深基坑工程临近既有地铁车站结构施工的影响分析

2023-02-15蔡宗洋

工程建设与设计 2023年2期

关键词：围护结构土方车站

蔡宗洋

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 引言

临近既有地铁车站结构基坑施工，土方开挖可能出现围护结构变形及周边环境沉降等，要充分考虑周边环境复杂、围护工程工作量大、地质条件差等困难，合理选择开挖方式和支护结构，运用现代化先进技术，保证工程质量。

2 工程概况

2.1 项目概况

本工程位于杭州市上城区近江区块，东侧和北侧紧邻婺江家园住宅小区，南侧为银鼓路，西侧为婺江路，项目基坑距离运营中的杭州地铁1号线婺江路站风亭约2 m，距离婺江路站～近江站区间隧道约17.6 m。

2.2既有轨道交通概况

整个车站有车站主体、出入口及风道3部分组成，出入口5个，位于车站南北两侧，车站设有2座风道，分别位于车站两端，风道采用双层箱型结构。车站总长约259.6 m，总宽18.9 m，站台有效长度为120 m，站台宽度10.2 m。车站顶板覆土约5 m，底板埋深约18 m。

3 基坑围护及开挖方案设计

3.1 围护结构型式

本项目主基坑深度约14.5 m，附属连通通道基坑深度约10~13 m。主基坑分为5个分坑，分别为分坑1~分坑5（见图1）。围护结构采用钻孔灌注桩+地连墙结合内支撑方式，地连墙长为1 000 mm，主要分布于临近地铁侧[1]。其余部分采用钻孔灌注桩，桩径1 000 mm，间距1 300 mm。附属改造部分基坑分为3个分坑，分别为分坑6~分坑8。其中，分坑6和分坑7边界部分借助既有轨道交通结构，其余部分采用钻孔灌注桩加MJS注浆加固。

图1 基坑分坑图

基坑分坑开挖按顺序：①分坑1和分坑2；②分坑3和分坑4；③分坑5；④分坑6；⑤分坑7；⑥分坑8。

3.2 内支撑

1）分坑1、3共有3道支撑，第一道支撑为混凝土支撑，第二道和第三道支撑为型钢组合支撑；分坑2、分坑4、分坑5共设置4道支撑，第一道支撑为混凝土支撑，第2~4道支撑为钢管支撑。分坑8设置共有2道支撑，均为混凝土支撑。

2）混凝土支撑采用C30，型钢组合支撑采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型钢；横梁采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢；围檩采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型钢，并配合轴力伺服系统使用。钢管支撑直径为800 mm，厚度为16 mm。

3）施工前须对钢构件的完整程度和力学性能进行检查和检测；支撑应分组安装，预应力应分级施加，依次为总预应力的20%、50%和30%，施加过程中应结合监测和巡查结果进行信息化施工；土方开挖范围内的支撑受力路径应闭合[2，3]。加压系统采用轴力自动补偿伺服系统。

4 基坑三维模型计算分析

4.1 模型说明

本文主要采用大型通用有限元分析软件PLAXIS 3D进行三维数值模拟，分析基坑开挖过程对涉铁设施结构的影响。

综合考虑基坑施工的影响范围和影响对象，计算模型的平面尺寸为210 m（X方向，或东西向）×200 m（Y方向，或南北向），计算模型中深度（Z方向，向上为正，负值代表沉降）取60 m（见图2）。

图2 模型网格及尺寸图

4.2 模型结果

选定5个主要不利工况，主要变形情况汇总见表1。

表1 变形情况汇总

5 结果分析

5.1 基坑监测情况

5.1.1 土体测斜

根据以上深层水平位移监测数据可以发现，CX1测点的位移值最大，其他测点数据相对较小。分析CX1测点数据可以发现，在2021年12月24日土体最大水平位移为22.93 mm，此阶段对应分坑1在进行拆撑工序，之后随着地下室侧墙及中板的浇筑，变形趋势减小，变形数据逐渐稳定，截至2022年1月21日，同深度位置处的土体变形最大值减小为20.77 mm，目前已基本完成分坑1的回筑工况，基坑支护体系处于稳定状态。

