新建控制中心基坑临近既有地铁区间施工安全性分析

孙东媛

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 工程概况

基坑施工临近既有地铁区间,工程风险高、难度大[1],不仅需要制定周密的围护及施工方案,还应进行数值模拟分析来验证相关措施的可行性、安全性[2]。沈阳市地铁十号线工程滂江街控制中心用地位于已开通运营一号线滂黎区间两侧,控制中心基坑分为A区基坑、B区基坑。A区、B区基坑距离一号线区间结构分别约为6.2m、6.4m,为一级环境风险工程。

控制中心A区基坑临近一号线滂黎区间侧深约为12.25m,采用灌注桩+钢支撑的支护形式;B区基坑深约为7.75m,采用灌注桩+钢支撑的支护形式。一号线区间两侧部分围护桩与区间上部筏板的支承桩共用。

一号线滂黎区间起讫里程为DK20+537.15～DK21+710.630,区间总长1176.233m(左线)、1173.480m(右线)。与控制中心近邻段为马蹄形断面,线间距为13m。区间初支采用C25早强网喷混凝土,衬砌厚度为300mm;二衬采用C30防水钢筋混凝土,衬砌厚度为300mm,主受力钢筋采用HRB335钢筋。滂江街控制中心围护结构平面示意图见图1,横剖面图见图2。

图1 滂江街控制中心围护结构平面示意图

图2 滂江街控制中心围护结构横剖面图(长度单位:mm,高程单位:m)

2 地质概况

3 安全分析工作要点

3.1 安全分析目的

结合十号线滂江街控制中心勘察设计文件、既有一号线滂黎区间图纸和综合调研等相关资料,对沈阳市地铁十号线滂江街控制中心A区、B区基坑施工临近一号线滂黎区间风险源进行评估。从既有区间变形情况、内力变化情况进行分析,对既有结构受影响程度、范围进行评估,对既有结构提出安全保护措施建议,为工程安全建设提供指导。

3.2 安全分析方法

以地勘资料、设计资料为基础资料,采用Midas GTS NX有限元分析软件建立1:1有限元模型,利用数值分析方法,综合考虑地层条件、空间效应、开挖方法等影响因素,模拟分析隧道开挖力学行为,评价新建地铁结构对周边既有结构的影响。

3.3 安全分析控制指标

既有结构竖向位移:沉降小于6mm,隆起小于4mm;既有结构水平位移小于3mm;既有结构衬砌及配筋满足受力要求[3-4]。

4 基坑施工工序

控制中心基坑施工时,首先施工上跨一号线区间的筏板及其支承桩,待筏板达到设计强度后进行A区基坑施工,待A区逐步拆撑,并施工主体结构至地面标高后,进行B区基坑施工。控制中心A区、B区基坑具体施工工序如下:

(1)筏板及控制中心A区基坑施工具体顺序为:

施工步1:施作上跨区间筏板及其支承桩。

施工步2:控制中心A区一期基坑施工。

施工步3:控制中心A区二期基坑开挖,并在临近区间结构6m范围内预留反压土。

施工步4:控制中心A区二期基坑进行剩余反压土体开挖,挖至第一道支撑0.5m处,架设第一道支撑。

施工步5:控制中心A区二期基坑开挖至第二道支撑0.5m处并架设第二道支撑。

施工步6:控制中心A区二期基坑开挖至设计标高。

施工步7:控制中心A区二期基坑施作地下二层侧墙、立柱及架设竖向斜撑。

施工步8:控制中心A区二期基坑拆除第二道支撑,施作地下二层立柱、中板并进行回填。

施工步9:控制中心A区二期基坑拆除第一道支撑,施作地下一层立柱、中板,拆除竖向倒撑并进行回填。

(2)控制中心B区基坑施工具体顺序为:

施工步10:控制中心B区基坑开挖至第一道支撑以下0.5m处,架设钢支撑。

施工步11:控制中心B区基坑开挖至设计标高。

施工步12:控制中心B区基坑拆除钢支撑,施作侧墙及顶板至自然地面。

(3)筏板上施加楼荷载(施工步13)。

5 模型建立

5.1 模型假定

(1)采用弹塑性计算模型;(2)采用均一地层,岩土体的变形是各向同性的;(3)初始地应力的计算只考虑初始自重应力,未考虑构造应力;(4)隧道开挖后土体应力瞬间释放;(5)隧道的受力和变形是平面应变问题;(6)不考虑地下水影响。

5.2 力学参数

(1)岩土层力学参数

表1 岩土层力学参数表

滂江街控制中心A区、B区基坑及筏板所处地层如图3所示。

图3 控制中心A区基坑、筏板及控制中心B区地层剖面图(单位:m)

(2)结构参数

表2 结构参数表

围护桩尺寸需按照抗弯刚度转化为均质板,各种形式围护桩等效板厚度见表3。

表3 围护桩简化板厚表

(3)设计荷载

作用在筏板上的楼荷载为53.46kPa。

5.3 计算模型

模型由控制中心A区基坑、B区基坑、筏板结构、既有隧道结构及周围地层组成。控制中心A区基坑分两期开挖,一期基坑占地面积较大,模型中仅考虑距离隧道50m范围内的部分。模型宽度105m,高度30m,纵向长度90m,网格划分采用四面体单元,单元总数为79131个。在模型底部施加竖向约束,模型四个侧面分别施加垂直于侧面方向的水平位移约束,如图4所示。

图4 计算模型

5.4 监测点的设置

选取既有隧道6个断面(①～⑥)进行结构变形分析,每个断面设置4个监测点(拱顶,左、右边墙,仰拱)。

6 结构变形计算结果及分析

既有结构二次衬砌各监测断面位移随施工步的变化规律如图5、图6所示。

图5 左边墙、右边墙水平位移变化规律

图6 拱顶、仰拱竖向位移变化规律

(1)衬砌水平位移

监测点在各施工阶段的水平位移见表4。

表4 各施工阶段水平位移统计表 单位:mm

当控制中心A区二期基坑开挖至设计标高(S6)时,既有结构各监测点水平位移达到峰值,其中:④号断面右边墙的水平位移最大,为1.81mm。控制中心基坑施工,既有结构各监测点水平位移的方向均朝向控制中心A区基坑。既有隧道右线监测点水平位移均大于左线,监测点各施工阶段水平位移均未超过安全评估控制标准数值。

(2)衬砌竖向位移

拱顶、仰拱竖向位移变化规律见图6。

监测点在各施工阶段的竖向位移如表5所示。

表5 各施工阶段竖向位移统计表 单位:mm

控制中心基坑开挖,既有结构监测点竖向位移均为下沉,当在筏板上施加楼荷载时,既有结构各监测点下沉量达到最大值。各施工阶段,既有结构监测点竖向位移最大沉降值为0.67mm,均未超过安全评估控制标准数值。

7 结构内力计算结果及分析

各施工步既有结构弯矩最大值对应的轴力值及结构所需配筋情况如表6所示。

表6 既有结构内力统计表

控制中心基坑施工,既有结构弯矩最大值在0.55～1.28kN·m,根据计算结果进行配筋验算,既有结构原设计配筋情况满足正常使用要求。

8 结论

(1)控制中心基坑施工,既有结构左线水平位移最大值为1.41mm,右线水平位移最大值为1.89mm;既有结构左线沉降最大值为0.67mm,右线沉降最大值为0.66mm,右线隆起最大值为0.07mm。既有结构的水平位移和竖向位移均未超过安全评估控制标准数值。

(2)控制中心基坑施工,既有结构原设计配筋情况满足正常使用要求。

(3)滂江街控制中心基坑施工须严格按照设计图纸进行,基坑开挖一层支护一层,及时施作坑内支撑。施工期间需加强对新建基坑和既有结构的监测,确保地铁运营及施工安全。