紧邻地铁车站的深基坑位移控制措施效果分析

吴才德 曾 婕 成怡冲 沈俊杰 龚迪快

(浙江华展工程研究设计院有限公司,315012,宁波∥第一作者，教授级高级工程师)



紧邻地铁车站的深基坑位移控制措施效果分析

吴才德 曾 婕 成怡冲 沈俊杰 龚迪快

(浙江华展工程研究设计院有限公司,315012,宁波∥第一作者，教授级高级工程师)

针对深基坑开挖时邻近地铁车站的保护问题,结合毗邻在建的宁波轨道交通2号线外滩大桥站绿地中心深基坑工程项目,通过Midas/GTS有限元软件对4种措施下邻近地铁车站位移控制的效果进行了对比分析。结果显示,增加围护墙刚度和采取坑内土体加固措施能有效减小基坑开挖导致的车站位移,增加支撑道数对车站位移控制同样有利,而增加围护墙嵌入深度的位移控制效果有限。

深基坑; 位移控制措施; 地铁车站; 数值模拟

Author′s address Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research & Design,315012,Ningbo,China

地铁车站附近区域因人流量大、交通便利等优势而成为商业和办公的理想地段。为最大限度地开发和利用这一有限区域,地铁车站附近的建筑往往采用多层地下室方案,这就产生了深基坑开挖对邻近地铁车站的影响问题。轨道交通系统是现代城市的生命线,对于紧邻地铁车站的深基坑工程,必须采取有效的位移控制措施以保证地铁车站的正常运营和结构安全。

文献[1]借助有限元手段,从车站间距、源头变形和土体弹性模量3个方面入手,分析了它们对地铁车站变形的影响,并认为提高被动区土体强度是减少基坑开挖对周边影响的可行措施。文献[2]分析了基坑与车站间距、基坑开挖深度等对地铁车站结构的变形规律以及振动响应特性的影响。在紧邻地铁车站深基坑的位移控制措施研究方面,文献[3]提出了一些对运营地铁车站的保护措施,并借助数值分析手段证实它们的有效性;文献[4]结合具体工程,从设计和施工角度对采取的施工控制措施进行了分析,并基于实测结果就其有效性作了验证。文献[5]结合实际工程进一步对坑底土体加固深度与宽度的影响进行了分析。文献[6]则借助有限元手段探讨了优化基坑开挖工法减少车站变形的问题。文献[7]讨论了邻近既有地铁线基坑工程的自适应支撑系统变形控制技术。总体来看,目前相关研究还多是定性分析施工控制措施的效果,并没有对控制措施本身作定量分析,也鲜有不同施工措施效果的对比研究。

本文结合宁波绿地中心项目,采用三维有限元软件MIDAS/GTS,从设计角度就减小基坑施工对隧道影响的控制措施展开研究,具体分析增加挡墙刚度和深度、增加支撑道数、加固坑内土体等措施对邻近地铁车站位移控制效果的影响。

1 工程概况

宁波绿地中心项目位于宁波市大庆南路以东、惊驾路以南、人民路以西。与工程场地毗邻的有长约100 m的已建大庆南路轨道交通2号线区间隧道和长约80 m的在建轨道交通2号线外滩大桥站。拟建建筑主要由5幢17～51层办公楼及公寓楼组成,整体设置3层地下室,层高分别为7.55、3.65、3.90 m。本工程共由4个地块组成,划分为10个子基坑施工,总平面图见图1。

本文主要分析1#地块基坑的开挖对邻近车站的影响。1#地块基坑面积约3 100 m2,周长约225 m,开挖深度h约16～18 m。场地西侧轨道交通2号线外滩大桥站距离本工程地下室最近约23.5 m,车站为地下二层结构,车站顶埋深约2.7 m,底埋深约17.6 m,底板厚度1 000 mm,车站采用明挖法施工,周边设置800 mm厚地下连续墙,地墙埋深约为40 m,车站的主体结构已施工完成。基坑与车站相互位置见图2。

