強(qiáng)透水層深基坑施工對(duì)緊鄰地鐵車(chē)站影響分析*

方能榕,高 潔,余國(guó)梁,吳劍秋,林志龍,陳宇新

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 201200;2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,福建 福州 350108)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和建設(shè),城市高層和超高層建筑集中開(kāi)發(fā)區(qū)域往往也是城市軌道交通線網(wǎng)密集地帶,基坑工程都在往深、大、長(zhǎng)的方向發(fā)展,由基坑工程施工誘發(fā)的周?chē)h(huán)境問(wèn)題頻發(fā),其引起的鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形將會(huì)嚴(yán)重影響地鐵結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性[1]。

基坑工程是涉及諸多學(xué)科的系統(tǒng)工程,包含支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工、地下水控制、土方開(kāi)挖與回填等多項(xiàng)內(nèi)容,這其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)對(duì)施工進(jìn)度、周邊環(huán)境甚至人員安全等造成影響[2]。針對(duì)基坑開(kāi)挖施工對(duì)鄰近隧道的影響,學(xué)者們采用理論計(jì)算、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對(duì)此展開(kāi)了研究,如張治國(guó)等[3]基于Pasternak地基模型提出雙基坑開(kāi)挖引起鄰近既有隧道縱向變形的兩階段簡(jiǎn)化分析方法,該簡(jiǎn)化解析法精度較高且計(jì)算簡(jiǎn)便。閆旭麗等[4]推導(dǎo)了既有盾構(gòu)隧道在鄰近基坑開(kāi)挖卸荷作用下周?chē)馏w中各點(diǎn)應(yīng)力路徑演變規(guī)律,得到基坑施工對(duì)既有隧道周?chē)馏w應(yīng)力的擾動(dòng)程度、擾動(dòng)范圍及安全程度。張玉偉等[5]設(shè)計(jì)了非對(duì)稱荷載作用下基坑卸載、再卸載對(duì)既有隧道影響的離心試驗(yàn),深入研究了基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響?；谇叭说难芯?基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道帶來(lái)的影響可以分為兩方面,一方面由于坑內(nèi)土體開(kāi)挖卸載使圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體發(fā)生變形,進(jìn)而導(dǎo)致緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)隨土體發(fā)生變形;另一方面,由基坑的開(kāi)挖直接引起緊鄰結(jié)構(gòu)的變形和破壞[6-7]。

基坑工程另一個(gè)重要內(nèi)容是地下水控制?；咏邓畷?huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響,一方面是降水引起地層有效應(yīng)力的增加使地層發(fā)生固結(jié)沉降[8];另一方面是滲流作用,水體流動(dòng)帶動(dòng)土體細(xì)顆粒的運(yùn)移,使原有地層微觀孔隙和土骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而令局部地層發(fā)生變形[9-11]。針對(duì)基坑降水帶來(lái)的問(wèn)題,周勇等[12]以蘭州地鐵1號(hào)線某車(chē)站基坑支護(hù)工程為背景,借助有限元軟件ADINA全面分析了基坑開(kāi)挖降水過(guò)程中地下管道的位移,分析結(jié)果表明,車(chē)站深基坑開(kāi)挖及降水對(duì)地下管道的位移有顯著影響。陳永才等[13]分析了基坑降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響的原因,尤其是對(duì)承壓水問(wèn)題,著重分析了隔斷承壓水的設(shè)計(jì),并提出相應(yīng)問(wèn)題的處理方案。對(duì)于基坑降水引起的滲流問(wèn)題,孫文娟等[14]建立了三維有限元分析模型,充分研究了上海浦東新區(qū)某基坑工程開(kāi)挖降水過(guò)程中地下水位、土體滲流場(chǎng)的變化及坑內(nèi)外地面沉降。趙明[15]利用FLAC3D有限差分分析程序,基于流固耦合功能模擬了基坑開(kāi)挖降水的三維流固耦合作用,得到基坑周?chē)ㄖ镌诓煌r下的相關(guān)沉降規(guī)律。

綜上所述,本文以福建省內(nèi)某防洪排澇深基坑工程為背景,利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維模型模擬基坑施工工況,分析該基坑工程施工全過(guò)程對(duì)鄰近已建地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響,針對(duì)基坑工程施工帶來(lái)的問(wèn)題,提出針對(duì)性的技術(shù)控制措施,以期為福建省類(lèi)似基坑工程施工提供工程經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某工程為新建防洪排澇深基坑工程,建設(shè)內(nèi)容包含涵洞豎井、排水箱涵、排澇泵站和水閘,項(xiàng)目位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》對(duì)工程外部作業(yè)影響等級(jí)的判定,新建1號(hào)排水箱涵和水閘基坑的施工對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響為特級(jí),因此,本文利用有限元軟件PLAXIS 3D,全面分析該防洪排澇深基坑工程施工對(duì)緊鄰地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 基坑支護(hù)情況

