新建下沉廣場對(duì)鄰近既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形控制研究

鄢玉鑫,韋良文,2,黃翰霄

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074)

21世紀(jì)以來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,產(chǎn)生了人口膨脹、交通堵塞、城市用地改造困難等一系列的城市綜合征。為了保證國家和城市的可持續(xù)發(fā)展,解決出行問題、用地問題,合理的開發(fā)與利用城市地下空間成為城市持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的必經(jīng)途徑[1]。然而隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善,許多市政工程的建設(shè)必然對(duì)鄰近交通結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定造成影響[2]。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞鄰近地下結(jié)構(gòu)物的相互影響做了許多工作。周智海[3]對(duì)擬建市政道路對(duì)既有城市軌道交通的影響進(jìn)行研究,借助有限元軟件分別在建設(shè)和運(yùn)營這兩個(gè)時(shí)期的工況下對(duì)既有區(qū)間隧道典型斷面做了分析計(jì)算。宋曉鳳等[4]以基坑側(cè)土體與隧道水平凈距、基坑支護(hù)方式等因素的改變?yōu)橹c(diǎn)進(jìn)行探究,研究深基坑開挖對(duì)近距離既有地鐵隧道及軌道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。范燕波等[5]通過開展三維有限元數(shù)值分析,研究深基坑開挖范圍和接頭處管片剛度等因素下臥隧道變形的影響,最后以土工離心模型試驗(yàn)來論證模型和結(jié)果的合理性。黃河[6]等通過二維及三維空間有限元模型進(jìn)行應(yīng)力變形分析來評(píng)估鄰近基坑側(cè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響,并通過結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。林平等[7]發(fā)現(xiàn)寧波地鐵線路某盾構(gòu)區(qū)間受鄰近基坑開挖影響產(chǎn)生整體沉降接近40 mm,水平位移超過30 mm,超過規(guī)定±10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。Chang等[8]發(fā)現(xiàn)隧道混凝土襯砌在相鄰基坑開挖時(shí)產(chǎn)生較多裂縫,且隧道底部的混凝土板有錯(cuò)位現(xiàn)象。針對(duì)以上問題,以重慶市中央公園下沉廣場的修建作為工程背景,運(yùn)用有限元軟件Midas GTS對(duì)鄰近既有軌道10號(hào)線的交通結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

新建下沉廣場地處城市地域,人類工程活動(dòng)頻繁,高挖低填,原地形地貌已基本改變。場地土層有第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)及殘坡積粉質(zhì)黏土(Q4el+dl),下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)新田溝組地層。場地基巖層為砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)泥巖,其中砂巖、泥巖為主要巖層,局部泥巖含砂質(zhì)較重或砂巖含泥質(zhì)較重。區(qū)域地下水主要為大氣降水和地下管網(wǎng)滲漏補(bǔ)給,水量較為適宜。參照地質(zhì)勘察結(jié)果,巖土物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工程概況

既有軌道交通10號(hào)線隧道位于項(xiàng)目擬建場北側(cè),隧道呈東西走向,水平距離為28.10～34.04 m,可能受擬建項(xiàng)目影響的隧道里程號(hào):ZK40+059.637～ZK40+151.327,總長約 91.69 m。軌道10號(hào)線中央公園西站為地下明挖車站,車站結(jié)構(gòu)為地下2～3層兩柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)。

新建中央公園下沉廣場與既有地鐵線路毗鄰,且部分位于既有軌道保護(hù)線范圍內(nèi)。下沉廣場采用的基礎(chǔ)形式為嵌巖樁,基坑開挖深度為9～14.4 m,開挖采用放坡開挖+樁前旋噴注漿支護(hù)相結(jié)合。基坑放坡坡率采用1：1.4～1：1.25放坡，坡面采用80 mm厚C20素噴砼。

圖1 重慶軌道10號(hào)線中央公園西站及其附屬結(jié)構(gòu)斷面形式圖注：本圖采用黃海高程系，圖中高程單位為米(m)。

下沉廣場結(jié)構(gòu)外邊線距既有軌道車站主體結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離30.6 m，人工挖孔樁樁基距離主體結(jié)構(gòu)最小凈距為28.1 m，結(jié)構(gòu)外邊線距軌道10號(hào)線出站口結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離5.0 m，人工挖孔樁樁基距離出站口結(jié)構(gòu)最小凈距為2.5 m。結(jié)構(gòu)外邊線距隧道主體結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離54.2 m，結(jié)構(gòu)外邊線距既有軌道出站口結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離5 m，旋噴地基處理距隧道結(jié)構(gòu)外邊線為30.9 m，為典型基坑鄰近既有軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)施工的情況。新建中央公園下沉廣場與既有軌道10號(hào)線平面位置關(guān)系及兩處典型斷面位置關(guān)系如圖2所示。

