地鐵站基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站的影響分析及安全控制技術(shù)

劉 斌

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，地鐵工程迅猛發(fā)展。新建基坑的地鐵站往往鄰近已運(yùn)營(yíng)的車站，易導(dǎo)致既有建（構(gòu)）筑物失穩(wěn)。因此，如何降低基坑開挖的擾動(dòng)影響十分重要，必須采取相應(yīng)的安全控制技術(shù)。

1 工程概況

成林道站位于天津市河?xùn)|區(qū)成林道、紅星路交口東側(cè)，功能定位為4，5號(hào)線的換乘站。4號(hào)線成林道站采取地下2層島式站臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，起止里程右DK31+243.351—右DK31+505.068，中心里程右DK31+375.908。4號(hào)線成林道站1號(hào)風(fēng)道位于車站主體南側(cè)，1號(hào)風(fēng)道西側(cè)緊鄰5號(hào)線成林道車站，1號(hào)風(fēng)道南側(cè)為5號(hào)線成林道站2號(hào)風(fēng)道，距2號(hào)風(fēng)道最近距離約為11.7m。F出入口位于車站主體南側(cè)，與5號(hào)線車站2號(hào)風(fēng)道的最近距離為33.5m。

2 三維有限元模型創(chuàng)建

基坑開挖具有較強(qiáng)的擾動(dòng)性，易導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有車站受到不同程度的影響，為保證軌道交通的安全運(yùn)行，需展開全面分析。對(duì)此，施工單位可以以Midas軟件為工具創(chuàng)建三維有限元模型，從而輔助相關(guān)施工的順利進(jìn)行。

2.1 計(jì)算模型

施工單位需要在綜合現(xiàn)場(chǎng)地形條件、基坑及車站建設(shè)位置、尺寸等具體情況的基礎(chǔ)上創(chuàng)建三維數(shù)值模型，并以此為依據(jù)組織計(jì)算與分析工作，從而提高模擬的真實(shí)性，準(zhǔn)確呈現(xiàn)基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站的影響。建?；驹瓌t如下。

1）鉆孔樁和SMW工法樁為板單元模擬的方式；現(xiàn)場(chǎng)的各支撐和環(huán)梁裝置均為梁?jiǎn)卧M。

2）連續(xù)墻、頂板、中板、底板及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)部分均為板單元模擬；柱體結(jié)構(gòu)均為梁?jiǎn)卧M。

3）基坑內(nèi)外部分布有土體，該部分為實(shí)體單元模擬的方式。

按上述原則創(chuàng)建三維計(jì)算模型，共涉及47 568個(gè)單元、24 644個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

2.2 本構(gòu)模型選擇

為便于模擬與分析，施工單位可根據(jù)地鐵車站及隧道的變形特點(diǎn)，視其與現(xiàn)場(chǎng)土體變形是否具有協(xié)調(diào)性。與土體剛度相比，車站結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)較大，因此結(jié)構(gòu)與土體的變形具有差異性，而結(jié)構(gòu)的變形量更小，故若僅存在小變形現(xiàn)象，則可以將兩者視為同等變形。另外，從軌道運(yùn)行安全狀況的層面來(lái)看，該假設(shè)也符合要求。

施工現(xiàn)場(chǎng)軟土分布量較大，引入修正Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，目的在于以直觀的方式呈現(xiàn)出巖土的非線性特征，以便提高模擬結(jié)果的可靠性。

2.3 計(jì)算工況

基坑開挖過(guò)程中易對(duì)鄰近地鐵車站的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)影響，本次模擬重點(diǎn)探討此方面的問(wèn)題。為保證分析結(jié)果的全面性，需明確6種工況，如表1所示。