图1 宁波绿地中心项目总平面图

图2 基坑与地铁车站位置关系

2 有限元建模

为选择有效措施减小基坑开挖对邻近地铁车站的影响,本文构建了基坑-软土-车站有限元模型，如图3和图4所示。根据该项目地质勘查报告,基坑坑底位于2-2层淤泥质粉质黏土层;而8-1层粉砂层物理力学性能较好,作为支护结构持力层。结合本项目基坑周边的环境情况,确定了三维模型尺寸，东西向长度为280 m,南北向长度为270 m,高度为80 m。模型中以平均层厚作为每层土的厚度,土体采用硬化土模型,具体参数列于表1。支护结构及车站结构材料采用线弹性模型模拟,相关参数见表2。此外,计算过程中的主要荷载包括自重、基坑外地表半无限荷载15 kN/m2;模型约束了底部的竖向位移和各侧面的法向位移,分析步按常规施工顺序设置。

图4 基坑和车站的三维有限元模型

3 控制措施研究

为了保护邻近车站和基坑本身的安全,该基坑在设计过程中考虑了增加围护墙刚度、增加围护墙嵌固深度、增加支撑道数以及坑内土体加固等措施。在模拟计算中,首先假设不考虑对车站进行保护,建立无任何变形控制措施的常规基坑模型。该模型采用地连墙结合3道钢筋混凝土支撑的形式,地连墙厚为800 mm,墙深30 m,并不考虑坑内土体加固措施。以该计算模型为基准模型,然后分别考虑上述4种变形控制措施,将考虑了控制变形措施的计算模型与基准模型的有限元计算结果进行比较分析。

表1 土层参数

表2 车站及支护结构参数

3.1 围护墙刚度对车站位移的影响

图5为不同墙厚时车站水平位移的变化情况,其中墙厚2 400 mm是T型墙按刚度等效原则换算得到的墙厚。从图中可知,随着地连墙刚度的增加,车站位移逐渐减小。地连墙墙厚从800 mm增加到1 000 mm,车站水平位移减少了13.3%,故增加地连墙的刚度对减小车站位移十分有效;另外,采用T型墙对车站水平位移最为有利,但相比于普通地连墙,其用料更多且施工难度加大,所以应权衡利弊后选择使用。

3.2 围护墙深度对车站位移的影响

图6反映了采用不同深度地连墙时,车站水平位移的变化情况。由图6可知,随着地连墙墙深的增加,车站位移略有减小,地连墙墙深从30 m增加到46 m,车站位移减少了3.3%。总的来看,增加围护墙嵌入深度并不是十分有效的位移控制措施。尤其需要指出的是,当地连墙墙深达到38 m后,继续增加墙深对车站位移几乎没有影响。可见,工程实际墙深应控制在某一有效深度以内,以免造成不必要的浪费。

图6 车站水平位移随墙深变化曲线

3.3 支撑道数对车站位移的影响

图7比较了设3道支撑和4道支撑情况下的车站位移。从图7中可知,采用4道支撑得到的车站最大水平位移为5.5 mm,比设3道支撑时减少了8.3%。因此通过增加支撑道数的形式来减少基坑支护和周边土体位移是有效的。

图7 车站位移最大值随工况变化曲线

3.4 坑内土体加固对车站位移的影响

图8为坑内未设置加固土体和坑内加固土体的置换率分别为0.2、0.4、0.6和0.8时,车站水平位移变化情况。从图8中可知,车站变形随着置换率的增加而减小,将置换率为0.6与无坑内土体加固情况比较,车站水平位移减少了15%。上述结果表明，坑内设置加固土体对控制邻近车站的位移十分有效。

4 计算与实测对比

基于上述研究并充分考虑措施的经济性和宁波地区深基坑工程经验,本工程实际采用的地下连续墙墙厚为1 000 mm,墙深为46 m(插入比为1.8);支撑为4道,各道支撑截面见表2,支撑底相对标高分别为-2.45、-6.70、-10.40、-14.00 m,支撑水平间距为5～10 m;土体加固范围为基坑邻近车站一侧的第1道支撑底到基坑坑底以下6 m,置换率为0.6。

