深基坑緊臨施工對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)影響分析

賓勝林

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

軌道交通容量高,方便快捷,對于緩解地面交通擁堵,減輕城市交通壓力具有重要意義。隨著城市軌道交通項(xiàng)目有序推進(jìn),交通線路數(shù)逐年增加,地鐵、隧道等交疊沖突或緊臨施工的情況越來越多,巖土體介質(zhì)中既有建筑物的安全性受到影響[1],容易導(dǎo)致地下洞室圍巖應(yīng)力重分布,引起臨近建筑物的變形、破壞[2]。國內(nèi)外關(guān)于地鐵等地下工程交叉、緊臨的研究較為豐富,如相關(guān)施工力學(xué)機(jī)理、影響分析及對應(yīng)措施研究等。然而,由于地下工程的灰色空間特性,任何理論或模型都無法完全適用于特定項(xiàng)目復(fù)雜的周邊條件[3]。因此,根據(jù)具體情況建立適應(yīng)實(shí)際邊界條件的分析模型來評價(jià)既有建筑物的不利影響,具有較強(qiáng)的針對性和可靠性[4-5]。文章以新建興華商業(yè)街明挖深基坑緊臨地鐵一號線鐵西廣場站南側(cè)施工工程為研究案例,采用三維彈塑性模型對新建基坑施工產(chǎn)生的與既有結(jié)構(gòu)之間的交互影響進(jìn)行全面分析,驗(yàn)證了基坑開挖方案和施工流程的合理性,為科學(xué)確定基坑施工、監(jiān)測方案,保證既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全提供依據(jù)[6]。

1 工程背景

鐵西廣場站為島式站臺車站,有效站臺寬度12.9m,車站起點(diǎn)里程CK5+960.162,終點(diǎn)里程CK6+137.132,主體結(jié)構(gòu)總長176.97m。標(biāo)準(zhǔn)段的地鐵車站結(jié)構(gòu)寬度為22m,結(jié)構(gòu)形式在小里程端為三層雙柱三跨,大里程端為三層單柱兩跨箱型框架結(jié)構(gòu)。該車站結(jié)構(gòu)的頂板覆蓋土層厚度為3.5m,結(jié)構(gòu)底板位置在地面下25.5～26.3m。新建興華商業(yè)街基坑臨近地鐵一號線,明挖基坑寬40.8m,深約25m,基坑圍護(hù)樁采用直徑1m,間距1.4m的鉆孔灌注樁,新建基坑與地鐵車站緊臨的夾層空間采用直徑1.2m,間距1.5m的鉆孔灌注樁,圍護(hù)樁嵌固進(jìn)入基坑底部的深度為8m。該基坑共設(shè)置1道混凝土支撐、3道鋼支撐及1道換撐。該基坑與既有地鐵一號線T字形施作,基坑圍護(hù)距離地鐵一號線圍護(hù)3.1m。其平縱關(guān)系如圖1所示。

圖1 臨近地鐵車站一側(cè)基坑平面圖

2 數(shù)值模型及邊界條件

2.1 三維數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)圣維南原理,考慮到減小模型邊界影響和建模計(jì)算經(jīng)濟(jì)性,分析結(jié)構(gòu)的土體介質(zhì)計(jì)算模型尺寸為81m×92m×37m。既有地鐵一號線鐵西廣場站主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新建興華商業(yè)街基坑圍護(hù)及臨時(shí)結(jié)構(gòu)分別建立結(jié)構(gòu)三維模型,并按照實(shí)際空間位置布設(shè)于土體模型中?；又苓叺膰o(hù)樁支護(hù),既有車站主體結(jié)構(gòu)底、頂及中隔板,臨時(shí)支護(hù)體系及邊墻等均采用彈性模型,板單元;既有車站主體結(jié)構(gòu)柱及上、下翻梁等均采用彈性模型,梁單元。結(jié)構(gòu)周邊包圍的巖、土體均采用彈塑性材料,三維實(shí)體單元,屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。模型約束條件為:底部邊界建立豎向位移約束,側(cè)向邊界建立水平位移約束。建立模型中的單元數(shù)量為43074個(gè)。

