建筑基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)安全性影響分析

唐曉天

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300308）

隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，城市規(guī)劃建設(shè)中出現(xiàn)越來越多新建項目位于地鐵控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的情況，如果在基坑施工過程中不采取針對地鐵保護(hù)的專項措施，輕則導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、局部滲水等情況，嚴(yán)重時將危及地鐵運(yùn)營安全。

1 工程概況

成都某超高層建筑群基坑開挖深度23.35～30 m，基坑底主要位于中風(fēng)化泥巖層，采用排樁+內(nèi)支撐梁支護(hù)方式。已運(yùn)營的地鐵1號YDK19+887.000～YDK20+160.850區(qū)間在基坑施工的影響范圍內(nèi)，此段區(qū)間線路以18‰的坡度下坡，最大覆土厚度5.8 m，最小覆土厚度2.5 m，為明挖段現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，土釘支護(hù)及網(wǎng)噴支護(hù)?；娱_挖圍護(hù)樁邊線與地鐵區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外皮橫向凈距離約13.7 m，與地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)外皮橫向凈距離約11.0 m。見圖1。

圖1 基坑與既有地鐵區(qū)間平面關(guān)系

地下水埋深5.50～7.50 m，相應(yīng)高程478.49～480.15 m?；鶐r面在±0以下14～15 m，由于基巖面較淺,基巖頂面1～2 m范圍內(nèi)地下水無法采用井點(diǎn)降水排出，必須在坑內(nèi)設(shè)置排水溝和集水井，以明排疏干基坑表層的積水。故降水方案采用管井降水輔以坑內(nèi)設(shè)置水泵進(jìn)行明排。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，擬建工程施工界面與區(qū)間隧道間距均在1.0H～2.0H（H為基坑深度）之間，屬于較接近，擬建工程施工對區(qū)間影響分區(qū)位于強(qiáng)烈影響區(qū)。綜上所述，擬建工程對既有區(qū)間隧道的影響等級為一級。

2 安全性影響分析

基坑工程施工及超高層建筑建成對既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)會造成一定影響，對其進(jìn)行安全性分析是本項目工作的重點(diǎn)。通過收集、整理和分析地勘、設(shè)計和現(xiàn)狀調(diào)查資料，運(yùn)用數(shù)值分析、工程類比和專家評議等多種方法，預(yù)測施工引起既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形，同時考慮在該變形條件下既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上評價既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)及運(yùn)營是否安全。

2.1 分析方法

用于地下結(jié)構(gòu)理論計算的力學(xué)模型主要有兩種：連續(xù)介質(zhì)模型，即地層-結(jié)構(gòu)模型；作用-反作用模型，即荷載-結(jié)構(gòu)模型。具體到本工程，考慮到施工引起的區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降與地層關(guān)系密切，采用地層結(jié)構(gòu)模型分析施工過程對區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，使用Midas-GTS軟件，選取連續(xù)介質(zhì)模型。

1）數(shù)值分析假定：施工期間既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)僅考慮正常使用工況；基坑、地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則；基坑開挖、支護(hù)、降水施工處于良好控制中。

2）控制標(biāo)準(zhǔn)：地鐵明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)警值不超過6 mm，控制值不超過10 mm；結(jié)構(gòu)豎向位移預(yù)警值不超過6 mm，控制值不超過10 mm；軌道橫向高差移預(yù)警值不超過2 mm，控制值不超過4 mm［1］。

2.2 模型建立

本次計算采用三維模型［2］。模擬區(qū)域長310 m、寬220 m、深70 m；土層厚度：填土2.0 m、黏土4.8 m、細(xì)砂4.8 m、稍密卵石土1.9 m、中密卵石土1.4 m、強(qiáng)風(fēng)化泥巖2.2 m、中風(fēng)化泥巖20 m。見圖2。

圖2 計算模型

采用四面體模擬實體單元；地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬；圍護(hù)結(jié)構(gòu)換算成等剛度墻，采用板單元模擬；基坑內(nèi)支撐、腰梁及雙排樁之間的連梁采用梁單元模擬。圍巖在開挖過程中考慮塑性變形，破壞準(zhǔn)則采用修正摩爾-庫倫彈塑性準(zhǔn)則，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)和地塊圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅考慮彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)地質(zhì)報告提供的參數(shù)及工程經(jīng)驗，考慮安全性分析需要，對一定深度范圍內(nèi)巖土類別相近的土體進(jìn)行了合并，對土層參數(shù)進(jìn)行綜合取值?；訃o(hù)樁和混凝土支撐采用C30鋼筋混凝土，地鐵明挖區(qū)間框架結(jié)構(gòu)采用C35鋼筋混凝土。

