中穿運(yùn)營地鐵重大風(fēng)險基坑群變形模擬與監(jiān)測分析*

張 麒，黃軍華，高丙山，姚文山，齊貫?zāi)?

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概況

1.1 整體概況

首創(chuàng)·天閱海河項目位于天津市地鐵6號線北運(yùn)河站，占地面積10.91萬m2，總建筑面積43.595萬m2， 由南北A，B街坊6個基坑組成，包括住宅、酒店式公寓、地下車庫、寫字樓及相關(guān)附屬設(shè)施等。地下室及地上商業(yè)樓為框架結(jié)構(gòu)，地上主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)(見圖1)。建設(shè)區(qū)域內(nèi)與地鐵6號線北運(yùn)河站有4個結(jié)合城市新建民用建筑修建的戰(zhàn)時可用于防空的地下室口，是全國首例在運(yùn)營地鐵兩側(cè)進(jìn)行結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體。運(yùn)營地鐵兩側(cè)進(jìn)行不同深度基坑開挖。

圖1 工程整體效果

天閱海河項目地上建筑面積25.265萬m2，地下建筑面積18.330萬m2,共6個基坑，分4期建設(shè)，分別為1期、2期(2A，2B)、3期(3A，3B)、4期，其中第2，3期橫跨既有運(yùn)營中的地鐵6號線(預(yù)留北運(yùn)河站)，第1，4期處于地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)。

1.2 基坑設(shè)計

天閱海河項目1，2B期為地下3層，開挖深度17.1m；2A，3A期為地下2層，開挖深度11.8m；3B期為地下3層，開挖深度16.6m；4期為地下3層，開挖深度17.7m，分期情況如圖2所示。

圖2 基坑群與地鐵結(jié)構(gòu)關(guān)系

項目2A期基坑整體開挖深度11.8m，2B期基坑整體開挖深度17.1m。2A期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁支護(hù)+2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，2B期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁支護(hù)+2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐,局部設(shè)置3道支撐支護(hù)形式，如圖3所示?；觽?cè)壁安全等級為一級，因工程建設(shè)需要，2A，2B期同期對稱施工。地鐵兩側(cè)對稱基坑與地鐵結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系如圖4所示。

圖3 地鐵兩側(cè)對稱基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系

圖4 地鐵兩側(cè)對稱基坑與地鐵結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系

1.3 水文地質(zhì)條件

項目地處富水軟土地區(qū)，主要以雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，影響基坑水層的有潛水層和第一承壓水層，運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)處于第一承壓水層,如圖5所示。

圖5 基坑水文地質(zhì)條件

1.4 周邊環(huán)境

項目位于天津市河北區(qū)，東側(cè)為已施工完成的新建小區(qū)，距離基坑40.0m；南側(cè)為富堤路及京杭運(yùn)河，距離基坑52.0m；西側(cè)建筑物距離10.0m，與市政道路距離7.0m；距西南側(cè)既有建筑物最近約10.0m，距外側(cè)富堤路約7.0m。地下管線距深基坑較遠(yuǎn)，分布于東側(cè)新建道路上。

1.5 監(jiān)測預(yù)警值設(shè)定

地鐵變形控制指標(biāo)如表1所示。

表1 地鐵變形控制指標(biāo)

基坑變形控制指標(biāo)如表2所示。

表2 基坑變形控制指標(biāo)

2 基坑風(fēng)險分析

2.1中穿不同挖深軟土基坑群

運(yùn)營地鐵兩側(cè)基坑開挖深度不同，開挖期間受不均衡側(cè)向土壓力影響極易引起地鐵側(cè)向位移，運(yùn)營地鐵水平位移是工程控制難點(diǎn)之一。前期針對工程特點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析，經(jīng)模擬驗(yàn)算，區(qū)間隧道水平位移為12.97mm(2A→2B，預(yù)警值7mm)，車站主體水平位移為10.58mm(2A→2B，預(yù)警值6mm)，站體與隧道水平差異變形為0.8mm(2A→2B，預(yù)警值0.2mm)。

2.2 中穿軟土基坑群運(yùn)營地鐵隆沉控制

經(jīng)模擬反演，2A，2B期基坑開挖卸荷時最大隆起分別為60，84mm；基坑降水引起周邊沉降平均12mm，最大21mm；以上隆沉造成地鐵豎向變形達(dá)19.79mm(預(yù)警值12mm)。