該深基坑工程以既有地鐵排水箱涵作為銜接段,左側(cè)銜接新建1號(hào)排水箱涵,右側(cè)銜接新建水閘,銜接處采用水泥攪拌樁加固,樁底位于中砂層,與已建地鐵排水箱涵頂板的距離約0.5m,基坑具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地鐵箱涵銜接段基坑支護(hù)

新建1號(hào)排水箱涵基坑支護(hù)橫斷面如圖3所示,基坑為長(zhǎng)條形,長(zhǎng)約50m,寬約14.0m,開(kāi)挖高度約11.5m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+3道鋼支撐,坑底采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固,側(cè)壁設(shè)置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

圖3 新建1號(hào)排水箱涵基坑支護(hù)橫斷面(單位:cm)

新建水閘基坑支護(hù)橫斷面如圖4所示,基坑長(zhǎng)29.1m、寬19.2m,基坑開(kāi)挖高度13.5m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+3道內(nèi)支撐,坑底用高壓旋噴樁進(jìn)行加固,側(cè)壁設(shè)置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

1.3 基坑降水設(shè)計(jì)情況

本工程地下水埋深0.3～3.0m,場(chǎng)地內(nèi)均分布透水性強(qiáng)的砂、砂卵石層,地下水水量較豐富,各砂土層為地基主要的含水層,因此,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,為了防止失穩(wěn)、坑底隆起、管涌等問(wèn)題,布置6口降水井使地下水位降至低于開(kāi)挖面,同時(shí)設(shè)置9口回灌井,避免由于基坑內(nèi)水位不均勻下降引起周邊地基土不均勻沉降,具體布置如圖5所示。

圖5 基坑降水井及回灌井平面布置

2 分析模型建立

2.1 模型邊界條件及參數(shù)取值

模型邊界條件為:①本構(gòu)模型方面各土體均采用硬化土模型。其中,對(duì)應(yīng)硬化土模型,基于工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)于軟土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1.5∶8,對(duì)于黏土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶5,對(duì)于砂土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶3;②計(jì)算中不考慮地層的次固結(jié)及蠕變沉降;③考慮到地鐵箱涵銜接段未完全封閉,且地層為透水的中砂層,數(shù)值模擬中考慮基坑內(nèi)一次性降水至坑底以下0.5m,水位最高下降7.1m,坑外水位下降2m;④根據(jù)工程實(shí)際需要,既有車(chē)站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑開(kāi)挖和回填同步進(jìn)行;⑤模型結(jié)構(gòu)中,基坑鉆孔灌注樁、鋼板樁及車(chē)站結(jié)構(gòu)等均采用板單元,角撐、內(nèi)支撐、立柱采用梁?jiǎn)卧?水泥攪拌樁采用實(shí)體單元,車(chē)站下方工程樁采用樁單元(見(jiàn)表1～3)。

表1 巖土參數(shù)取值

表2 材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及強(qiáng)度等級(jí)

2.2 建立模型

采用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行建模分析,模型如圖6所示,模型尺寸為212.0m×128.0m×64.3m。模型計(jì)算主要針對(duì)防洪排澇工程基坑降水、開(kāi)挖、水位恢復(fù)及通水階段對(duì)緊鄰地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 數(shù)值模型

2.3 施工工況

根據(jù)工程設(shè)計(jì),新建防洪排澇工程的施工工序如下:①初始工況 生成車(chē)站結(jié)構(gòu)、地鐵排水箱涵;②工況1 箱涵、水閘基坑側(cè)壁支護(hù)施工;③工況2 基坑內(nèi)降水7.1m,坑外水位下降2m;④工況3 箱涵、水閘基坑施加第1道內(nèi)支撐;⑤工況4 箱涵、水閘基坑開(kāi)挖第1層土;⑥工況5 箱涵、水閘基坑施加第2道內(nèi)支撐;⑦工況6 箱涵、水閘基坑開(kāi)挖第2層土;⑧工況7 箱涵、水閘基坑施加第3道內(nèi)支撐;⑨工況8 箱涵、水閘基坑開(kāi)挖至坑底;⑩工況9 拆除第3道內(nèi)支撐;工況10 拆除第2道內(nèi)支撐;工況11 拆除第1道內(nèi)支撐;工況12 水位恢復(fù)至8.000m;工況13 箱涵、水閘通水。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)位移變化

數(shù)值模擬的位移數(shù)據(jù)如表4所示。由于篇幅限值,提取工況2,4,6,8,12,13車(chē)站結(jié)構(gòu)z方向的位移云圖,如圖7所示。

表4 車(chē)站結(jié)構(gòu)位移累計(jì)值

圖7 車(chē)站結(jié)構(gòu)z方向位移變化

模擬結(jié)果表明:

1)對(duì)比分析所有施工工況車(chē)站結(jié)構(gòu)的位移變化情況可知,基坑施工過(guò)程中,基坑降水、開(kāi)挖卸載及水位恢復(fù)對(duì)緊鄰地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的位移影響較大。