2.2 施工工序模擬情況

既有地鐵一號線鐵西廣場站結(jié)構(gòu)是首先需要激活的既有結(jié)構(gòu),先期施工完成。新建興華商業(yè)街基坑施工順序?yàn)?施作圍護(hù)樁、格構(gòu)柱及冠梁,進(jìn)行降水施工→基坑開挖至第一道支撐下0.5m,架設(shè)第一道支撐,鑿出格構(gòu)柱,架設(shè)橫向連系梁→依次分層開挖,架設(shè)支撐至基坑底,同時(shí)鑿出格構(gòu)柱,架設(shè)橫向連系梁→施作底板防水、底縱梁、底板及部分側(cè)墻,架設(shè)臨時(shí)支撐,逐層向上拆除臨時(shí)支撐及橫撐,施作主體結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)封頂,填土覆蓋。土體內(nèi)部地鐵站結(jié)構(gòu)及新建基坑模型見圖2。

圖2 土體內(nèi)部地鐵站結(jié)構(gòu)及新建基坑模型

2.3 計(jì)算模型參數(shù)

2.3.1地層參數(shù)

根據(jù)施工范圍內(nèi)的鉆孔報(bào)告揭露,地層主要為:③-1-33粉質(zhì)黏土、③-7-3粗砂及④-9-4圓礫。根據(jù)地勘報(bào)告數(shù)據(jù)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合往期數(shù)值分析貼合度,擬定土層力學(xué)參數(shù),并在試算過程中進(jìn)行調(diào)整,保證計(jì)算結(jié)構(gòu)貼合實(shí)際情況。各地層計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

2.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)

地鐵車站各層板、梁及外側(cè)墻均采用C30防水混凝土,抗?jié)B等級S8;各節(jié)點(diǎn)位置主體結(jié)構(gòu)柱均采用C50混凝土;混凝土內(nèi)鋼筋主要采用HPB300及 HRB400;結(jié)構(gòu)預(yù)埋鋼構(gòu)件采用Q235B。既有車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)直徑0.8m,間距1.2m,鉆孔灌注樁。

2.3.3設(shè)計(jì)荷載

查閱地鐵工程相關(guān)規(guī)范,既有車站各層站臺樓板采用的設(shè)計(jì)活荷載為4kPa;按照不利狀況考慮,列車滿載等效均布荷載為16.16kPa;結(jié)構(gòu)覆蓋層上的車輛超載等效均布荷載為20kPa。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型整體變形分析

繪制地鐵車站整體豎向位移云圖如圖3。

圖3 既有地鐵車站豎向位移

由圖3可知,既有地鐵車站受商業(yè)體基坑開挖影響會產(chǎn)生空間位移,既有結(jié)構(gòu)的最大水平位移量為1.99mm,朝向基坑方向,最大沉降量為0.62mm。結(jié)構(gòu)整體變形是多方向的,因此設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)時(shí)需同時(shí)關(guān)注豎向位移和橫向位移。

3.2 基坑開挖引起既有結(jié)構(gòu)變形分析

通過對計(jì)算模型進(jìn)行初算分析,基坑開挖影響區(qū)域?yàn)閳D4中所示區(qū)域。考慮模型經(jīng)濟(jì)性,僅建立主要影響區(qū)域模型,并對主要變形位置進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

基坑開挖會導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的位移,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的受力安全。模型計(jì)算中,在結(jié)構(gòu)變形敏感位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),通過監(jiān)測點(diǎn)隨基坑開挖的位移變化情況,判斷基坑開挖對既有車站結(jié)構(gòu)的影響程度。圖4中,D軸為靠近基坑一側(cè),取8軸、9軸、10軸、11軸、12軸立柱底部端點(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn),繪制豎向位移時(shí)程曲線如圖5～圖8。