5.1.2 地表沉降

截至2022年1月24日，地表沉降的最大值为8.49 mm，发生位置为CJ2。由分坑1和分坑2的运土路线可以发现，CJ1和CJ2位于两个分坑的运土线路附近，分析其原因为受重型运土车的碾压所致。其他测点大部分处于5 mm左右，整体处于稳定状态。

5.2 轨道交通监测情况

基坑土方开挖至2022年1月25日，上行线结构的水平位移及相应的水平收敛值变形稍大。围护桩施工阶段影响较小，水平位移最大值在2 mm以内。随着基坑土方的开挖，变形的斜率增大，且随着基坑向下的施工，变形量也越大，说明土体卸载造成既有线发生向基坑一侧位移的累积效应相对较为明显。在2021年11月17日，分坑1及分坑2开挖到底，土方开挖停止；随着基坑内垫层及地下室底板的施作，既有线的水平位移虽仍然是累积增加的趋势，但增大的幅度变小并逐步稳定，截至2022年1月25日，最大水平位移为7.0 mm，对应的断面点号为SSP35（18）。除水平位移外，上行线结构的水平位移及相应的水平收敛变形值也有类似的变化趋势，但变形量绝对值相对较小，最大值在3~4 mm，影响较小。

由出入口的沉降变形时程可以看出，主要变形突变有两个，一个发生在2021年9月21日，即分坑1完成第一道混凝土支撑，开始进行第二次开挖的时刻。在此之前，出入口的沉降变形最大值在2 mm左右，随着分坑1开挖土方量的加大，变形斜率明显加大，一直到2021年10月15日，分坑1开始施作了第三道支撑，出入口的沉降变形加大趋势得到了缓解，此时最大值约为4 mm。分析其原因可知，在第一道支撑施工时，土体的卸载量较小，但从第一道支撑～第三道支撑间的竖向距离较大，土体卸载量也要大很多，因此造成此阶段的变形量增加较快。

第二个突变发生在2021年11月2号，即分坑1由第三道支撑位置开挖到底的过程。此阶段基坑东侧发生了渗漏水，现场进行堵漏施工工期长达21 d，基坑长时间处于搁置状态下，发生较大蠕变。分析数据可以看出，渗漏水期间出入口的结构变形斜率较大，造成的不利影响也更突出。

随着堵漏工序完成，分坑1开挖到底及后续底板的及时施作，出入口的变形得到了一定程度的控制，虽然后续回筑过程中，随着拆撑的工况，沉降变形有一定的起伏，但总体的变形速率相对稳定，截至2022年1月25日，分坑1已基本完成回筑过程，最大沉降值为7.1 mm。

6 后续基坑施工建议

结合基坑围护方案具体的施工工况要求，通过理论和监测数据分析、三维有限元数值分析，进行了各个阶段的施工工况等对地铁结构变形的分析和计算。分析结果表明采用本工程基坑围护方案，并结合施工分块、控制施工时间等措施，在围护结构（围护桩、止水帷幕等）施工质量可靠的前提下，适时调整既有轨道交通结构的变形控制值，优化部分施工措施，地铁结构的变形可满足基坑施工的要求。

尽管如此，考虑到基坑施工过程中的风险因素，围护结构的可靠性和实际施工应遵循“分层、限时”的基坑施工原则，尽可能减少地铁结构保护的风险。为此，提出以下3点建议：

1）为防止再次发生渗漏水情况，开挖前现场应加强止水帷幕、地连墙、排桩等围护结构的施工质量检验，对存在质量问题的区域及时采取加固、补桩等措施，确保止水效果达到设计要求[4]。特别是对于地连墙与围护桩相接位置，应重点关注，发现围护缺陷处必须进行补强后方可开挖。

2）施工过程加强地下水位的监测和现场巡视工作，便于及时发现地下水位变化较大或有渗漏点的情况，进而及时采取应急措施，避免不利影响进一步扩大。

3）基坑各阶段挖土施工必须遵循“分层开挖、严禁超挖”的原则。每层厚度不宜大于1.5 m，每段开挖宽度不宜超过20 m为最低要求，现场根据既有线监测的实时数据，必要时应进一步减少每次的开挖高度。不得随意开挖或超深开挖，严格控制每次开挖的土方卸载量。