强透水层深基坑施工对紧邻地铁车站影响分析*

方能榕,高 洁,余国梁,吴剑秋,林志龙,陈宇新

(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)

0 引言

随着城市的发展和建设,城市高层和超高层建筑集中开发区域往往也是城市轨道交通线网密集地带,基坑工程都在往深、大、长的方向发展,由基坑工程施工诱发的周围环境问题频发,其引起的邻近地铁隧道结构变形将会严重影响地铁结构安全和运营稳定性[1]。

基坑工程是涉及诸多学科的系统工程,包含支护结构设计与施工、地下水控制、土方开挖与回填等多项内容,这其中某一环节出现问题都会对施工进度、周边环境甚至人员安全等造成影响[2]。针对基坑开挖施工对邻近隧道的影响,学者们采用理论计算、模型试验及数值模拟等手段对此展开了研究,如张治国等[3]基于Pasternak地基模型提出双基坑开挖引起邻近既有隧道纵向变形的两阶段简化分析方法,该简化解析法精度较高且计算简便。闫旭丽等[4]推导了既有盾构隧道在邻近基坑开挖卸荷作用下周围土体中各点应力路径演变规律,得到基坑施工对既有隧道周围土体应力的扰动程度、扰动范围及安全程度。张玉伟等[5]设计了非对称荷载作用下基坑卸载、再卸载对既有隧道影响的离心试验,深入研究了基坑开挖对下卧地铁隧道的影响。基于前人的研究,基坑开挖对邻近地铁隧道带来的影响可以分为两方面,一方面由于坑内土体开挖卸载使围护结构及周边土体发生变形,进而导致紧邻地铁结构随土体发生变形;另一方面,由基坑的开挖直接引起紧邻结构的变形和破坏[6-7]。

基坑工程另一个重要内容是地下水控制。基坑降水会对周边环境产生影响,一方面是降水引起地层有效应力的增加使地层发生固结沉降[8];另一方面是渗流作用,水体流动带动土体细颗粒的运移,使原有地层微观孔隙和土骨架结构发生改变,从而令局部地层发生变形[9-11]。针对基坑降水带来的问题,周勇等[12]以兰州地铁1号线某车站基坑支护工程为背景,借助有限元软件ADINA全面分析了基坑开挖降水过程中地下管道的位移,分析结果表明,车站深基坑开挖及降水对地下管道的位移有显著影响。陈永才等[13]分析了基坑降水对周边环境产生影响的原因,尤其是对承压水问题,着重分析了隔断承压水的设计,并提出相应问题的处理方案。对于基坑降水引起的渗流问题,孙文娟等[14]建立了三维有限元分析模型,充分研究了上海浦东新区某基坑工程开挖降水过程中地下水位、土体渗流场的变化及坑内外地面沉降。赵明[15]利用FLAC3D有限差分分析程序,基于流固耦合功能模拟了基坑开挖降水的三维流固耦合作用,得到基坑周围建筑物在不同工况下的相关沉降规律。

综上所述,本文以福建省内某防洪排涝深基坑工程为背景,利用有限元软件PLAXIS 3D建立三维模型模拟基坑施工工况,分析该基坑工程施工全过程对邻近已建地铁车站结构的影响,针对基坑工程施工带来的问题,提出针对性的技术控制措施,以期为福建省类似基坑工程施工提供工程经验和理论指导。

1 工程概况

1.1 工程简介

某工程为新建防洪排涝深基坑工程,建设内容包含涵洞竖井、排水箱涵、排涝泵站和水闸,项目位置关系如图1所示。根据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》对工程外部作业影响等级的判定,新建1号排水箱涵和水闸基坑的施工对地铁车站结构的影响为特级,因此,本文利用有限元软件PLAXIS 3D,全面分析该防洪排涝深基坑工程施工对紧邻地铁车站结构的影响。

