紧邻既有地铁车站基坑开挖变形影响分析*

方能榕,蓝燕金,李继光,余国梁,江卓峰,蔡金山

(1.中国建筑第八工程局有限公司,上海 201200; 2.福建省建筑科学研究院有限责任公司,福建 福州 350108; 3.福州轨道交通设计院有限公司,福建 福州 350009)

0 引言

基坑开挖变形可能会对周围环境产生不利影响,如建筑倒塌、地下管线变形、地表沉降和横移等问题[1]。基坑施工对邻近房屋受力影响较小时对房屋变形仍有一定影响[2],邻近建筑物的沉降会经历增大、回弹、加速增大等不同阶段[3]。基坑紧邻地铁车站的情况已很普遍,由于地铁车站对变形要求很高,对基坑进行安全评估十分重要[4]。对基坑开挖过程中邻近车站的变形规律进行研究结果表明,基坑与车站不同距离、不同开挖深度、不同土体重度都会影响地下连续墙的内力和变形,并进一步影响邻近车站结构的变形和振动响应。因此,为了提高建筑的安全性要严格控制基坑变形[5-9]。

目前主要是通过控制基坑支护体系的变形控制基坑变形。叶帅华等[10]通过模拟验证了咬合桩和预应力锚杆对控制基坑及邻近建筑变形的有效性。张爱民等[11]提出将基坑从四周向中间开挖减小邻近车站变形。刘庆晨等[12]通过分析基坑回弹原因,提出基坑分仓开挖、改善支撑连接位置、进行降水试验等方式保护基坑内的地铁车站结构。吴才德等[13]通过增加围护结构刚度、加固坑内土体、增加支撑数量等方式控制基坑附近车站变形。郑翔等[14]提出在不同施工环节控制变形的建议。

不同地区的地质和水文条件往往存在较大差异,基坑施工影响需具体讨论。杨忠平等[15]研究了淤泥土层中基坑开挖邻近大桥和隧道的变形规律。王立新等[16]研究了黄土地层中基坑卸载对既有地铁车站的影响。袁静等[17]分析了粉砂土地层中基坑施工对邻近地铁站房和隧道的影响。

本文采用数值模拟方法研究紧邻既有地铁车站的某停车场基坑施工影响,分析了基坑降水至坑底、土方开挖至坑底、拆撑后3个关键节点的基坑周围土体、围护桩和邻近车站出入口结构的变形情况,通过对基坑变形结果进行分析,评价施工过程对周围环境影响,为基坑支护结构设计提供参考。

1 工程概况

拟建某停车场为地铁配套停车场地块,由1层多栋管理用房组成,采用浅基础,设1层地下室。基坑开挖深度6.35～7.60m。项目地平面如图1所示。场地东侧及南侧为解放溪,西南侧为空地,西侧为地铁1号线车站出入口,距基坑顶边线约5.2m,北侧为市政路,距基坑顶边线约20.0m。

图1 项目所在地平面

其中,综合停车场项目基坑支护采用放坡、灌注桩、灌注桩+1道角撑支护方式。靠近地铁出入口的范围采用灌注桩支护形式,其他区域采取放坡支护。

既有地铁车站为地下2层岛式车站,采用明挖顺作法施工。主体基坑标准段深16.5m,围护结构采用800mm厚地下连续墙+内支撑支护方案。拟建某停车场西侧临近既有地铁车站附属主体1号出入口,新建基坑与既有地铁车站的相对位置关系如图2所示。

图2 基坑相对位置关系

2 工程地质及水文地质条件

场地内各岩、土层的性状和特征依序分述如下:杂填土①场地均有分布,厚1.80～5.20m,均匀性差;粉质黏土②厚度为2.20～6.30m,顶板标高6.330～9.630m,均匀性较差;卵石③层稳定,厚度3.50～6.40m,顶板标高2.840～4.670m,均匀性差;残积砂质黏性土④层零星分布,厚度2.50～5.70m,顶板标高-1.270～0.130m,均匀性差;全风化花岗岩⑤层厚度为1.40～13.90m,顶板标高-6.920～-0.080m; 砂土状强风化花岗岩⑥层厚度为4.70～41.60m,顶板标高-14.520～-4.100m,均匀性差。地质剖面如图3所示。