表1 計(jì)算工況

2.4 邊界條件選取

土體四周邊界法向方向均設(shè)置約束，通過(guò)此方式限制法向的位移；地面為自由面；對(duì)于土體底邊界，分別將其x、y、z方向固定。

2.5 基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站的影響結(jié)果

根據(jù)基坑開挖的特點(diǎn)，繪制施工過(guò)程中鄰近地鐵車站的實(shí)際運(yùn)行狀況圖，包含水平位移和豎向位移兩方面，如圖2所示。由此得知，當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，車站靠近基坑一側(cè)的地下連續(xù)墻受到影響，其產(chǎn)生的水平位移為2.16mm，豎向位移增加至2.18mm。

圖2 車站的水平位移和豎向位移

根據(jù)模擬結(jié)果展開進(jìn)一步的分析可知：施工單位需加強(qiáng)對(duì)臨近軌道交通車站一側(cè)的防護(hù)，具體可選擇鉆孔灌注樁+支撐的形式，且需對(duì)坑內(nèi)外土體輔以加固措施，以最大限度減少既有建筑的變形量，并增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而為基坑開挖創(chuàng)造良好的條件。

3 軌道交通安全保證措施

3.1 明挖順作

綜合考慮基坑周邊建設(shè)條件，通過(guò)明挖順作的方式有序組織基坑施工。其中，1號(hào)風(fēng)道基坑長(zhǎng)50.98m，寬29.92～40.22m，深17.874～19.676m；F出入口坑長(zhǎng)56.433m，寬度包含3種建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，即 8.4，9.9，11.4m，深 2.500～13.338m。通過(guò)對(duì)F出入口的分析可知，該處的抗浮安全系數(shù)為1.11，大于1.05，符合要求。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)形式及地質(zhì)條件

1）1號(hào)風(fēng)道施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇的是地下連續(xù)墻形式，基本規(guī)格為厚800mm、長(zhǎng)35m，支撐裝置的組成包含4道混凝土支撐（第1道為800mm×1 000mm鋼筋混凝土支撐，除此之外均為1 200mm×1 000mm鋼筋混凝土支撐，間距均為6m）和1道換撐（800mm鋼支撐，間距為3m）。鑒于支撐跨度較大的特點(diǎn)，宜在基坑中部增設(shè)格構(gòu)柱，柱下配置規(guī)格為1.2m、長(zhǎng)20m的鉆孔樁基礎(chǔ)。但對(duì)其展開驗(yàn)算后可知，其抗浮安全系數(shù)為0.88，相比于安全要求而言依然有差距，因此增設(shè)800mm×1 100mm的壓頂梁和5根抗拔樁（此樁體結(jié)構(gòu)所處位置為鄰近5號(hào)線車站主體側(cè)柱下），最終該系數(shù)值提升至1.255，大于 1.150，因此達(dá)標(biāo)。

2）1號(hào)風(fēng)道基坑底部的地質(zhì)條件特殊，以粉土層居多，與此同時(shí)，地下連續(xù)墻底部分布大量的粉質(zhì)黏土和粉土層，現(xiàn)階段尚未隔斷第2層承壓水粉土和粉砂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況展開驗(yàn)算后可知，第2層承壓水抗突涌系數(shù)為1.02，不達(dá)標(biāo)。鑒于此，在坑內(nèi)增設(shè)減壓井。

3）施工現(xiàn)場(chǎng)局部地區(qū)的粉質(zhì)黏土組分復(fù)雜，其中砂質(zhì)粉土等已經(jīng)發(fā)生輕微液化現(xiàn)象，通過(guò)地下連續(xù)墻可有效隔斷液化土層。F出入口爬坡段基底處則存在大量的粉質(zhì)黏土，該部分對(duì)結(jié)構(gòu)施工的影響較大，因此，對(duì)出入口底板采取加厚、增加配筋的應(yīng)對(duì)措施，以便最大程度降低液化造成的影響。

3.3 基坑監(jiān)測(cè)

