軟弱土地區(qū)基坑工程對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

張 杰, 沈曉偉, 管珊珊

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.南京地鐵集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210008)

近幾年,隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn),城市交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展迅速,地鐵沿線作為眾多開發(fā)項(xiàng)目首選的黃金地段,不乏與既有地鐵結(jié)構(gòu)鄰近工程。南京有長(zhǎng)江漫灘、滁河漫灘、秦淮河漫灘等軟弱土區(qū)域,軟土強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高,砂層深厚、承壓水頭高、滲透性大,南京有30%地鐵線路位于漫灘區(qū)范圍內(nèi),施工過(guò)程中極易引起臨近地鐵結(jié)構(gòu)變形,誘發(fā)管片開裂、漏水等病害,影響地鐵結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng),如何有效控制基坑施工產(chǎn)生的變形影響研究顯得十分必要。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已有相關(guān)研究,袁靜等[1]以杭州軟土地層條件下深基坑工程對(duì)地鐵隧道及車站變形影響分析為例,通過(guò)采取較高剛度的雙排樁等措施,有效地控制了地鐵結(jié)構(gòu)變形;黃睿等[2]利用三維激光掃描技術(shù)分析軟土地區(qū)深基坑開挖對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響;楊東雷等[3]、郭典塔等[4]分析了基坑與地鐵區(qū)間隧道水平、豎向凈距變化對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律。

但目前針對(duì)施工各工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形發(fā)展趨勢(shì)的研究相對(duì)較少,本文以鄰近南京地鐵既有2號(hào)線魚嘴站-天保街站(含)明挖區(qū)間的基坑工程為例,研究基坑各工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形發(fā)展趨勢(shì),以及在確保能滿足地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形標(biāo)準(zhǔn)時(shí),采用選擇正確的懸掛式止水帷幕區(qū)域和長(zhǎng)度,可有效合理節(jié)約項(xiàng)目投資,為類似項(xiàng)目工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

基坑工程位于地鐵2號(hào)線魚嘴站-天保街站(含)明挖區(qū)間北側(cè),基坑長(zhǎng)度約為251.8 m,寬度約為46.7～75.1 m,基坑分為一、二兩期,一期為地下一層,開挖深度約5.0～6.4 m;二期為地下二層,臨近地鐵側(cè)開挖深度約8.6～10.5 m?；又ёo(hù)與地鐵明挖區(qū)間、車站主體、5號(hào)出入口、6號(hào)出入口最小水平距離分別約為15.5、15.0、16.3和19.1 m,對(duì)應(yīng)明挖區(qū)間、天保街站車站主體、5號(hào)出入口、6號(hào)出入口的埋深分別約為16.4、15.6、13.0和13.0 m,如圖1所示。

圖1 基坑工程與地鐵平面關(guān)系(單位:m)

1.1 地鐵結(jié)構(gòu)概況

天保街站為地下兩層雙(三)跨箱形結(jié)構(gòu),車站共設(shè)置7個(gè)出入口和3組風(fēng)道,車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地連墻,墻底進(jìn)入巖層,車站底板以下設(shè)置減沉樁,樁底位于中粗砂層。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,自運(yùn)營(yíng)以來(lái),地鐵結(jié)構(gòu)工后累計(jì)沉降量最大值為4.6 mm,百日變化速率最大值 0.021 mm/d,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 基坑工程概況

地塊上部為5棟主樓、3棟附屬用房,基坑地下1層支護(hù)采用三軸攪拌樁內(nèi)插管樁,基坑地下2層采用鉆孔樁支護(hù)+TRD止水(入強(qiáng)風(fēng)化巖深度不少于1.0 m),基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

1.3 地質(zhì)概況

擬建工程屬于長(zhǎng)江漫灘地貌,基坑從上到下主要為1-1雜填土、1-2素填土,2-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。承壓水主要為2-3層粉砂夾薄層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、2-4層粉土～粉砂、2-5層粉細(xì)砂、3層中粗砂、4層中粗砂含礫卵石,具體土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 MADIS數(shù)值影響分析