1.2 基坑支护情况

该深基坑工程以既有地铁排水箱涵作为衔接段,左侧衔接新建1号排水箱涵,右侧衔接新建水闸,衔接处采用水泥搅拌桩加固,桩底位于中砂层,与已建地铁排水箱涵顶板的距离约0.5m,基坑具体支护结构如图2所示。

图2 地铁箱涵衔接段基坑支护

新建1号排水箱涵基坑支护横断面如图3所示,基坑为长条形,长约50m,宽约14.0m,开挖高度约11.5m。基坑围护结构采用钻孔灌注桩+3道钢支撑,坑底采用水泥搅拌桩进行加固,侧壁设置三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕。

图3 新建1号排水箱涵基坑支护横断面(单位:cm)

新建水闸基坑支护横断面如图4所示,基坑长29.1m、宽19.2m,基坑开挖高度13.5m。基坑围护结构采用钻孔灌注桩+3道内支撑,坑底用高压旋喷桩进行加固,侧壁设置三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕。

1.3 基坑降水设计情况

本工程地下水埋深0.3～3.0m,场地内均分布透水性强的砂、砂卵石层,地下水水量较丰富,各砂土层为地基主要的含水层,因此,在基坑开挖过程中,为了防止失稳、坑底隆起、管涌等问题,布置6口降水井使地下水位降至低于开挖面,同时设置9口回灌井,避免由于基坑内水位不均匀下降引起周边地基土不均匀沉降,具体布置如图5所示。

图5 基坑降水井及回灌井平面布置

2 分析模型建立

2.1 模型边界条件及参数取值

模型边界条件为:①本构模型方面各土体均采用硬化土模型。其中,对应硬化土模型,基于工程经验,对于软土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1.5∶8,对于黏土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶5,对于砂土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶3;②计算中不考虑地层的次固结及蠕变沉降;③考虑到地铁箱涵衔接段未完全封闭,且地层为透水的中砂层,数值模拟中考虑基坑内一次性降水至坑底以下0.5m,水位最高下降7.1m,坑外水位下降2m;④根据工程实际需要,既有车站结构两侧基坑开挖和回填同步进行;⑤模型结构中,基坑钻孔灌注桩、钢板桩及车站结构等均采用板单元,角撑、内支撑、立柱采用梁单元,水泥搅拌桩采用实体单元,车站下方工程桩采用桩单元(见表1～3)。

表1 岩土参数取值

表2 材料参数

表3 结构参数及强度等级

2.2 建立模型

采用PLAXIS 3D软件进行建模分析,模型如图6所示,模型尺寸为212.0m×128.0m×64.3m。模型计算主要针对防洪排涝工程基坑降水、开挖、水位恢复及通水阶段对紧邻地铁车站结构的影响。

图6 数值模型

2.3 施工工况

根据工程设计,新建防洪排涝工程的施工工序如下:①初始工况 生成车站结构、地铁排水箱涵;②工况1 箱涵、水闸基坑侧壁支护施工;③工况2 基坑内降水7.1m,坑外水位下降2m;④工况3 箱涵、水闸基坑施加第1道内支撑;⑤工况4 箱涵、水闸基坑开挖第1层土;⑥工况5 箱涵、水闸基坑施加第2道内支撑;⑦工况6 箱涵、水闸基坑开挖第2层土;⑧工况7 箱涵、水闸基坑施加第3道内支撑;⑨工况8 箱涵、水闸基坑开挖至坑底;⑩工况9 拆除第3道内支撑;工况10 拆除第2道内支撑;工况11 拆除第1道内支撑;工况12 水位恢复至8.000m;工况13 箱涵、水闸通水。

3 模拟结果分析

3.1 车站结构位移变化

数值模拟的位移数据如表4所示。由于篇幅限值,提取工况2,4,6,8,12,13车站结构z方向的位移云图,如图7所示。

表4 车站结构位移累计值

图7 车站结构z方向位移变化

模拟结果表明:

1)对比分析所有施工工况车站结构的位移变化情况可知,基坑施工过程中,基坑降水、开挖卸载及水位恢复对紧邻地铁车站结构的位移影响较大。

2)车站结构两侧基坑及周边地表降水时(工况3),车站结构位移发生较大变化,其中z方向沉降值达到-10.53mm,与上一工况相比,增量达9.41mm。这说明基坑及周边地表降水后,土中的孔隙水压力减小,土体的有效应力增大,使得土体产生固结压密现象,进而加大对紧邻车站结构的竖向作用,因此降水主要引起紧邻车站结构发生竖向沉降,对水平位移的影响较小。

3)对比工况4,6,8的位移数值可知,基坑在逐步开挖过程中,紧邻的地铁车站结构水平位移较小,z方向的位移值从-8.57mm到-5.69mm,车站结构呈隆起趋势,说明基坑开挖卸载,基坑土体发生回弹变形,衔接处的车站结构由于土压力的卸荷作用,产生隆起现象。

4)工况12为基坑通过回灌水位恢复至8.000m的模拟结果,相比于工况11,车站结构沉降值减小4.02mm,说明基坑回灌可一定程度上减小由于基坑降水引起的周边地基土及结构发生沉降。

5)工况13模拟了防洪排涝深基坑工程施工完成后,新建排水箱涵、水闸及既有地铁箱涵通水运营情况,模拟结果表明,加上水压力后,车站结构的位移变化量在1mm内,说明防洪排涝工程运营期间对既有车站结构的影响较小。

3.2 轨道高差分析

提取车站轨道竖向位移(见图8),计算结果如表5所示。既有左、右线轨道高差(矢度值)最大值发生在地铁箱涵衔接段,最大值分别为1.85,1.11mm,均小于CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求的4mm;既有左、右线轨道横向高差分别为1.06,1.03mm,小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求的4mm。

表5 分析计算变形量

图8 轨道竖向位移

4 基坑施工控制措施

本防洪排涝深基坑工程紧邻既有地铁车站,施工作业条件和施工工序复杂,由数值模拟得到该工程施工时基坑降水、开挖卸载及水位恢复对邻近结构的影响较大,建议施工过程中采取以下措施。

1)大面积的基坑降水使周围土体产生固结压密现象,引起紧邻车站结构发生较大竖向沉降,基坑降水应按需进行分步降水。施工过程中需加强坑外水位监测,控制坑外水位变化≤1m,必要时增设回灌井。回灌井应根据降水影响范围和周边建(构)筑物的位置进行布置,对于变形敏感或重要性等级较高的建(构)筑物应增设回灌井。

2)项目基坑为长条形,基坑深度较大,基坑开挖卸载时引起土体发生回弹变形,衔接处的车站结构由于土压力的卸荷作用,产生隆起现象,为了避免大面积卸荷和大面积降水引起地铁设施变形过大,建议基坑开挖时分段实施和间隔开挖,建议分段开挖长度≤30m。

3)防洪排涝深基坑工程与地铁排水箱涵衔接处采用水泥搅拌桩进行加固,并设置注浆导管对箱涵顶板上方进行封闭,该处地层为中砂层,建议基坑施工前进行注浆试验,基坑开挖前应试降水,测试基坑封闭情况。

4)既有车站结构两侧基坑应严格按同期实施的要求,基坑开挖和回填同步进行,且两侧土体开挖、回填高差建议控制在2m内。

5 结语

1)基坑施工全过程中,大面积的基坑降水会使土中的孔隙水压力减小、有效应力增大,紧邻车站结构发生较大竖向沉降。通过回灌井使水位恢复可一定程度上减小由于基坑降水引起的周边地基土及结构发生沉降。

2)基坑在逐步开挖过程中,紧邻的地铁车站结构由于土压力卸荷作用,车站结构竖向位移呈隆起趋势,产生隆起现象。基坑开挖对车站结构的水平位移影响较小。

3)根据工程设计资料,基于数值模拟结果,结合基坑施工过程中可能遇到的问题,建议采取相应的技术措施以控制基坑施工对紧邻地铁车站的影响,确保既有结构安全及正常运营。