鄰既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響[1]。徐云福等通過對(duì)試樁周圍土體深層水平位移、隧道結(jié)構(gòu)豎向位移和沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得到橋樁附近地鐵盾構(gòu)隧道和周圍土體的變形趨勢[2]。楊敏等認(rèn)為荷載作用下單樁基礎(chǔ)對(duì)既有隧道的影響有限，但群樁對(duì)既有地鐵隧道的影響需要關(guān)注[3]。在此基礎(chǔ)上，以長沙市黎托生態(tài)公園項(xiàng)目項(xiàng)目為例，對(duì)其基坑開挖及群樁基礎(chǔ)對(duì)所穿越的多條既有地鐵區(qū)間隧道的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 周邊工程概況

黎托公園位于長沙市高鐵新城核心區(qū)，公園周邊環(huán)境條件復(fù)雜，公園下方大規(guī)模群樁基礎(chǔ)鄰近地鐵二號(hào)線及四號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間均為單洞單線盾構(gòu)隧道，線路方向?yàn)闁|西向?；悠矫娣秶鷥?nèi)隧道結(jié)構(gòu)頂高程為+16.170～+20.060 m，樁基距離區(qū)間結(jié)構(gòu)水平距離為2.54～7.13 m，且部分樁底埋深超過地鐵結(jié)構(gòu)頂部。

1.2 基坑概況

公園園區(qū)從南向北分為A區(qū)、B區(qū)、附屬坡道和通道等(如圖1)。A區(qū)包含地下停車庫及附屬地面建筑物；B區(qū)包含下沉廣場及地面建筑物。在地下車庫完成回填后，坡道、人行通道、南連接通道與B區(qū)下沉廣場同時(shí)施工。主體基坑支護(hù)設(shè)計(jì)深度5.5～13.0 m，基坑開挖前應(yīng)整平至場地設(shè)計(jì)高程+37.300 m(如圖2)。

圖1 黎托生態(tài)公園基坑與地鐵區(qū)間平面關(guān)系

圖2 黎托生態(tài)公園基坑與地鐵區(qū)間立面關(guān)系(單位：m)

將地鐵周邊10 m范圍內(nèi)劃為地鐵影響區(qū)，地下結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)階段施工。一階段：開挖影響區(qū)外地下車庫基坑，完成地下停車庫主體結(jié)構(gòu)及基坑回填。二階段：開挖影響區(qū)內(nèi)下沉廣場、坡道及連接通道，進(jìn)行該部分主體施工，基坑回填后施工地上結(jié)構(gòu)。負(fù)一層下沉廣場采用放坡支護(hù)，負(fù)二層地下車庫采用土釘墻支護(hù)。場地平整之后，先施工止水帷幕，再進(jìn)行基坑開挖。

1.3 樁基概況

在上跨地鐵區(qū)間范圍內(nèi)，基坑內(nèi)樁基長度為10～14 m，樁身直徑為0.8～1.8 m。地鐵影響區(qū)范圍內(nèi)采用人工挖孔，地鐵影響區(qū)范圍外，采用旋挖鉆成孔。保護(hù)區(qū)內(nèi)樁基礎(chǔ)與地鐵隧道之間距離為2.54～7.13 m，如圖3、圖4。

圖3 黎托生態(tài)公園樁基礎(chǔ)與地鐵區(qū)間平面關(guān)系(單位：mm)

圖4 黎托生態(tài)公園樁基礎(chǔ)與地鐵區(qū)間立面關(guān)系(單位：m)

1.4 工程地質(zhì)情況及水文條件

本區(qū)間穿越的地層從上到下主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、卵石、泥質(zhì)粉砂巖等。各地層工程地質(zhì)參數(shù)見表1?；娱_挖前，于基坑周邊打設(shè)高壓旋噴樁作為止水帷幕。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算方法

采用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算時(shí)假定土體為均勻連續(xù)介質(zhì)，區(qū)間結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，在模型底部施加豎向固定約束，模型四周施加法向位移約束，地表為自由面。土體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 模型建立

為簡化計(jì)算，選取距離地鐵較近的部分區(qū)域建立基坑、樁基及地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)三維模型，以地鐵線路方向?yàn)閄軸，南北方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸(在X方向取121 m，Y方向取192 m，Z方向取40 m)，模型共包含131 223個(gè)單元，66 595個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 三維模型網(wǎng)格劃分示意

圖6 地鐵區(qū)間及公園樁基分布示意

2.3 計(jì)算工況

開挖后施作公園群樁基礎(chǔ)，待公園主體施工完成且滿足齡期要求后，進(jìn)入運(yùn)營階段。鑒于地鐵保護(hù)區(qū)域外樁基施工對(duì)地鐵影響較小，對(duì)分區(qū)域開挖進(jìn)行簡化，模型中僅考慮地鐵保護(hù)區(qū)域內(nèi)的支撐樁，具體工況見表2。