图3 基坑位置地质剖面

本场地地貌上处于冲洪积平原,地势平坦,据钻孔揭露,场地主要含水层为上部卵石层,场地地下水富水性较好,水量较丰富。除填土下部的少量孔隙潜水外,地下水类型主要为上部松散岩类中的孔隙承压水和下部基岩风化网状孔隙～裂隙承压水2种类型。

3 有限元模型

3.1 模型假定

1)模型采用硬化土(plastic-hardening)模型,土体为正常固结土,不考虑土体变形的时间效应,土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前已完成。

2)参考2—2剖面,基坑深度按7.6m考虑。考虑最不利工况,模型中不考虑既有附属结构1号口以外的地铁结构刚度和驳岸临空面影响,各层土不考虑土层面起伏,按等厚度考虑。

3)用基坑底部施加刚性铰的方式模拟地下室底板浇筑对基坑侧壁的支承,约束施加后再进行拆撑工况。

3.2 数值模型

基于上述模型假定建立包括某新建停车场基坑和既有地铁车站附属主体1号出入口的数值模型,模型的x-y方向与图2中的标注保持一致,将与某新建停车场基坑长边平行的轴线作为x轴,垂直的方向为y轴建立坐标系,最终的数值模型如图4所示。本次模型计算的施工步骤如下:天然状态→灌注桩、角撑施工→基坑降水→基坑开挖→基坑底部施加刚性铰(地下室底板浇筑)→拆撑。

图4 数值模型

3.3 计算参数

该模型的土体本构条件选择硬化土模型,土体各项参数根据勘察报告取值,如表1所示。

表1 模型土体参数

1)地铁车站1号出入口顶、底板和外墙采用板单元模拟,弹性模量为31.5MPa,顶、底板板厚0.7m,外墙厚0.6m。

2)地铁车站1号出入口结构考虑基坑支护时支护桩的有利影响,既有围护桩通过刚度等效板参数为:弹性模量为30MPa,板厚0.6m,外墙所处区域板单元弹性模量取30MPa,板厚1.2m。

3)基于理论研究和工程经验,取E50=Es1-2,Eoed=E50,Eur=(3～10)E50。

4 数值计算结果分析

4.1 降水施工对支护结构及周边环境的影响

施工过程中的孔隙压力如图5所示。初始水位埋深为2.5m,孔隙压力为水平层状分布。降水后,孔隙压力分布表现为漏斗形,其中基坑处水头最低,秀山站出入口由于距离基坑较近,水位也随之降低。

图5 施工过程中的孔隙压力

降水至坑底后基坑周围的土体沉降如图6所示。计算结果表明,降水后基坑位置产生的沉降最大,沉降最大值达到12.5mm。随着与基坑距离的增加,水位降深逐渐减小,土体沉降也随之减小。

降水至坑底后围护桩与1号出入口结构总位移如图7所示。计算结果表明,围护桩与1号出入口结构最大位移为1.0mm,说明基坑降水对围护桩与1号出入口结构影响较小。

图7 降水至坑底后围护桩与1号出入口结构总位移

4.2 基坑开挖对支护结构及周边环境影响

基坑开挖至坑底后基坑周围的土体水平方向变形如图8所示,图8中x轴的正方向指向基坑北侧,土体x方向水平位移主要发生在基坑北侧和南侧,土体y方向水平位移主要发生在基坑西侧和东侧。基坑北侧为放坡支护,坡率为1∶0.9;基坑南侧为放坡支护,坡率为1∶0.65;基坑东侧采用放坡+锚管的支护形式,坡率为1∶0.25和1∶0.2。计算结果表明:随着坡率减小,边坡变形增加。其中,基坑东侧水平变形最大,为34.0mm;其次是南侧放坡段,水平变形为27.7mm;基坑北侧变形最小,为10.2mm。基坑西侧采用悬臂灌注桩、灌注桩+1道钢筋混凝土内支撑的支护形式,基坑开挖到坑底后西侧灌注桩的最大水平位移为17.7mm。

图8 基坑开挖至坑底后土体水平变形

基坑开挖至坑底后周围的土体沉降如图9所示。计算结果表明,地表最大沉降出现在基坑东侧,最大地面沉降为30.4mm。为对比施工过程中坑外道路的地表沉降变化,在基坑的不同位置上共选取4个剖面进行分析,剖面位置如图10a所示。基坑开挖至坑底后这4个剖面上的土体沉降情况如图10b所示,结果表明,在距离基坑边缘5m范围内,A—A′和D—D′剖面沉降最小,B—B′剖面次之,C—C′剖面沉降最大,坑外道路地表最大沉降值为23.0mm。