2.1 計(jì)算模型

本文采用MIDAS-GTS軟件建立數(shù)值模型,模型尺寸為610 m(長(zhǎng))×240 m(寬)×65 m(深),共劃分118 314個(gè)網(wǎng)格單元,86 238個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖3所示。模型在垂直于隧道延伸方向兩側(cè)邊界約束其x方向位移、隧道延伸方向兩側(cè)邊界約束其y方向位移,底部邊界約束其z方向位移,地表為自由邊界,臨時(shí)立柱樁根據(jù)實(shí)際情況約束其旋轉(zhuǎn)。

圖3 基坑支護(hù)模型

在模型中,土體采用實(shí)體單元混合網(wǎng)格模擬,計(jì)算分析土層采用修正M-C模型,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)管片、基坑外擋土墻(攪拌樁加固)采用2D板單元(shell element)模擬,具體詳見表2所示;模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表2 分析單元類型與本構(gòu)模型

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

為真實(shí)反映基坑開挖施工過(guò)程對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響,模擬步驟與實(shí)際開挖步驟一致,具體步驟見表4,開挖分區(qū)具體如圖4所示。

表4 施工分析步序

圖4 基坑施工分區(qū)

2.2 結(jié)果分析

由表5和圖5可知,對(duì)地鐵車站、明挖區(qū)間產(chǎn)生x方向(東西向)最大水平位移為0.73 mm,位于工況13即基坑⑧開挖,對(duì)地鐵車站、明挖區(qū)間產(chǎn)生x方向最大水平位移隨基坑工序推進(jìn)基本呈現(xiàn)線性增加,增量約為0.03～0.06 mm/步,在工況13達(dá)到峰值,工況14、15的x方向最大水平位移數(shù)值基本與工況13持平;對(duì)地鐵車站、明挖區(qū)間產(chǎn)生y方向最大水平位移為2.86 mm,同樣位于工況13即基坑⑧開挖,但與x方向最大水平位移線性增加不同,y方向(南北向)最大水平位移變化曲線上有3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別為工況3、工況9、工況11,轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后y方向最大水平位移增幅明顯出現(xiàn)不一樣,且隨著基坑工序發(fā)展增幅呈變大趨勢(shì),在工況13達(dá)到峰值,工況14、15的y方向最大水平位移數(shù)值開始下降;對(duì)地鐵車站、明挖區(qū)間產(chǎn)生z方向(豎向)最大豎向位移為-0.63 mm,位于工況15即上部荷載施作,其變化趨勢(shì)與x方向最大水平位移較為類似,整體數(shù)值相對(duì)于x方向最大水平偏小。

表5 基坑各工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及出入口影響 mm

圖5 基坑工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形影響

由表5和圖6可知,對(duì)地鐵5號(hào)出入口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生x方向最大水平位移為-4.98 mm,位于工況15即上部結(jié)構(gòu)施作,對(duì)地鐵5號(hào)出入口產(chǎn)生x方向最大水平位移隨基坑工序推進(jìn)呈現(xiàn)增幅逐漸變緩趨勢(shì),工況7之前x方向最大水平位移增幅均值約為25%左右,工況7之后x方向最大水平位移增幅約為2.7%,主要由于工況7之后基坑開挖面距離地鐵5號(hào)出入口距離較遠(yuǎn),影響程度降低,引起增量較小;對(duì)地鐵5號(hào)出入口產(chǎn)生y方向最大水平位移為1.09 mm,位于工況13即基坑⑧開挖,與x方向最大水平位移變化相似,y方向最大水平位移增幅呈逐漸變緩趨勢(shì),其在工況5之前y方向最大水平位移增幅均值約為66%左右,工況5之后y方向最大水平位移增幅約為2%～9%,可以看出,y方向最大水平位移比x方向最大水平位移對(duì)基坑開挖面與地鐵5號(hào)出入口水平距離敏感,但變形位移數(shù)值僅為x方向最大水平位移的1/5;對(duì)地鐵5號(hào)出入口產(chǎn)生z方向最大豎向位移為-2.49 mm,位于工況15即上部荷載施作,其變化趨勢(shì)呈現(xiàn)線性緩慢增加,增幅約為3%。