表2 計(jì)算工況

為得到基坑施工過程對(duì)車站區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加影響，將施工過程分為兩個(gè)階段6種工況(見表2)，并將工況1位移歸零(作為初始狀態(tài))。

由于施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況發(fā)生變化的現(xiàn)象，地層變化會(huì)導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的長度發(fā)生變化，故在上述工況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析樁長變化對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 基坑施工及公園運(yùn)營階段

(1)計(jì)算結(jié)果

隨著基坑開挖，隧道上方土體出現(xiàn)大范圍連續(xù)卸載，隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)隆起趨勢，最終計(jì)算結(jié)果如圖7～圖10所示。因樁底持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，且隧道所處地層為強(qiáng)風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，由以往研究[4-8]可知，土體壓縮模量較大，土體變形較小，進(jìn)而引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形也相對(duì)較小。

圖7 工況6樁基壓力作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)X方向位移

圖8 工況6樁基壓力作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)Z方向位移

圖9 樁基拔力作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)X方向位移

圖10 樁基拔力作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)Z方向位移

工況1～6下，地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平及豎直方向位移變形值如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可見，從基坑開挖到公園運(yùn)營過程中，既有線隧道結(jié)構(gòu)的水平位移較小，豎向位移較大。2號(hào)線的最大水平位移為1.04 mm，豎向位移為上浮3.75 mm；4號(hào)線的最大水平位移為1.04 mm。

表3 各工況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形 mm

(2)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

通過對(duì)比國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，國內(nèi)外對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)多為±(5～10) mm。結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)，綜合運(yùn)營安全要求及變形預(yù)測結(jié)果，同時(shí)考慮到施工、現(xiàn)有常規(guī)測量儀器的檢測精度等綜合原因[9-12]，確定該地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形控制值為±5 mm，豎向變形控制標(biāo)準(zhǔn)為上浮5 mm，下沉10 mm。

(3)結(jié)果分析

由上述分析可知，兩線地鐵隧道的水平和豎向位移最大值均小于控制值。此外，由樁基與地鐵的位置關(guān)系可知，1A-13軸及其附近樁基距離地鐵隧道最近，單樁承載力最大，距離樁基最近的2號(hào)線左線區(qū)間隧道位移均為最大值。雖然群樁基礎(chǔ)與地鐵隧道結(jié)構(gòu)距離較小，但地鐵影響區(qū)范圍內(nèi)樁基采用人工挖孔的方式，對(duì)地層擾動(dòng)較小，引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形可控，這與李宇升等的研究成果一致。既有研究表明，樁間擠土效應(yīng)可在一定程度上降低地鐵結(jié)構(gòu)的變形[13-15]。

3.2 樁長變化影響趨勢

結(jié)合上一節(jié)計(jì)算結(jié)果，分析不同樁長對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響。在公園運(yùn)營期間豎向荷載作用下，不同樁長樁基承載后地鐵區(qū)間隧道變形值見表4。

表4 不同樁基深度隧道結(jié)構(gòu)變形 mm

由表4可知，隨著樁長變大，樁基對(duì)隧道的影響逐漸減小，樁長由隧道頂至隧道底變化的范圍內(nèi)，地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道的水平位移變化差值為0.11 mm，豎向位移變化差值為0.03 mm；地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道的水平位移變化差值為0.10 mm，豎向位移變化差值為0.02 mm。樁長最短情況下，地鐵區(qū)間隧道水平位移最大值為1.15 mm，豎向位移最大值為3.77 mm，均小于位移控制值。據(jù)此推測，樁長變化對(duì)管片內(nèi)力影響亦較小，由此可知，在運(yùn)營期間豎向荷載作用下，樁長變化對(duì)區(qū)間隧道的影響基本可以不計(jì)。

4 結(jié)論及建議

(1)在黎托生態(tài)公園基坑施工過程中，因所處地層較好，其鄰近的地鐵2號(hào)線與4號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形均在可控范圍內(nèi)，施工方案可行。

(2)隨著樁長的加深，樁基施工引起的土體擾動(dòng)及應(yīng)力重分布對(duì)相鄰地鐵隧道的影響逐漸減小，若施工過程中發(fā)現(xiàn)地層與勘察資料不符的情況，可適當(dāng)調(diào)整樁基深度。

(3)通過有限元分析可模擬公園基坑施工及運(yùn)營階段對(duì)鄰近風(fēng)險(xiǎn)工程的影響趨勢，提前預(yù)測最大變形發(fā)生的薄弱位置，預(yù)測結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)工程建設(shè)有一定的指導(dǎo)作用。

(4)由于理論計(jì)算與實(shí)際施工存在一定的差異，實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，密切關(guān)注監(jiān)測結(jié)果，若發(fā)現(xiàn)地鐵區(qū)間變形過大，應(yīng)及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工參數(shù)，以確保工程順利進(jìn)行。