图9 开挖至坑底后周边土体沉降云图

图10 开挖至坑底后地表沉降曲线

基坑开挖至坑底后基坑围护桩的水平变形如图11所示。计算结果表明,在y方向上围护桩的水平位移最大值约17.7mm,在x方向上围护桩的水平位移最大值约3.8mm,通过矢量合成后,围护桩总位移的最大值为17.7mm。

图11 开挖至坑底后基坑围护桩水平变形

基坑开挖至坑底后临近地铁车站1号出入口结构的水平变形如图12所示。计算结果表明,开挖至坑底后,1号出入口结构4个侧面的墙体均产生朝向基坑一侧的变形。结构y方向的水平变形最大值为2.2mm,结构x方向的水平变形最大值为0.4mm,矢量合成结果表明,靠近基坑最近的侧墙变形最大,总位移值为2.2mm。

图12 开挖至坑底后1号出入口结构水平变形

4.3 拆撑对支护结构及周边环境影响

拆撑后基坑土体的水平变形如图13所示。计算结果表明,拆撑后土体的变形幅值与基坑开挖到坑底时的结果相差不大。基坑东侧水平变形最大,为34.0mm;其次是南侧放坡段,水平变形为27.7mm;西侧灌注桩最大水平位移为17.7mm;基坑北侧变形为10.2mm。

图13 拆撑后土体水平变形

拆撑后基坑周边的土体沉降云图如图14所示,与图10a所示剖面位置一致,4个剖面对应的地表土体沉降曲线如图15所示。计算结果表明,拆撑后,距离角撑位置较近的A—A′剖面的土体沉降有所增长,而其他位置的变形无明显增长。

图14 拆撑后的土体沉降云图

图15 拆撑后的地表沉降曲线

拆撑后基坑围护桩的水平变形如图16所示,拆撑后原支撑所在区域的围护桩变形随之增加,变形最大位置由桩身变成桩顶。围护桩y方向的水平位移最大值为17.7mm,与基坑开挖到底时的变形相差不大。围护桩x方向的水平位移最大值增加较多,由3.8mm增加至6.1mm。矢量合成结果表明,最大变形值为17.7mm。

图16 拆撑后基坑围护桩水平变形

拆撑后临近地铁车站1号出入口结构的水平变形如图17所示。结果表明,随着基坑支护桩变形增加,1号出入口结构水平位移也随之增加,其中结构y方向的水平变形由2.2mm增加至3.2mm,结构x方向的水平变形为0.3mm,与基坑开挖到底时相差不大。最大矢量位移由2.2mm增加至3.2mm,最大变形位置位于靠近基坑一侧。

图17 拆撑后1号出入口结构水平变形

5 监测数据分析

利用实际工程的监测数据,选择围护结构的4个截面位置分析桩体水平位移,监测数据提取位置如图18所示。拆撑后基坑围护桩侧向曲线如图19所示,将数值模拟结果与现场监测数据进行对比,可发现两者较吻合。数值模拟结果表明,拆撑后,2—2剖面变为悬臂结构,围护桩最大变形位于桩顶。其中,1—1截面处最大变形为13.0mm,2—2截面处最大变形为6.0mm,3—3截面处最大变形为10.0mm,4—4截面处最大变形为16.0mm。监测数据显示,拆撑后远离原支撑位置的1—1′,4—4′剖面变形较大,围护桩变形值与模拟值接近。

图18 围护桩剖面位置示意

6 结语

1)基坑降水对土体沉降影响较小,土体最大沉降位于基坑内,最大沉降值为12.5mm。

2)基坑开挖至坑底后,基坑支护桩最大变形为17.7mm,基坑外道路地表沉降最大值为23.0mm,符合规范控制标准。

3)基坑四周采取不同角度放坡时,随着坡率减小,边坡变形增加,施工中需对此位置加强监测。

4)拆撑后,仅临近角撑范围内的围护桩变形略有增长,其他处变化较小。

5)靠近基坑的地铁车站侧墙变形最大,基坑与车站间区域的场地堆载要符合设计要求。