圖6 基坑工況對(duì)5號(hào)出入口變形影響

與5號(hào)出入口不同,6號(hào)出入口位于基坑正投影范圍,其布局與地鐵車站、結(jié)構(gòu)同方向。由表5和圖7發(fā)現(xiàn),地鐵6號(hào)出入口變形結(jié)果與表5和圖5較為類似,但變形數(shù)值上,6號(hào)出入口明顯大于地鐵結(jié)構(gòu),6號(hào)出入口的x方向最大水平位移是地鐵結(jié)構(gòu)的3.3倍,6號(hào)出入口的y方向最大水平位移是地鐵結(jié)構(gòu)的1.4倍,6號(hào)出入口的z方向最大豎向位移是地鐵結(jié)構(gòu)的5.5倍。主要由于出入口深度相對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)較淺,與基坑深度較接近,影響更為強(qiáng)烈。

圖7 基坑工況對(duì)6號(hào)出入口變形影響

從上述分析可知,基本工況13是最為關(guān)鍵工序,也基本是變形最大點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范要求[5],地鐵結(jié)構(gòu)水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm,可知地鐵變形可控。

3 降水對(duì)地鐵的影響分析

3.1 降水設(shè)計(jì)

基坑承壓含水層為2-3層粉砂夾薄層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、2-4層粉土～粉砂、2-5層粉細(xì)砂、2-6層粉細(xì)砂、3層中粗砂、4層中粗砂含卵礫石。經(jīng)計(jì)算,地下一層地下室抗突涌穩(wěn)定性滿足要求,無(wú)須減壓降水,采用三軸攪拌樁全封閉止水。地下二層地下室區(qū)域抗突涌穩(wěn)定性不滿足要求,需減壓降水。

地下水抽排危害已有很多研究[6-8],為掌握地鐵結(jié)構(gòu)隨地下水位變形情況,利用PLAXIS軟件將地下水位分別降低0.5 m、1.0 m、2.0 m,引起地鐵結(jié)構(gòu)變形如表6所示。

根據(jù)規(guī)范要求[5],地鐵結(jié)構(gòu)水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm。由此可知,地鐵結(jié)構(gòu)周邊最大水位變化約為1.0 m。

3.2 分析結(jié)果

為確保地鐵結(jié)構(gòu)安全,近地鐵側(cè)止水帷幕采用TRD(55 m)進(jìn)入下部巖層;遠(yuǎn)地鐵側(cè)角部基于影響范圍和經(jīng)濟(jì)角度,止水帷幕采用三軸攪拌樁懸掛方式,并通過(guò)設(shè)置不同長(zhǎng)度(30 m、35 m和40 m)的止水帷幕(具體布置見圖8),對(duì)地鐵區(qū)域的水位降深和地層沉降進(jìn)行計(jì)算,對(duì)滿足地鐵保護(hù)要求的止水帷幕長(zhǎng)度進(jìn)行分析。采用Modflow分析軟件,模型尺寸約為870 m×700 m,四周均按定水頭邊界處理,將基坑坑內(nèi)水頭降至坑底以下0.5～1.0 m。

圖8 基坑止水帷幕分布

由圖9可知,止水帷幕深度30 m時(shí),降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.097 m、0.293 m;止水帷幕深度35 m時(shí),降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.079 m、0.264 m;止水帷幕深度40 m時(shí),降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.069 m、0.249 m。根據(jù)允許值和降深影響值,止水帷幕深度可按30 m考慮,水位降深趨于平緩,繼續(xù)增加止水帷幕長(zhǎng)度意義不大。因此在確保能滿足地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形標(biāo)準(zhǔn)時(shí),采用選擇正確的懸掛式止水帷幕區(qū)域和長(zhǎng)度,能有效合理控制項(xiàng)目投資。

圖9 不同止水帷幕深度下地下水位變化

4 結(jié)論與建議

(1)相鄰地鐵車站、明挖區(qū)間最大水平位移(x方向)隨基坑開挖呈線性增加,增量約為0.03～0.06 mm/步;y方向最大水平位移出現(xiàn)階段性增長(zhǎng);最大豎向位移(z方向)與最大水平位移(x方向)類似,但數(shù)值相對(duì)其較小。

(2)當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)位于基坑端部一側(cè)時(shí),地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移y方向比x方向小,僅為其1/5。

(3)當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)位于基坑中部一側(cè)時(shí),重點(diǎn)關(guān)注出入口變形,其數(shù)值明顯大于地鐵車站和區(qū)間結(jié)構(gòu)。

(4)地鐵結(jié)構(gòu)可承受最大水位變化約為1.0 m,據(jù)此確定最為經(jīng)濟(jì)的止水帷幕長(zhǎng)度。