深基坑施工对邻近地铁立交车站结构的安全影响分析

徐长金

(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400707)

城市轨道交通作为城市公共交通的骨干,其安全运行对保障人民生命财产安全、维护社会安稳定具有重要意义。随着地下工程开发建设越来越频繁,城市轨道交通与各种建构筑物间的上跨、下穿、邻近情况也越来越多,许多学者对该领域进行一系列研究。聂浩基于土力学基本理论和数值计算分析,研究基坑开挖对既有盾构管片变形与应力影响[1];彭涛等认为深基坑施工引起地铁站线结构破坏的原因主要是地下水治理失效和基坑围护施工质量缺陷[2];孙廉威发现,在基坑开挖至第2道支撑时进行加载改造为最不利工况,且围护结构侧向位移将超过规范允许值,在施工中应严格避免[3];史磊磊[4]等针对暗挖地铁车站侧穿安贞东桥施工提出两种保护措施,并采用数值模拟方法对两种保护方案的实施效果进行计算分析。还有部分学者针对不同地质条件下的地下工程,研究施工对邻近既有隧道的影响规律[5-8];以及采用各种数值模拟软件,分析邻近施工对地铁结构的影响[9-11]。然而,以往的研究多集中在地铁隧道或单一车站等结构受施工的影响,对地铁立交车站结构的研究相对较少。以某临近地铁立交车站的深基坑工程为背景,通过建立基坑施工过程中既有车站及附属结构的数值模型,对地铁结构的安全状态进行分析。

1 工程背景

某城市地铁2、3号线立交车站西北侧拟新建基坑工程,如图1所示。该基坑北侧为地下3层,占地面积为9694m2,开挖深度为17.5m,南侧为地下4层,占地面积为18268m2,基坑开挖深度为20.9m,基坑周长为760.0m。其中,地铁2号线5号风亭与基坑边沿最近净距为5.79m,地铁3号线1号出入口与基坑边沿最小净距为26.75m,与地铁3号线车站主体最小净距为55.43m。根据地面地质调查、钻探和试验等资料,场地地层岩性自上而下为人工填土、粉质黏土、红黏土、石灰岩,局部为岩层溶洞。场地地下水主要为第四系上层滞水以及深部灰岩中的岩溶裂隙水。

图1 车站与基坑平面位置

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》,判定地铁立交车站及其附属结构与基坑工程接近程度为“非常接近”,其工程影响区域为“强烈影响区”[12],综合考虑本工程地质条件特点,地铁立交车站及其附属结构受基坑施工的影响等级为“特级”。根据要求,应对城市轨道交通结构的安全影响进行分析与评估。

地铁结构安全状态的直观反映就是地铁隧道结构的损伤或破损状态,其主要包括渗漏水、外观变形、材料劣化、裂缝等[13-14]。以结构的变形、配筋及裂缝宽度为指标,通过有限元三维动态施工过程仿真,计算分析既有地铁结构受拟建基坑工程施工的影响[15-16]。

2 三维有限元分析

2.1 模型参数设置

采用MIDAS GTS有限元软件建立模型。针对基坑开挖影响区域,按照地铁工程和基坑工程设计资料,选取计算模型尺寸为320m×360m×50m,受有限元单元规模限制,单元网格尺寸设定在3 ～5m,并对特殊部位对网格进行细化,共划分209211个单元,如图2所示。边界条件为:模型底部设置为Z方向约束,模型左右面设置为X方向约束,模型前后面设置为Y方向约束。

图2 有限元模型(单位:m)

假定土体为弹塑性材料,针对复杂地层,应尽可能模拟真实的地层土的分布规律和力学特征。对局部小区域土层材料进行归一化处理时,考虑数值分析偏于安全的要求,土层选用力学性能低的材料,地基土的非线性本构与屈服力学特性层采用摩尔库伦模型描述,土层参数如表1所示。车站主体及附属结构等混凝土结构假定为弹性材料,材料结构力学参数如表2所示。地铁车站结构与土体之间符合变形协调原理,基坑周边地面超载取20kN/m2。

表1 土层参数

表2 材料结构力学参数

2.2 模拟工况

根据施工流程,数值模拟过程为:初始地应力平衡—钻孔灌注桩、钢立柱施工—施作第一道水平撑及预应力索锚、第一层土方开挖—施作第二道水平撑及预应力索锚、第二层土方开挖—施作第三道水平撑及预应力索锚、第二层土方开挖—地下室底板施工。由于只研究拟建基坑对既有结构的影响,故不考虑车站及附属结构在基坑施工前的变形,对基坑施工前的位移值进行清零。选取表3中的典型工况进行研究,各工况有限元模型如图3所示。地铁立交车站及附属结构与基坑位置关系如图4所示。