(a)ZK40+140.334斷面位置關(guān)系

2 有限元模型建立

2.1 模型材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及中央公園下沉廣場邊坡支護(hù)工程施工圖設(shè)計(jì)說明等資料，部分參數(shù)取不利值，模型材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)

2.2 有限元模型建立

為分析新建下沉廣場項(xiàng)目施工及運(yùn)營對(duì)車站及其附屬結(jié)構(gòu)的影響，保證其處于結(jié)構(gòu)變形可控范圍內(nèi)，對(duì)模型范圍作出了一定的限定?？紤]10號(hào)線與擬建項(xiàng)目三維空間效應(yīng)，建立三維模型的尺寸為100 m×99 m×80 m，以確保模型有足夠的計(jì)算精度并盡量減少收斂時(shí)間。有限元模型見圖3、圖4。

圖3 三維網(wǎng)格模型

圖4 三維實(shí)體模型

工況模擬時(shí)因本次僅考慮擬建下沉廣場建設(shè)對(duì)10號(hào)線車站及附屬結(jié)構(gòu)變形影響，所以將下沉廣場上部結(jié)構(gòu)按均布荷載施加于坑底處，此簡化不影響分析10號(hào)線車站結(jié)構(gòu)變形，計(jì)算時(shí)將第三步進(jìn)行清零。具體各施工階段順序如表3所示。

表3 工況

表4 受影響區(qū)間隧道變形數(shù)值

3 有限元結(jié)果分析

參照《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[9]，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形采用的評(píng)估指標(biāo)如下：①結(jié)構(gòu)水平位移及豎向位移≤10 mm；②軌道橫向高差≤±4 mm；③隧道徑向收斂≤10 mm。本次數(shù)值模擬過程著重于下沉廣場施工過程對(duì)鄰近既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形控制研究[10]。

3.1 車站及附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)變形

3.1.1 鄰近斷面分析

(1)ZK40+140.334斷面?；娱_挖過程中，車站及其附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為4.64 mm，位于1號(hào)出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁右側(cè)；最大豎向變形為3.77 mm，位于1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)右上部?；A(chǔ)施作時(shí)車站及其附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為4.67 mm，位于1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)右側(cè)；最大豎向變形為3.74 mm，位于1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)右上部。施加上部結(jié)構(gòu)荷載后車站及其附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為4.71 mm，位于1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)樁基右側(cè)中部；最大豎向變形為3.36 mm，位于1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)右上部。

(2)ZK40+122.212斷面?；娱_挖過程中，隧道襯砌及附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為3.54 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁中部；最大豎向變形為1.55 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁頂部?；A(chǔ)施作時(shí)隧道襯砌及附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為3.54 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁中部；最大豎向變形為1.55 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁頂部。施加上部結(jié)構(gòu)荷載后隧道襯砌及附屬結(jié)構(gòu)最大橫向變形為3.45 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁中部；最大豎向變形為1.56 mm，位于出入口靠近擬建項(xiàng)目側(cè)基礎(chǔ)樁頂部。

從橫向變形和豎向變形累計(jì)的量值來看，下沉廣場修建對(duì)鄰近車站及其附屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響稍多于鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)；從區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)軌道橫向高差及徑向收斂值來看，軌道橫向高差左線受影響較大，而徑向收斂值左線受影響較大。整體來說，結(jié)構(gòu)的位移處于安全范圍之內(nèi)。

3.1.2 三維模型分析

下沉廣場基坑開挖、基礎(chǔ)施作及施加上部結(jié)構(gòu)荷載后對(duì)車站及附屬結(jié)構(gòu)位移影響計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 下沉廣場修建對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)位移影響計(jì)算結(jié)果

總體來說，如圖5所示，車站及附屬結(jié)構(gòu)經(jīng)過下沉廣場基坑開挖、基礎(chǔ)施作及施加上部結(jié)構(gòu)荷載工況后，其最大橫向變形和最大豎向變形均有所增加，但增加的趨勢(shì)較為平緩。1號(hào)出入口與下沉廣場基坑相距最近影響最大，最大橫向變形5.46 mm，最大豎向變形5.45 mm。車站主體與基坑相距最遠(yuǎn)，影響最小，最大橫向變形2.33 mm，最大豎向變形0.19 mm。從不同工況車站及附屬結(jié)構(gòu)變形情況分析知，基坑開挖土體卸載的過程會(huì)引起鄰近的車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向上浮、水平朝向基坑開挖側(cè)的變形，而其位移峰值也基本發(fā)生在這一開挖土體卸載量最大的工序上。