圖6 B軸各監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

圖7 C軸各監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

圖8 D軸各監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線可知:

(1)臨近基坑一側(cè)D軸,隨基坑開挖會發(fā)生上隆現(xiàn)象,開挖過程中最大上隆量為0.35mm,開挖第三層土體后開始發(fā)生沉降,最終位移為上隆0.14mm,發(fā)生在D8監(jiān)測點(diǎn)。

(2)A軸、B軸、C軸時(shí)程曲線規(guī)律基本一致,均為隨基坑開挖既有結(jié)構(gòu)持續(xù)產(chǎn)生沉降,最大沉降值為0.52mm,發(fā)生在A8監(jiān)測點(diǎn)。

(3)通過分析各監(jiān)測點(diǎn)位移,受基坑開挖及圍護(hù)樁變形影響,既有地鐵站結(jié)構(gòu)位移為臨近基坑上隆,遠(yuǎn)離基坑下沉的情況。根據(jù)這一特點(diǎn),需合理布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位置,重點(diǎn)關(guān)注D8及A8區(qū)域附近監(jiān)測點(diǎn),施工過程中可根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在不同開挖工序階段合理加密地表監(jiān)測,對不同工序?qū)?yīng)的變形敏感點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)觀測,保證既有地鐵車站運(yùn)營安全。

3.3 地鐵軌道縱向差異變形分析

地鐵軌道變形控制是城市軌道交通中不可忽視的重要內(nèi)容,合理控制軌道的差異變形,能夠保證地鐵車輛行駛的平穩(wěn)性,保障乘客出行安全。

文章通過線狀提取計(jì)算節(jié)點(diǎn),得到既有地鐵車站左線軌道中心線及右線軌道中心線的最終沉降曲線,該曲線能夠直觀展現(xiàn)軌道的差異變形情況,具體見圖9和圖10。

圖9 左線軌道中心線最終沉降曲線

圖10 右線軌道中心線最終沉降曲線

根據(jù)軌道中心線最終沉降曲線可知:

(1)地鐵一號線鐵西廣場站差異沉降量相對較大的區(qū)域主要集中在車站距離商業(yè)體基坑較近位置,即右線軌道中心線差異沉降較大,左線軌道中心線差異沉降較小。

(2)左線沉降曲線呈“上凸形”,重點(diǎn)監(jiān)測1個(gè)拐點(diǎn)即可;右線沉降曲線呈“M形”,3個(gè)拐點(diǎn)均需進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,嚴(yán)格控制軌道差異變形。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用貼合實(shí)際工況的數(shù)值分析模型,計(jì)算并分析緊臨工程施工影響,能夠在復(fù)雜的空間和施工工序條件下獲取新建工程緊臨施工對既有結(jié)構(gòu)的影響程度及影響范圍,準(zhǔn)確判斷既有結(jié)構(gòu)受力的不利時(shí)機(jī)和不利位置,為科學(xué)制定監(jiān)控量測方案,保障既有地鐵結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全提供依據(jù)。

(2)數(shù)值計(jì)算能夠反映施工狀態(tài)的一般情況及趨勢,但無法反映施工過程中遇到的非常規(guī)狀態(tài),因此需要嚴(yán)格把控施工質(zhì)量,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行新建商業(yè)街基坑施工,每開挖一層即作支護(hù)一層,及時(shí)施作坑內(nèi)支撐。除對計(jì)算得出的主要變形位置進(jìn)行監(jiān)測外,新建基坑本身的變形監(jiān)測也尤為重要。

(3)鐵西廣場站所處地層圍巖以粗砂和砂礫為主,屬強(qiáng)透水層,新建商業(yè)街基坑降水應(yīng)根據(jù)水文情況制定專項(xiàng)降水方案并嚴(yán)格執(zhí)行。降水期間,應(yīng)加強(qiáng)對既有結(jié)構(gòu)沉降的監(jiān)測并制定應(yīng)急預(yù)案。