砂性土中连接通道施工对地铁口变形影响分析

舒畅

(常州市轨道交通发展有限公司, 江苏常州213000)

0 引言

近年来随着城市轨道交通的大发展，为了充分发挥地铁车站对周边物业的带动作用，方便市民出行，出现了越来越多地铁车站与周边物业间的连接通道[1-2]。目前工程界关于深基坑开挖对已建地铁的影响已有较多研究案例。曾祥会[3]采用数值模拟方法，研究天津某购物中心基坑开挖对既有地铁车站及区间隧道的变形影响。殷一弘[4]分析了苏州某项目基坑设计中采用的多种技术措施，并对地铁保护的实施效果进行详细介绍。黄玲等[5]以广州地铁某车站连接通道为例，研究连接通道开挖全过程对既有地铁车站出入口、风井、车站主体结构和隧道结构的影响。刘一帆[6]通过数值模拟的方法研究了新建连接通道对车站主体及相关附属设施的整体影响，并结合现场监测数据提出近接施工的控制措施。周航生[7]及叶跃鸿[8]利用硬化土模型(HS模型)分别研究了不同地质条件下，基坑和地下通道开挖对已建地铁隧道的影响。

目前大多数连接通道都是连接地铁出入口与周边物业，其规模一般较小，对地铁车站的整体影响有限，但对相接出入口的影响则不可忽视。现阶段针对连接通道施工对地铁出入口的详细影响研究较少，特别是考虑地层差异，专门研究深厚砂性土层中连接通道施工对地铁出入口的影响则更少。本文以常州某地铁站新建连接通道为例，通过三维有限元数值分析方法研究深厚砂性土层中连接通道施工对地铁出入口各部位的变形影响，并结合分析结果提出合理的控制措施。

1 工程概况

常州地铁某出入口为地下一层框架结构，设置扶梯及楼梯各1部，标准段基坑深9.35 m，扶梯下沉段基坑深10.95 m。出入口基坑采用明挖法施工，采用φ850@600SMW工法桩+内支撑支护形式，目前出入口已完工，内插型钢已拔出。新建连接通道为地下一层框架结构，基坑深度4.7～8.8 m(集水坑段10.3 m)，覆土厚度为0～3.9 m。基坑采用φ800@1000钻孔桩+1道砼支撑+1道钢支撑支护形式，基坑内采取管井降水。物业端基坑距地铁出入口净距为17.08 m，也已实施完成。拟建连接通道与地铁结构和商业建筑的位置示意图如图1 所示。

图1 连接通道示意图

2 计算模型

为了全面、系统地反映连接通道在施工过程中对周围岩土体及地铁结构的受力与变形的影响，建立了基于Midas GTS程序的三维计算模型进行数值模拟。

计算模型的尺寸大小根据项目场地及周边环境条件决定。考虑消除边界效应的影响，计算模型尺寸为X方向74 m，Y方向58 m，Z方向25 m，共计40 651个节点，83 183个单元。计算模型如图2所示。基坑开挖范围内土层由上而下依次为：①2素填土、②1粉质黏土、②2粉土夹粉砂。基坑底以下土层主要为②2粉土夹粉砂、②3粉砂夹粉土、③粉砂夹粉土。围护桩桩底土层为③粉砂夹粉土。

图2 计算模型

计算模型采用MIDAS GTS NX软件默认约束条件，对模型底部进行Z方向的约束，侧向施加X方向位移约束，正方向施加Y方向位移约束。3号出入口与车站主体连接以及连接通道与地下室连接均采用固结约束模拟。模型中顶底板侧墙采用二维板单元模拟，钢支撑、砼支撑、柱采用一维梁单元模拟，围护结构采用二维板单元模拟。主体结构板梁等混凝土材料属性定义为C30混凝土。模型中土层采用修正摩尔库伦本构模型，土体弹性模量按照经验取压缩模量4倍。同一层土体为均质、各向同性、理想弹塑性体。根据常州及相近地区基坑的变形情况[9-11]，本次计算采用HS模型屈服函数。

HS模型为双屈服函数，包括剪切屈服函数和体积屈服函数。剪切屈服函数可表示为

(1)

式中：

体积屈服函数可表示为

(2)

式中：

p=(σ1+σ2+σ3)/3；

δ=(3+sinφ)/(3-sinφ)；

混凝土结构泊松比为0.2，容重为25 kN/m3，弹性模量为3×104MPa。钢支撑泊松比为0.2，容重为25 kN/m3，弹性模量为2.06×105MPa。各土层计算参数详见表1。

表1 土层材料性质

模型计算考虑连接通道施工全过程对已建地铁出入口的影响。施工过程分8个工序：①连接通道围护结构施工；②开挖第一层土，砼支撑施工；③开挖第二层土，支撑施工钢；④开挖最后一层土，底板施工；⑤打开连接通道与地铁出入口、物业地下室连接的侧墙；⑥连接通道侧墙施工，并拆除第二道钢支撑；⑦连接通道顶板施工，并拆除砼支撑；⑧土体回填。

3 计算结果

各施工工况计算结果如下：工序①—⑤，地铁出入口最大变形处均出现在出入口口部，竖向(Z向)位移最高达-2.52 mm；工序⑥—⑧，地铁出入口最大变形处转移至连接通道接口处上部。土体回填完成后，连接通道接口处竖向位移最大达到-4.44 mm，远小于《江苏省城市轨道交通工程监测规程》(DGJ32/J 195—2015)规定的地铁结构安全变形控制值±20 mm，满足结构安全的要求。具体计算数据见图3和图4。

图3 出入口口部变形

图4 连接通道接口处变形

4 结论

4.1 开挖阶段

连接通道围护桩在砂性土层中成桩会对地铁出入口周边土体造成扰动，导致出入口整体再次下沉。从成桩至开挖结束、结构封底，施工卸载土体会造成地铁出入口整体结构上浮。

4.2 连接口开口及通道结构施工阶段

连接口侧墙凿除过程中，地铁出入口开口部位出现应力重分布，且随着下部支撑的解除，开口上部变形显著增大。随着连接通道结构施工及土体回填，变形一直增加。开口处属于结构薄弱处，变形增加将是长期过程，覆土回填后还需长期监测。

5 建议措施

为减小开挖阶段的影响，需做好以下工作：①连接通道围护结构施工时，地铁侧围护桩需优先施工，并采取跳桩施工，以减小桩基施工对出入口结构的影响；②连接通道与地铁出入口接口处高压旋喷桩施工时应适当降低喷浆压力，减小对地铁出入口的影响；③基坑开挖过程应密切注意基坑止水帷幕施工质量，若出现渗水、流砂等情况，须及时处理，确保地铁安全。

为控制口部变形，出入口处应提前预留暗梁、暗柱并同步加强结构配筋等措施。