為保障周邊環(huán)境安全，反映基坑狀況，施工單位必須對(duì)運(yùn)營(yíng)中5號(hào)線車站結(jié)構(gòu)豎向及水平位移、軌道橫縱向高差、鋼軌軌距、變形縫張開量、裂隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在運(yùn)營(yíng)地鐵5號(hào)線主體結(jié)構(gòu)縱向軸線方向，在車站軌行區(qū)及結(jié)構(gòu)側(cè)墻設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，每8m布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，橫斷面線以軌道中心線、結(jié)構(gòu)側(cè)墻為準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿于外部作業(yè)的全過(guò)程，直至外部作業(yè)完成且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后方可結(jié)束。在外部作業(yè)重要工序施工期間不宜低于1～2d監(jiān)測(cè)1次，軌行區(qū)應(yīng)采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1號(hào)風(fēng)道及F出入口對(duì)圍護(hù)墻頂豎向及水平位移、測(cè)斜、圍護(hù)墻鋼筋應(yīng)力、支撐內(nèi)力、地表沉降、地表裂縫、基坑內(nèi)外地下水位、管線等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。用水準(zhǔn)儀定期觀測(cè)各點(diǎn)，并對(duì)比分析初始數(shù)據(jù)，從而繪出變形、沉降曲線圖；同時(shí)，根據(jù)業(yè)主提供的地面沉降允許值，將所測(cè)得沉降值與之進(jìn)行比較，若較為接近，則立即加固地層，而且主體施工時(shí)要盡量做好防水工作，以免周圍地層因地下水流失而出現(xiàn)下沉。基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工中，監(jiān)測(cè)頻率隨著開挖深度及底板澆筑后的時(shí)間進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。開挖深度H≤5m，1次/2d；5m＜H≤10m，1次 /d；H＞10m，2 次 /d。底板澆筑后T≤7d，2 次 /d；7d＜T≤28d，1次 /d；28d＜T，1次 /3d。數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，1次 /月。

3.4 土方開挖及主體結(jié)構(gòu)施工

1）以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、自然環(huán)境為基本參考，合理控制縱橫向邊坡坡度，遵循分段、分區(qū)、對(duì)稱的基本開挖原則，避免超挖現(xiàn)象。機(jī)械挖土施工期間，應(yīng)保證坑底預(yù)留土層厚度達(dá)到200～300mm，該部分由人員挖除并整平，以免機(jī)械設(shè)備擾動(dòng)坑底?；娱_挖應(yīng)分段完成，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后需及時(shí)澆筑墊層混凝土，避免基坑變形。土方開挖前做好準(zhǔn)備工作，委托專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)全面分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工情況，保證其具有隔水封閉的效果。在確?；娱_挖處不存在滲漏現(xiàn)象的前提下方可組織大面積開挖作業(yè)，否則存在風(fēng)險(xiǎn)。

2）基坑開挖成型且滿足質(zhì)量要求后，需在坑內(nèi)修筑排水溝和集水井，以免發(fā)生坑底積水現(xiàn)象。土方開挖必須按照分層、對(duì)稱的方式有序操作，各工況達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況搭建支撐裝置，應(yīng)最大限度縮短無(wú)支撐的暴露時(shí)間，不可超過(guò)8h。

3）土方開挖的順序和主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，先對(duì)鄰近5號(hào)線車站沿行車方向進(jìn)行寬21～24m的基坑開挖與底板（底板應(yīng)伸過(guò)車站變形縫2～5m）施工，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行另一部分基坑開挖與底板施工。而且每部分施工時(shí)應(yīng)注意從北往南（與軸垂直）退挖施工底板，直至側(cè)墻、中板完成施工，頂板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，管線復(fù)位、回填覆土、恢復(fù)交通。

4 結(jié)語(yǔ)

由于基坑開挖的擾動(dòng)性較強(qiáng)，因此易導(dǎo)致鄰近地鐵車站的正常運(yùn)營(yíng)狀況受到影響。對(duì)此，施工單位可適當(dāng)引入有限元三維模型分析基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站的具體影響，并提出相應(yīng)的安全控制措施，以保障實(shí)際施工的安全。