2)車(chē)站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑及周邊地表降水時(shí)(工況3),車(chē)站結(jié)構(gòu)位移發(fā)生較大變化,其中z方向沉降值達(dá)到-10.53mm,與上一工況相比,增量達(dá)9.41mm。這說(shuō)明基坑及周邊地表降水后,土中的孔隙水壓力減小,土體的有效應(yīng)力增大,使得土體產(chǎn)生固結(jié)壓密現(xiàn)象,進(jìn)而加大對(duì)緊鄰車(chē)站結(jié)構(gòu)的豎向作用,因此降水主要引起緊鄰車(chē)站結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向沉降,對(duì)水平位移的影響較小。

3)對(duì)比工況4,6,8的位移數(shù)值可知,基坑在逐步開(kāi)挖過(guò)程中,緊鄰的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)水平位移較小,z方向的位移值從-8.57mm到-5.69mm,車(chē)站結(jié)構(gòu)呈隆起趨勢(shì),說(shuō)明基坑開(kāi)挖卸載,基坑土體發(fā)生回彈變形,銜接處的車(chē)站結(jié)構(gòu)由于土壓力的卸荷作用,產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。

4)工況12為基坑通過(guò)回灌水位恢復(fù)至8.000m的模擬結(jié)果,相比于工況11,車(chē)站結(jié)構(gòu)沉降值減小4.02mm,說(shuō)明基坑回灌可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降。

5)工況13模擬了防洪排澇深基坑工程施工完成后,新建排水箱涵、水閘及既有地鐵箱涵通水運(yùn)營(yíng)情況,模擬結(jié)果表明,加上水壓力后,車(chē)站結(jié)構(gòu)的位移變化量在1mm內(nèi),說(shuō)明防洪排澇工程運(yùn)營(yíng)期間對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響較小。

3.2 軌道高差分析

提取車(chē)站軌道豎向位移(見(jiàn)圖8),計(jì)算結(jié)果如表5所示。既有左、右線軌道高差(矢度值)最大值發(fā)生在地鐵箱涵銜接段,最大值分別為1.85,1.11mm,均小于CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的4mm;既有左、右線軌道橫向高差分別為1.06,1.03mm,小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的4mm。

表5 分析計(jì)算變形量

圖8 軌道豎向位移

4 基坑施工控制措施

本防洪排澇深基坑工程緊鄰既有地鐵車(chē)站,施工作業(yè)條件和施工工序復(fù)雜,由數(shù)值模擬得到該工程施工時(shí)基坑降水、開(kāi)挖卸載及水位恢復(fù)對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響較大,建議施工過(guò)程中采取以下措施。

1)大面積的基坑降水使周?chē)馏w產(chǎn)生固結(jié)壓密現(xiàn)象,引起緊鄰車(chē)站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大豎向沉降,基坑降水應(yīng)按需進(jìn)行分步降水。施工過(guò)程中需加強(qiáng)坑外水位監(jiān)測(cè),控制坑外水位變化≤1m,必要時(shí)增設(shè)回灌井。回灌井應(yīng)根據(jù)降水影響范圍和周邊建(構(gòu))筑物的位置進(jìn)行布置,對(duì)于變形敏感或重要性等級(jí)較高的建(構(gòu))筑物應(yīng)增設(shè)回灌井。

2)項(xiàng)目基坑為長(zhǎng)條形,基坑深度較大,基坑開(kāi)挖卸載時(shí)引起土體發(fā)生回彈變形,銜接處的車(chē)站結(jié)構(gòu)由于土壓力的卸荷作用,產(chǎn)生隆起現(xiàn)象,為了避免大面積卸荷和大面積降水引起地鐵設(shè)施變形過(guò)大,建議基坑開(kāi)挖時(shí)分段實(shí)施和間隔開(kāi)挖,建議分段開(kāi)挖長(zhǎng)度≤30m。

3)防洪排澇深基坑工程與地鐵排水箱涵銜接處采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固,并設(shè)置注漿導(dǎo)管對(duì)箱涵頂板上方進(jìn)行封閉,該處地層為中砂層,建議基坑施工前進(jìn)行注漿試驗(yàn),基坑開(kāi)挖前應(yīng)試降水,測(cè)試基坑封閉情況。

4)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑應(yīng)嚴(yán)格按同期實(shí)施的要求,基坑開(kāi)挖和回填同步進(jìn)行,且兩側(cè)土體開(kāi)挖、回填高差建議控制在2m內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)基坑施工全過(guò)程中,大面積的基坑降水會(huì)使土中的孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力增大,緊鄰車(chē)站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大豎向沉降。通過(guò)回灌井使水位恢復(fù)可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降。

2)基坑在逐步開(kāi)挖過(guò)程中,緊鄰的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)由于土壓力卸荷作用,車(chē)站結(jié)構(gòu)豎向位移呈隆起趨勢(shì),產(chǎn)生隆起現(xiàn)象?；娱_(kāi)挖對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)的水平位移影響較小。

3)根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料,基于數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)合基坑施工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題,建議采取相應(yīng)的技術(shù)措施以控制基坑施工對(duì)緊鄰地鐵車(chē)站的影響,確保既有結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營(yíng)。