2.3 地鐵車站和盾構(gòu)區(qū)間連接處差異沉降控制

站體筏板+樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為剛性體系，隧道區(qū)間管片結(jié)構(gòu)為柔性體系，站體與隧道不同剛度沉降差異較大，經(jīng)模擬反演地鐵車站與盾構(gòu)隧道區(qū)間連接處差異沉降0.58mm，超出控制值(0.2mm)。

3 地鐵變形數(shù)值模擬

本工程模擬計算采用PLAXIS 3D建立整體三維有限元模型，如圖6所示。模型以線路方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，豎直方向?yàn)閦軸。為消除模型邊界效應(yīng)，x軸方向取480.0m，y軸方向取510.0m，z軸方向取60.0m。模型計算采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，共劃分521 934個單元，754 700個節(jié)點(diǎn)。

圖6 地鐵隧道計算模型

地鐵車站x向即水平位移最大值出現(xiàn)在地鐵車站東側(cè)地下連續(xù)墻中心處，呈現(xiàn)向3B期基坑移動趨勢。z向即豎向最大位移為隆起變形，出現(xiàn)在東側(cè)地下連續(xù)墻頂部靠近3B期東側(cè)基坑位置，因受到3B期基坑開挖影響較大，x負(fù)向水平位移最大值6.48mm，x正向水平位移最大值12.97mm；隆起變形最大值19.79mm，沉降變形最大值6.31mm；隧道最大水平位移10.58mm，最大上浮19.63mm。通過以上分析可知，車站變形受2B，3B期東側(cè)基坑開挖影響較大，在3B期施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測車站，及時采取控制措施。

隧道x，y，z向豎向最大位移都出現(xiàn)在東側(cè)隧道靠近2B期基坑位置，最大位移皆向2B期基坑移動，這是由于2B期基坑開挖深度較深所致。因此，開挖2B期基坑時，需嚴(yán)格控制開挖，監(jiān)控隧道變形，并采取針對性保護(hù)措施，減少變形。

2B，3B期東側(cè)地下3層基坑施工影響車站、區(qū)間隧道的程度如圖7和表3所示，因此施工期間應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行控制。

圖7 主要影響階段分析

表3 數(shù)值模擬分析結(jié)果 mm

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，基坑開挖對既有地鐵的主要影響在于車站主體、隧道豎向及水平位移、既有地鐵車站、隧道結(jié)構(gòu)最大收斂值及站端隧道結(jié)構(gòu)的變形。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，以上6項均超過報警值，需予以控制。

4 地鐵變形數(shù)據(jù)智能分析

該項目基坑工程難度大、精度要求極高，常規(guī)的監(jiān)測反饋方式不適用，基坑內(nèi)部、基坑外部、地鐵隧道內(nèi)部、地鐵外圍結(jié)構(gòu)、地下水位等部位的1 100余項監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)需進(jìn)行整理耦合，并要實(shí)現(xiàn)實(shí)時反饋，工作量與難度極大。該項目通過智能監(jiān)測系統(tǒng)，將各監(jiān)測數(shù)據(jù)和地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)同時納入系統(tǒng)進(jìn)行自動分析，更容易找出發(fā)生問題的關(guān)鍵點(diǎn)，為應(yīng)急提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，從而在監(jiān)測角度保證地鐵運(yùn)營安全，確保項目順利實(shí)施。

以天津市地鐵為例，目前為止已將所有地鐵施工中存在的應(yīng)急措施、預(yù)案進(jìn)行規(guī)整，累計達(dá)360余項，且在不斷完善中。地下結(jié)構(gòu)施工存在諸多不確定因素，實(shí)施過程中會不斷根據(jù)出現(xiàn)的風(fēng)險完善應(yīng)急管理體系，并針對性制定預(yù)防措施，明確應(yīng)急分工，以形成完整的應(yīng)急預(yù)警聯(lián)動機(jī)制，保證第一時間采取各種應(yīng)急措施實(shí)施控制，保證地鐵運(yùn)行安全。

該項目通過智能監(jiān)測系統(tǒng)同時納入地鐵和基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行自動分析，每天形成匯總數(shù)據(jù)及變形曲線，可及時反饋預(yù)警點(diǎn)、數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工步序，采取應(yīng)對措施。

1)基坑監(jiān)測點(diǎn)布設(shè) 根據(jù)基坑周邊環(huán)境情況、水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)組成附合、閉合導(dǎo)線或?qū)Ь€網(wǎng)。在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在布設(shè)測斜管的對應(yīng)頂部位置布設(shè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)水平距離≤20m。