图3 各工况模型

图4 地铁结构与基坑有限元模型

表3 模拟工况

2.3 控制指标

根据国内类似地铁结构安全保护经验,结合本工程实际情况,制定既有地铁车站结构安全评价指标如下。

(1)车站结构水平位移量及竖向位移量取10mm(包括各种加载和卸载的最终位移量),变化速率取2mm/d。

(2)车站结构裂缝宽度在迎水面取0.2mm,背水面取0.3mm。

3 地铁结构安全分析

3.1 初始状态模拟

在深基坑施工之前,对已建成地铁车站结构的施工场地进行地应力平衡,由此得到场地在基坑工程施工前的初始地应力场和地铁车站结构在未受影响情况下的原始受力状态。初始位移理想状况为零值,受模型复杂程度影响,精度计算会得到一个很小的初始值,利用初始值进行误差修正。初始状态地层应力分层见图5。

图5 初始状态地应力模拟

3.2 结构变形分析

对工况1 ～ 5进行仿真模拟,获得各工况下地铁立交车站及附属结构的三维变形,变形极值情况见表4。由计算结果可以看出,基坑开挖过程中,地铁立交车站及其附属结构有整体向基坑侧位移的趋势,位移随着基坑开挖深度逐渐增大,且在工况4(基坑开挖到底)达到最大值。其中,车站主体最大水平位移值为2.43mm(横向1.82mm,纵向-1.32mm)、最大竖向位移值-0.84mm;附属结构离基坑近,水平位移变形相对较大,1号出入口最大水平位移值为6.48mm(横向5.69mm,纵向-2.46mm)、最大竖向位移值-1.87 mm,2号出入口和风道最大水平位移值为5.42mm(横向0.59mm,纵向-5.20mm)、最大竖向位移值-1.42mm,位于2号出入口与5号风亭相交叉部位。基坑开挖前(工况1)和完成后(工况4)的车站结构位移云图如图6、图7所示。在工况5(基坑底部施工)中,受荷载增大影响,地铁结构产生反向位移,其位移幅度很小,说明基坑开挖结束后,车站结构位移没有继续增大趋势。

图7 工况4结构变形模拟结果

表4 各工况下车站主体及附属结构变形极值mm

图6 工况1结构变形模拟结果

整个基坑开挖过程中,车站结构位移均小于控制指标允许值。

3.3 地铁结构内力验算

模拟分析各工况下车站及附属结构的受力变化。在分析时,按结构在施工阶段和使用阶段可能出现的最不利情况进行荷载组合,各种荷载组合及分项系数见表5。结构配筋验算采用荷载基本组合,内力=设计值(内力计算值×1.35+内力变化值×1.4)×1.1。裂缝验算采用荷载准永久组合,内力=设计值(内力计算值+内力变化值)。

表5 荷载组合

对地铁立交车站主体和附属结构的板、侧墙结构进行受力分析,各结构的弯矩云图如图8～图11所示。根据内力结果计算结构配筋和裂缝宽度,结果如表6所示。

表6 地铁结构板、侧墙内力验算结果

图8 车站板结构内力弯矩

图9 车站侧墙结构内力弯矩

图10 1号出入口结构内力弯矩

图11 2号出入口和5号风道结构内力弯矩

计算结果表示,车站及附属结构所受内力受基坑开挖影响均引起增大,且2号线与3号线交叉处、车站主体结构与附属结构交汇处、变截面处均是受力影响的敏感区域。车站主体中2号线底板中支座的受力影响最大,最大弯矩值为-1620.7kN·m,最大扭矩值为-1141.3kN·m,附属结构中5号风亭底板中支座受力影响最大,最大弯矩值为-970.8kN·m,最大扭矩值为-542.2kN·m。通过验算可知,实配钢筋面积均大于计算钢筋面积,计算裂缝宽度也均在控制指标范围内,地铁车站结构配筋能满足基坑开挖卸载导致结构内力增加幅度的要求。

4 结论及建议

4.1 结论

综合地铁立交车站及其附属结构和拟建基坑的设计资料,结合现场环境,建立各工况有限元模型,模拟仿真结果如下。

(1)车站及附属结构有整体向基坑侧位移的趋势,位移值随基坑开挖深度逐渐增大,且在基坑开挖至底部时达到最大值,但位移值小于评估控制标准的允许值。

(2)经内力验算,车站及附属结构楼板结构配筋满足计算要求,裂缝满足控制标准要求。

(3)拟建基坑施工将会对地铁车站结构和运营产生一定的影响,但处于安全可控范围。

4.2 建议

(1)土方开挖是拟建基坑施工对地铁结构产生影响的主要阶段,其施工应严格按照设计中的施工方法、设计参数和步序进行,满足相关规范要求,减少对地铁车站的影响。

(2)车站附属结构中1号出入口产生的最大水平变形可达到6.48mm,2号出入口和5号风亭的最大水平变形可达到5.42mm,但是在数值模拟中未考虑地下水影响,实际水平变形可能更大,建议在施工时基坑周边做好硬化及截排水措施,并且加大该处的监测频率。