图8 车站位移随加固土体置换率变化曲线

表3是按工程实际采用各项措施在控制车站位移上的贡献率对比,反映了各措施在控制车站位移上的效果。

根据实测数据对每个基坑施工工况进行参数反演,不同工况下地连墙水平位移以及坑外地表沉降的计算值和实测值对比分别见图9和图10。

图9 不同工况下墙身水平位移对比

由图9可知,随着基坑开挖深度的增加,地连墙的水平变形不断增大,桩体水平位移最大值位置逐渐下移,直至开挖完成后趋于稳定,最大墙身水平位移发生在坑底位置。

图10显示,随着开挖深度的不断增加,地表沉降也逐渐增大,形成近似抛物线形的沉降槽,而且最大地表沉降点在距离基坑边约0.6倍基坑开挖深度处;由于地铁车站的阻隔作用,地表沉降在接近车站时迅速减小,而当穿越车站后又有所增大。通过有限元计算和实测得到的位移曲线变化趋势基本一致，且数值接近,证明本文参数选取及有限元模拟是合理的。

图10 不同工况下坑外沉降对比

受基坑开挖的影响,车站的位移主要表现为水平位移。图11是不同工况下车站水平位移的计算值和实测值,车站的水平位移随基坑开挖深度增加而增加,到施工底板阶段趋于稳定。计算所得车站水平位移最大值约为3.8 mm,比不采用控制措施情况下的水平位移减小37%,而实测得到数据比计算值更小,仅为2.3 mm。可见,通过合理运用以上控制措施,车站水平变形控制在5 mm以内,保护效果良好。

图11 不同工况下车站水平位移对比

5 结语

本文依托紧邻地铁车站的宁波绿地中心基坑工程项目,对项目基坑及邻近地铁车站进行三维有限元建模,模拟分析了深基坑开挖时不同位移控制措施对邻近地铁车站的保护效果,进而确定基坑围护有限元模拟方案,并通过模拟结果与实测结果的对比,验证有限元模拟及措施运用的合理性。结果显示:

(1) 车站水平位移随坑内土体置换率和围护墙厚的增加近似呈线性减小,坑内土体加固和增加地连墙刚度这两种措施的位移控制效果最为明显;

(2) 增加支撑道数同样有利于减小车站变形,但就本文工程效果有限;

(3) 增加围护墙深度的效果不显著,实际设计中还应考虑最优的嵌入深度;

(4) 邻近基坑开挖导致的车站变形以水平位移为主,位移量随开挖深度的增加而增加,并在施工底板阶段趋于稳定；

(5) 基坑工程设计中应对位移控制措施的效果、经济性以及施工难度等作综合分析,以实现优化设计的目的。

[1] 曾远,李志高,王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报,2005,1(4):642-645.

[2] 郭典塔,周翠英.基坑开挖对近接地铁车站的影响规律研究[J].现代隧道技术,2015,52(1):156-162.

[3] 朱建明.深基坑施工对邻近运营地铁车站影响的数值分析[J].建筑施工,2010,32(4):299-301.

[4] 袁运涛,李苏春.临近地铁车站深基坑开挖综合控制研究[J].地下空间与工程学报,2013,9(4):846-847.

[5] 王印.深基坑开挖对紧邻地铁车站影响的位移分析及施工保护措施研究[D].上海:同济大学,2008.

[6] 丁习富,师海,孟小伟.深基坑开挖与紧邻在建地铁车站影响优化分析[J].地下空间与工程学报,2014,10(增2):1817-1822.

[7] 朱卫东.邻近既有地铁基坑工程的自适应支撑系统变形控制技术[J].城市轨道交通研究,2015(4):90-94.

Effect Analysis of Displacement Control Measures for Deep Foundation Pit Adjacent to Subway Station

WU Caide, ZENG Jie, CHENG Yichong, SHEN Junjie, GONG Dikuai

Combined with the case of Waitan Da Qiao Station close to the foundation pit of Ningbo Lvdi Centre project, the protection of subway station adjacent to deep excavation is discussed. With the aid of finite element analysis software Midas/GTS, the effects of 4 different measures on the displacement control are compared. The results show that the station displacement induced by excavation can effectively be reduced by increasing the stiffness of the retaining wall and reinforcing the soils in the pit, the increase of the support number is also beneficial to the displacement control of the station. However, the effect of increasing the embedded depth of the retaining wall is rather limited.

deep foundation pit; displacement control measures; subway station; numerical simulation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.05.026

2015-06-10)