2)運(yùn)營地鐵監(jiān)測點(diǎn)布設(shè) 在地鐵內(nèi)采用智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測地鐵，監(jiān)測點(diǎn)平面布設(shè)如圖4b所示。監(jiān)測內(nèi)容包括地鐵結(jié)構(gòu)及隧道豎向位移、水平位移、差異沉降、隧道收斂等。

3)智能一體化監(jiān)測 采用智能一體化系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測、分析、預(yù)警運(yùn)營地鐵和基坑變形。通過高清PTZ攝像系統(tǒng)、智能化靜力水準(zhǔn)測量監(jiān)測系統(tǒng)、測量機(jī)器人智能監(jiān)測系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)縫開合度智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)主要變形指標(biāo)智能化監(jiān)測，系統(tǒng)控制基坑及地鐵變形，以確保地鐵運(yùn)營安全。利用智能監(jiān)測、分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作、信息共享、應(yīng)急響應(yīng)聯(lián)動，通過多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過多端口通信方式實(shí)時共享信息，保證在基坑監(jiān)測點(diǎn)位異變的第一時間傳遞有效信息，以精細(xì)化管理控制地鐵風(fēng)險。

地鐵停運(yùn)期間，定期巡查地鐵隧道內(nèi)部，觀察變形較大點(diǎn)位發(fā)展情況，及時分析原因，并統(tǒng)計整理地鐵隧道內(nèi)病害，分類比對智能一體化監(jiān)測數(shù)據(jù)，校正智能監(jiān)測疏忽點(diǎn)位，及時跟進(jìn)處理異常點(diǎn)位。

4)信息化指導(dǎo)施工 利用模擬推演運(yùn)營地鐵變形數(shù)值，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化實(shí)時趨勢分析，通過實(shí)際工況全景監(jiān)控和報警應(yīng)急處置系統(tǒng)，保證地鐵運(yùn)營安全的智能化推演、分析、應(yīng)急處置。

施工前，通過模型推演變形數(shù)據(jù)制定應(yīng)急預(yù)案，智能一體化系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時變化后發(fā)送給專家。專家通過系統(tǒng)向現(xiàn)場管理人員發(fā)送指令，指導(dǎo)現(xiàn)場管理人員安排下一步工作。應(yīng)急處置過程中，通過系統(tǒng)查看人、材、機(jī)應(yīng)急準(zhǔn)備時間，可對現(xiàn)場做相應(yīng)預(yù)處置和應(yīng)急準(zhǔn)備，如圖8所示。

圖8 智能一體化監(jiān)測系統(tǒng)

比對關(guān)鍵點(diǎn)位的變化趨勢與模擬推演系統(tǒng)形成的控制點(diǎn)位趨勢，校正模擬推演控制點(diǎn)位變形數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)調(diào)整不斷真實(shí)化模擬推演。

5 實(shí)施效果

目前2A，2B期正施工地下結(jié)構(gòu)；3A，3B期進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基施工階段，基坑施工期間地鐵各變形指標(biāo)變化均在可控范圍內(nèi)，變形數(shù)值較穩(wěn)定。地鐵變形情況如表4所示。

表4 地鐵累計變形

地鐵豎向最大位移10.3mm、水平位移4.8mm，地鐵結(jié)構(gòu)與隧道間差異沉降為1.7mm，如圖9所示。隨著土方開挖，地鐵變形逐步加大，開挖卸荷位置距地鐵結(jié)構(gòu)不同，地鐵變形的變化速率存在明顯不同，變化曲線與模擬數(shù)據(jù)情況基本相符，如圖10所示。

圖9 地鐵變形情況

圖10 地鐵軌道變形曲線

在啟動抽降第一層承壓水后，地鐵出現(xiàn)0.4mm下降，有效緩解開挖卸荷引起的隆起變形。啟動堆載反壓后，地鐵存在近0.6mm下降，隨著土方開挖完成進(jìn)入結(jié)構(gòu)施工階段，地鐵變形得到有效控制，各項數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語

在特級風(fēng)險基坑施工中，及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)是指導(dǎo)現(xiàn)場施工的有利依據(jù)，結(jié)合預(yù)定工況進(jìn)行變形數(shù)據(jù)模擬，確定最不利點(diǎn)位，并采取智能化手段進(jìn)行監(jiān)測、分析，是控制基坑變形風(fēng)險的有效手段，應(yīng)加以推廣應(yīng)用。