(a)最大橫向變形

通過模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，下沉廣場的修建會(huì)引起既有隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)的位移，但由于基坑處放坡開挖、旋噴注漿加固及懸臂樁支護(hù)等措施的施作，結(jié)構(gòu)整體變形情況偏于穩(wěn)定。相距最近處1號(hào)出入口的最大橫向變形與豎向變形相差不大，然而相距最遠(yuǎn)處車站主體最大橫向變形與豎向變形有一定差距，說明既有結(jié)構(gòu)變形對(duì)水平凈距較為敏感[4]。

3.1.3 小結(jié)

由上述分析可知：通過二維及三維數(shù)值計(jì)算，中央公園下沉廣場地塊項(xiàng)目建設(shè)及建成使用，引起已建軌道10號(hào)線中央公園車站及其附屬結(jié)構(gòu)最大豎向及最大橫向變形均小于10 mm；仰拱豎向變形最大值為0.412 mm；且區(qū)間左線兩軌道橫向高差為0.041 mm，區(qū)間右線兩軌道橫向高差為0.020 mm，均小于2 mm。如表6所示，項(xiàng)目建設(shè)及建成使用對(duì)軌道結(jié)構(gòu)造成的變形影響在變形可控范圍之內(nèi)。

3.2 基坑與軌道結(jié)構(gòu)水平凈距影響分析

進(jìn)一步研究基坑開挖過程中既有結(jié)構(gòu)變形對(duì)水平凈距敏感性及影響規(guī)律，選取不同工況分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

在隧道區(qū)間走向、車站及附屬結(jié)構(gòu)形式、埋深、圍巖環(huán)境等均不改變的前提下，僅對(duì)軌道結(jié)構(gòu)右側(cè)基坑水平凈距L進(jìn)行調(diào)整，選取不同水平凈距5 m、10.94 m(工程原型)、16 m、22 m、28 m，計(jì)算斷面ZK40+140.334上隧道及軌道結(jié)構(gòu)位移變化情況。

從圖6、圖7、圖8可看出，基坑與既有地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)的水平凈距L逐漸增大時(shí)，車站及附屬結(jié)構(gòu)的水平及豎向位移逐漸減小。并由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)基坑與車站結(jié)構(gòu)水平凈距L取0.5～1H時(shí)，車站及附屬結(jié)構(gòu)變形處于快速變化階段；當(dāng)基坑與車站結(jié)構(gòu)水平凈距L取H時(shí)，車站水平位移約為4.5 mm，豎向位移<3.5 mm，整體變形才處于偏于安全狀態(tài)；當(dāng)基坑與車站結(jié)構(gòu)水平凈距L取2H時(shí)，車站及附屬結(jié)構(gòu)的水平變形和豎向變形趨于穩(wěn)定[11]。

圖6 不同凈距條件下車站及附屬結(jié)構(gòu)的水平位移

圖7 不同凈距條件下車站及附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移

圖8 不同凈距條件下車站及附屬結(jié)構(gòu)的整體變形

因此，L=2H可視為基坑施工對(duì)鄰近軌道結(jié)構(gòu)變形控制的臨界值，若水平凈距小于此臨界值，則工程建設(shè)過程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)量控，加強(qiáng)基坑周圍支護(hù)。

4 結(jié)論

以重慶市中央公園下沉廣場的修建作為工程背景，對(duì)鄰近既有軌道10號(hào)線的交通結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：①基坑開挖土體卸載的過程會(huì)引起基底以下土體產(chǎn)生上浮的趨勢(shì)、基坑側(cè)方土體產(chǎn)生朝向基坑內(nèi)側(cè)變形的趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近的車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向上浮、水平朝向基坑開挖側(cè)的位移，其主要變形量值發(fā)生在這一階段。②既有地鐵的隧道區(qū)間、車站主體結(jié)構(gòu)位移因新建結(jié)構(gòu)施工而引起變化，經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，下沉廣場建造全過程，其位移量較小且均處于變形可控范圍之內(nèi)，既有地鐵結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)穩(wěn)定安全狀態(tài)。③對(duì)軌道結(jié)構(gòu)與右側(cè)基坑的水平凈距作為變量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基坑與車站結(jié)構(gòu)水平凈距L取2H時(shí)，車站及附屬結(jié)構(gòu)的水平變形和豎向變形趨于穩(wěn)定。L=2H可視為基坑施工對(duì)鄰近軌道結(jié)構(gòu)變形控制的臨界值。