基坑施工對緊鄰地鐵出入口影響分析

李瑞超

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

隨著城市化進程的不斷加快,地鐵作為解決城市交通擁堵的主要手段也隨著迅猛發(fā)展,不少城市地鐵線網(wǎng)逐漸成型,在地鐵線網(wǎng)的存在下,后續(xù)民建、市政等新建工程不可避免與地鐵存在鄰近和穿越關(guān)系,其中基坑鄰近地鐵結(jié)構(gòu)便是其中最為普遍的一種?；邮┕χ車馏w造成擾動,從而會引起鄰近的地鐵車站或隧道結(jié)構(gòu)的位移和變形,給地鐵安全產(chǎn)生影響[1-2]。因此,在基坑施工時要采取各種手段,綜合評估基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響,采取針對性的施工控制措施,保證地鐵安全。目前針對基坑施工對地鐵出入口的影響研究,近年來主要有:唐鵬軍[3]以數(shù)值分析手段對鄰近地鐵出入口深基坑支護方案進行了研究及優(yōu)化,作者認為深基坑施工應(yīng)遵循分層、限時和先支護后開挖原則,同時以合理的施工組織和嚴格的現(xiàn)場監(jiān)測,保證地鐵出入口結(jié)構(gòu)安全;宮本福[4]采用數(shù)值手段分析了是否考慮既有地鐵圍護結(jié)構(gòu)的2種工況下新建基坑對既有地鐵出入口結(jié)構(gòu)的變形影響,認為圍護結(jié)構(gòu)對于出入口變形控制有利;張鵬[5]分析了基坑開挖施工中臨近車站出入口結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律,研究認為出入口水平位移隨開挖深度的增加逐漸變大,豎向位移在結(jié)構(gòu)頂部遠離和靠近基坑側(cè)變化情況不同,靠近基坑側(cè)出入口頂部隨著基坑開挖持續(xù)增大,遠離基坑側(cè)出入口頂部位移有先上升后下降的變化趨勢;閆磊[6]以數(shù)值手段分析基坑施工過程對地鐵出入口結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響,研究顯示出入口變形主要集中于結(jié)構(gòu)臨近基坑側(cè)出地面位置。

本文依托合肥某鄰近地鐵的商業(yè)中心基坑工程,建立了基坑與地鐵出入口結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,分析了基坑開挖、地下室施工及上部建筑物施工3個主要施工階段下出入口結(jié)構(gòu)位移情況。

1 工程概況

合肥市蜀山區(qū)長江西路634號地塊項目位于長江西路與懷寧路交叉口(東北角)。項目地塊總體呈長方形,外圍周長約558 m,長約187.0 m,寬約96.0 m,項目占地面積約17 842 m2。項目與軌道交通2號線十里廟站及A號出入口臨近。擬建地下室外墻輪廓線與A出入口結(jié)構(gòu)外邊緣線最近處為1.91 m,部分地下室進入軌道交通10 m嚴格保護區(qū)內(nèi)。

地塊里主要包含兩棟塔樓及裙房:地塊南側(cè)塔樓為酒店,共22F—23F,高95.10 m～98.80 m;北側(cè)塔樓為公寓,共18F—19F,高81.80 m～85.70 m;裙房為酒店大堂及宴會廳,5F—6F,高度約28.10 m～33.82 m。建筑物采用筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)在⑩3中等風化巖上,天然地基。

2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

基坑整體采用排樁+內(nèi)支撐支護方案,支護具體形式如下:

A-C/D-E段:基坑上部結(jié)合原有擋墻采用格構(gòu)框架梁+鋼管斜撐方案開挖至標高約28.0 m處,下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內(nèi)支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm,樁長約22.0 m。

J-A/C-D段:基坑上部利用原有擋墻開挖至標高約28.0 m處,下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內(nèi)支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm,樁長約22.0 m。

鄰近地鐵側(cè)的基坑支護斷面(E-G段和G-J段)如圖1所示。

E-G段:基坑上部采用一級放坡,放坡至26.5 m左右,坡比為1∶1.0。下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內(nèi)支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 600 mm/1 400 mm,樁長約19.5 m～22.0 m。

G-J段:基坑上部采用一級放坡,開挖至25.5 m左右,坡比為1∶1.0,并設(shè)置鋼管土釘φ48×3.0@1 300 mm,土釘長度約4.5 m。下部采用鉆孔灌注樁+兩道混凝土內(nèi)支撐方案,鉆孔樁φ1 000@1 800 mm,樁長約18.5 m。

3 數(shù)值計算

3.1 模型概況

三維數(shù)值計算模型如圖2所示,模型中基坑與地鐵出入口相對位置關(guān)系如圖3所示。模型的計算范圍為202 m×121 m×38 m,模型單元數(shù)93 251,節(jié)點數(shù)81 531。其中,土體模型采用三維塊體單元模擬,樓板、側(cè)墻、圍護樁等采用板單元模擬;梁、柱、支撐等采用梁單元模擬。模型地基兩側(cè)約束水平位移,底部約束豎向位移。