模型計算荷載主要包括：自重、土壓力、水壓力、超載、建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載。

2.3 計算工況

考慮基坑施工過程中將會進(jìn)行坑外管井降水，建成后，地下水回升，基坑降水會對區(qū)間結(jié)構(gòu)變形有一定影響，模擬計算過程中考慮地下水位差的作用，區(qū)間西側(cè)降水至地面以下約8.5 m，東側(cè)降水至地面以下約5.5 m。計算工況如下［3］：

1）地層及既有地鐵區(qū)間模型建立及計算（初始工況）；

2）樁基施工，鄰近地鐵區(qū)間側(cè)注漿加固；

3）降水至地面以下約8.5 m；

4）基坑整體分層開挖至地面以下3.5 m；

5）基坑整體分層開挖至地面以下10.5 m；

6）預(yù)留核心土，T2、T3區(qū)域分層開挖至坑底；

7）T1區(qū)域施工，架設(shè)第1道混凝土支撐，開挖至第2道支撐處；

8）T1區(qū)域架設(shè)第2道混凝土支撐，開挖至坑底；

9）基坑回筑，T1區(qū)域施工B1～B4地下室，依次拆除混凝土支撐；

10）核心土上部分開挖至地面以下14.1 m，架設(shè)豎向斜撐；

11）核心土下部分開挖至坑底；

12）基坑回筑，T2、T3區(qū)域施工B3～B4地下室，拆除豎向斜撐；

13）T2、T3區(qū)域施工B1～B2地下室；14）回筑完畢，加載上部結(jié)構(gòu)荷載。

以上各工況僅考慮施工全過程中的最不利階段，計算重點(diǎn)分析基坑開挖卸載過程對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響。

2.4 計算結(jié)果

1）區(qū)間結(jié)構(gòu)變形值見表1。

表1 既有區(qū)間結(jié)構(gòu)變形mm

2）區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力值見表2。

表2 既有區(qū)間結(jié)構(gòu)底板內(nèi)力

在基坑開挖及回筑過程中，區(qū)間結(jié)構(gòu)最大水平位移3.44 mm、最大豎向位移3.17 mm，區(qū)間軌道橫向高差最大值為0.01 mm，均滿足控制值要求。既有區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化較小，能滿足受力要求。

3 結(jié)論及建議

在超高層民建項目基坑施工控制良好的情況下引起的結(jié)構(gòu)受力、位移變化較小，未超過規(guī)范規(guī)定安全控制值，可認(rèn)為該工程實施對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)在預(yù)測變形范圍內(nèi)是安全的，可滿足地鐵安全運(yùn)營的要求。

同時數(shù)值計算也反映出，降水和基坑開挖至坑底兩個工況對地鐵結(jié)構(gòu)變形影響較為明顯，故提出如下建議：

1）在基坑開挖、支護(hù)、主體回筑階段應(yīng)該嚴(yán)格控制各項施工質(zhì)量，確?；幼陨戆踩?；

2）降水施工應(yīng)嚴(yán)格控制出砂率，設(shè)置地下水回灌井，以減少地鐵明挖結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水位差；

3）土方回填時，主體結(jié)構(gòu)與地下室外墻之間的肥槽分層回填密實，在條形基礎(chǔ)外部以及樓板板面標(biāo)高處采用素混凝土回填，保證側(cè)向土壓力的傳遞，防止拆撐過程中地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；

4）合理安排土方開挖和支撐的施工，保證支護(hù)體系的均勻、對稱受力；

5）聘請專業(yè)監(jiān)測機(jī)構(gòu)對基坑和地鐵區(qū)間同步進(jìn)行自動化監(jiān)測，由施工引起的地鐵區(qū)間內(nèi)巡視和監(jiān)測應(yīng)持續(xù)至基坑回筑到地面后1月；

6）基坑施工前，制定完善的施工組織設(shè)計和應(yīng)急預(yù)案，在基坑開挖過程中遇地鐵區(qū)間位移預(yù)警，應(yīng)啟動應(yīng)急措施，控制區(qū)間位移。