新建基坑施工對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響

藺云宏

摘 要：本文以鄭州市軌道交通4號線龍湖島站為研究對象，通過數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析研究新建基坑施工對該地鐵車站結(jié)構(gòu)變形的影響，并針對基坑施工提出了一些針對性的技術(shù)措施，以期為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：基坑;地鐵車站;變形;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU753;U231文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0102-03

Study of the Influence of a New Foundation Pit Construction

on the Structure of the Existing Subway Station

LIN Yunhong

（Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： Taking Longhudao Station of Zhengzhou rail transit line 4 as the research object， this paper studied the influence of new foundation pit construction on the structural deformation of the subway station through numerical simulation and data analysis， and put forward some targeted technical measures for foundation pit construction， so as to provide reference for similar projects.

Keywords： pit;subway station;deformation;numerical simulation

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各個(gè)城市的地鐵建設(shè)越來越多。地鐵屬于重大工程，施工完成后的地鐵需要重點(diǎn)保護(hù)。新建基坑工程在施工過程中不能影響地鐵的結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全，因此在地鐵附近施工需要研究評估其對既有地鐵的影響[1-2]。

1 工程概況

龍湖島站為鄭州市軌道交通4號線龍湖市政配套工程的一個(gè)中間站，位于規(guī)劃的副CBD環(huán)路與龍行路路口，南北向敷設(shè)，西鄰龍?jiān)词炙淼?。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，主體與附屬結(jié)構(gòu)基坑采用放坡開挖，車站頂板略高于東側(cè)地面。

新建基坑與地鐵車站（龍湖島站）最小凈距為36.3 m，與車站擴(kuò)大端結(jié)構(gòu)的凈距為67.3 m。鄰近地鐵側(cè)的基坑采用兩級放坡+Φ1 100 mm@1 300 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式，豎向設(shè)置兩道混凝土撐。新建基坑與地鐵車站的相互位置關(guān)系如圖1所示。

2 工程地質(zhì)水文概況

本場地勘探深度范圍內(nèi)地基土屬第四系（Q）沉積地層，地層從上到下主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)（Q4）粉土、粉質(zhì)黏土、粉、細(xì)、中砂、第四系上更新統(tǒng)（Q3）粉土、粉質(zhì)黏土。

場地地下水類型為第四紀(jì)松散巖類潛水。地下水主要賦存于約14 m以下細(xì)砂層中，穩(wěn)定地下潛水水位埋深介于6.2～5.6 m（水位高程為76.74～79.34 m）。據(jù)調(diào)查，本站區(qū)場地近3～5年最高水位埋深約2.0 m（水位高程約83.50 m）。考慮到因龍湖蓄水對區(qū)內(nèi)地下水位的影響，建議龍湖島站抗浮水位按現(xiàn)狀地表（高程85.5 m）。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果

3.1 計(jì)算模型

由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計(jì)算過程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡化，在本次數(shù)值模擬中采用了以下假定。

第一，本次有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用“修正莫爾-庫倫”彈塑性模型，模型中周圍土體采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料。

第二，選取模擬邊界條件時(shí)除了頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。

考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，本文采用有限元軟件模擬，計(jì)算模型取新建基坑與龍湖島站的有效影響范圍。根據(jù)模型的簡化，本次模擬取200×50的土體作為考察范圍，重點(diǎn)考察龍湖島站結(jié)構(gòu)由于施工產(chǎn)生的變形及受力情況。計(jì)算模型如圖2所示。

計(jì)算荷載考慮以下三方面：第一，既有車站、出入口等自重;第二，土體豎向自重;第三，地面超載5 kPa。

3.2 模擬工序

根據(jù)施工方案，新建基坑模型開挖分為以下三個(gè)階段進(jìn)行，包括圍護(hù)樁、止水帷幕施工，土體開挖，基坑底施加建筑荷載，具體階段見表1。

3.3 模擬計(jì)算分析

新建基坑的施工過程對龍湖島站結(jié)構(gòu)及地表產(chǎn)生一定程度的附加變形，為有效了解這種附加變形，將分析各工序下車站結(jié)構(gòu)的橫向變形和豎向變形。為了反映既有結(jié)構(gòu)的變形情況及規(guī)律，研究者提取了各階段在施工完成后既有結(jié)構(gòu)的變形云圖，分析既有結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果和規(guī)律。

每階段豎向變形云圖如圖3至圖5所示，橫向變形云圖如圖6至圖8所示。

3.4 模擬計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

通過建立二維地層-結(jié)構(gòu)模型，對以上龍湖島站各結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算分析可以得出，由于新建工程的施工，既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的豎向變形和橫向變形。本次計(jì)算分析的變形結(jié)果如表2所示。

綜上所述：新建基坑的施工過程對龍湖島站各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響在可控范圍之內(nèi)，基坑施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)的變形均在地鐵安全運(yùn)營范圍之內(nèi)。在正常施工時(shí)，要采取一定監(jiān)測措施，確保既有地鐵安全運(yùn)營。

4 新建基坑施工建議

第一，新建基坑施工前須進(jìn)一步查明擬建場地地下管線的具體情況，并充分考慮其可能給設(shè)計(jì)、施工帶來的不利影響。

第二，既有車站及附屬結(jié)構(gòu)與新建基坑之間地面不應(yīng)作為堆載或者重車行駛路線。

第三，施工期間應(yīng)做好地鐵側(cè)范圍地下水水位的監(jiān)測工作，防止地鐵側(cè)地下水出現(xiàn)大幅下降。

第四，考慮新建基坑開挖的“時(shí)空效應(yīng)”，遵循“縱向分段、豎向分層、橫向分塊、先撐后挖、快速封底”的原則。開挖時(shí)要嚴(yán)格控制每步開挖土方的空間尺寸，并盡量減少每步開挖中一部分基坑未支護(hù)前的暴露時(shí)間，基坑開挖做到分層分塊，每層厚度不得超過2 m，放緩開挖速度，嚴(yán)格按照信息化數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。

第五，新建基坑開挖嚴(yán)格按照論證過的施工方案進(jìn)行組織施工，盡量減小土體暴露的時(shí)間及范圍，充分利用結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)減小既有車站的變形。

第六，控制分層、分段距離;及時(shí)架設(shè)支撐，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)預(yù)加軸力;開挖至基底后應(yīng)盡快施作底板，控制基底回彈變形。

第七，施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況施作地面排水設(shè)施，設(shè)置擋水圈或截水溝，防止土體塌落，給施工帶來不利的影響。

第八，施工結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)對臨近基坑既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)查，并根據(jù)后評估結(jié)論對影響結(jié)構(gòu)耐久性或者運(yùn)營的裂縫等病害進(jìn)行修復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃宏偉.城市隧道與地下工程的發(fā)展與展望[J].地下空間，2001（4）：311-317，339-340.

[2]孫鈞.國內(nèi)外城市地下空間資源開發(fā)利用的發(fā)展和問題[J].隧道建設(shè)（中英文），2019（5）：699-709.