模型中主要采用C30,C35兩種混凝土模擬基坑及地鐵出入口結(jié)構(gòu),其中鉆孔灌注樁(圍護)、冠梁、腰梁、支撐采用C30混凝土模擬,A出入口敞開段結(jié)構(gòu)(頂板、底板、側(cè)墻)、暗挖1段結(jié)構(gòu)、暗挖2段結(jié)構(gòu)、地下室底板、-1層板、-2層板、地下室頂板及外墻等均采用C35混凝土模擬,其中敞開段、暗挖1段、暗挖2段的示意圖如圖4所示,巖土體計算參數(shù)列于表1中。

表1 土體計算參數(shù)表

3.2 施工步設(shè)置

模擬施工步共有10步,具體設(shè)置如下:1)初始地應(yīng)力場分析,位移清零;2)A出入口施工,位移清零;3)圍護樁及立柱樁施工;4)基坑開挖至第一道支撐底;5)施工第一道支撐,基坑開挖至第二道支撐底;6)施工第二道支撐,基坑開挖至坑底;7)施工地下室3層,拆除第二道支撐;8)施工地下室2層,拆除第一道支撐;9)施工地下室1層;10)施加上部建筑物荷載。

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 敞開段位移

當上部建筑荷載施加完成后,出入口結(jié)構(gòu)敞開段水平位移及豎向位移云圖如圖5所示。結(jié)合施工過程中出入口結(jié)構(gòu)敞開段位移變化情況可知:1)基坑施工至坑底時,敞開段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.5 mm,4.3 mm,-0.8 mm,敞開段位移隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大,Y向水平位移遠大于其他方向位移,即主要向基坑方向移動;2)地下室施工完成后,敞開段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.6 mm,6.1 mm,-1.3 mm,相對于開挖階段,Y向水平位移增幅大于其他方向位移,即地下室施工對敞開段Y向水平位移影響仍然較大;3)施加上部建筑物荷載后,敞開段三向位移有所增大,但變化幅度很小,上部建筑物施工對出入口敞開段產(chǎn)生的影響小。

3.3.2 暗挖段位移

由于空間位置關(guān)系,暗挖2段距離基坑比暗挖1段遠,受基坑開挖影響小,數(shù)值分析結(jié)果也驗證了這一結(jié)果。當上部建筑荷載施加完成后,出入口結(jié)構(gòu)暗挖1段水平位移及豎向位移云圖如圖6所示。

結(jié)合施工過程中出入口結(jié)構(gòu)暗挖1段位移變化情況可知:1)基坑施工至坑底時,暗挖1段的X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.4 mm,0.6 mm,0.5 mm,三向位移差異較小。其中暗挖1段Y向水平位移遠小于敞開段,原因是距離基坑較遠,施工效應(yīng)影響小;2)地下室施工完成后,暗挖1段X向水平位移、Y向水平位移、豎向位移最大值分別為0.5 mm,0.8 mm,0.5 mm,相對于基坑開挖階段位移變化不明顯;3)施加上部建筑物荷載后,暗挖1段三向位移在0.1 mm內(nèi)變化,上部建筑物施工對出入口結(jié)構(gòu)暗挖段非常小。

3.4 位移控制效果

綜合考慮項目實際情況,根據(jù)《合肥市軌道交通條例》要求,參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中的要求,提出基坑工程對軌道交通影響安全性評價報告的計算分析控制標準,A出入口結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移的控制值為10 mm。

不同工況下出入口結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果列于表2中,基坑及結(jié)構(gòu)施工過程中,出入口結(jié)構(gòu)最大水平位移為6.3 mm,最大豎向位移為1.5 mm,出入口結(jié)構(gòu)位移均在控制標準內(nèi),但已超控制值的60%,因此,在實際施工過程中,需要對水平位移加強監(jiān)測,及時進行施工調(diào)整,從而達到信息化控制的目的。

表2 不同工況下出入口結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果 mm

3.5 裂縫驗算

對于明挖段,各工況最大彎矩184×1.5 kN·m,配筋E25@250,配筋面積3 273 mm2,最大裂縫寬度0.054 mm;對于暗挖1段,各工況最大彎矩81.3×1.5 kN·m,配筋E22@100,配筋面積3 801 mm2,最大裂縫寬度0.062 mm;對于暗挖2段,各工況最大彎矩190.1×1.5 kN·m,配筋E25@100,配筋面積為4 909 mm2,最大裂縫寬度0.061 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗裂驗算結(jié)果,基坑及結(jié)構(gòu)施工對出入口結(jié)構(gòu)影響較小,各工況下裂縫控制均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

建立了臨近地鐵出入口的深基坑施工的三維有限元模型,基于數(shù)值分析結(jié)果,分析了不同位置處出入口位移變化規(guī)律,研究結(jié)論如下:

1)地鐵出入口結(jié)構(gòu)敞開段和暗挖段水平位移和豎向位移及裂縫均滿足控制標準,表明緊貼的基坑及結(jié)構(gòu)施工對地鐵的影響處于可控狀態(tài),但安全余量不足,因此需加強信息化監(jiān)測,并及時反饋現(xiàn)場施工。2)敞開段受基坑及結(jié)構(gòu)施工影響最為明顯,基坑開挖、地下室施工引起的出入口敞開段Y向水平位移占總位移的68.25%和28.57%,基坑開挖是出入口位移控制的關(guān)鍵階段。3)出入口敞開段位移呈現(xiàn)層狀分布狀態(tài),越靠近地表的位置上位移越大。因此敞開段的位移監(jiān)測布置建議結(jié)合位移分布特征適當加密測點。