建筑基坑支护工程施工阶段对地铁影响的预评估

陈金培,江俐敏

(深圳市基础工程有限公司,广东 深圳 518040;2.武汉职业技术学院建筑工程学院,湖北 武汉 430074)

随地下空间的开发,地铁逐渐成为城市交通主流,地铁受周围岩土体应力环境影响较大,尤其是附近的建筑基坑支护施工中不可避免会对地铁带来的系列影响[1]。为了避免基坑支护工程施工中对地铁产生不利影响,一般应进行相应的评估[2]。评估常采用的方法有数值分析、理论计算和现场监测分析等[3-5],这些方法在支护工程施工阶段对地铁影响分析较为合理,也得到了广泛的应用。刘贺等[6]采用数值分析软件FLAC3D模拟基坑开挖全过程,通过计算结果完成了基坑开挖过程中地铁隧道的安全评估,并分析了基坑土体分层开挖及坑外降水对临近地铁隧道的影响;麻凤海等[7]以青岛某邻近地铁基坑施工项目为例,对基坑开挖和主体结构施工工况进行模拟分析,得到不同施工步骤下地铁隧道的位移变化情况和受力状况;宋永彬[8]运用数理统计分析方法对不同因素下地铁隧道的最大竖向变形及水平变形进行敏感性分析;孔俊强[9]分析了双排桩支护深基坑工程对邻近地铁隧道结构安全的影响,得到了相应工况下隧道结构的变形及受力规律;胡俊涛等[10]对基坑开挖过程中,邻近隧道会产生相应的位移,考虑基坑与隧道的竖向和水平位置关系对拟合结果的影响,分组拟合进行分析。基于系列影响研究,徐长节等[11]针对基坑相邻地铁隧道变形与应力提出了系列控制措施。

结合坪山沙湖社区“整村统筹”土地整备项目留用地12号地块项目的工程条件、基坑工程设计以及基坑工程施工方案,拟采用数值分析和理论计算方法,对基坑支护、开挖过程等工况进行模拟,分析基坑开挖的各个工况对城市轨道交通设施的影响。

1 工程概况

1.1 工程概况

本项目总用地面积为81 700 m2,总建筑面积为620 000 m2。其中有三层地下室。拟建场地现状为荒地,地形较为平坦。北侧为坪山河,东侧为锦龙大道。南侧为坪山大道(下设地铁14号线在建,已完成隧道施工,距离基坑支护边线约8.46～24.6 m,轨道顶结构距现状地面约28.1 m)。西侧为内部道路,对面为4～5层框架结构建筑。基坑周长约1 258 m,面积约70 980 m2,深度为12.5～15.26 m。

基坑开挖揭露土层主要为素填土、杂填土、粉质黏土、粗砂、砾砂、全风化砂岩。

临近地铁侧基坑开挖深度约14.1 m,采用φ1.2 m@1.8 m荤素咬合桩和2道混凝土水平内支撑或 2道斜抛钢支撑支护。

1.2 工程地质条件

根据工程地质勘察报告资料,现场地形地貌和场地水文地质条件如下所述。

(1)地形地貌。

项目场地位于坪山中心区,场地原始地貌为冲洪积平原,现状为荒地,地形较为平坦。实测场地高程介于40.80～45.60 m,平均高程为43.20 m。根据钻探揭露结果,场地内各土层的岩性特征自上而下如下。

①人工填土层(Qml)。

杂填土(1-1):主要由碎混凝土块、碎砖等组成,黏性土及少量砂土充填;素填土(1-2):主要为黏性土,夹多量砂岩强-中风化碎块。分布于场地大部分地段,基本完成自重固结。

②第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)。

淤泥质粉质黏土(2-1):土质较均匀,黏性较好,该层场地仅JK1、JK4有分布;粉质黏土(2-2):中等压缩性,局部含粉、细砂,该层场地局部地段有分布;粗砂(2-3):分选性较好,级配不良,该层在场地内局部有揭露。

③第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)。

粉质黏土(3-1):切面稍有光泽,压缩性中等;砾砂(3-2):主要成分为石英,分选性差,级配不良。

④第四系残积土层(Qel)。

粉质黏土(4):由下覆粉砂岩风化残积而成,压缩性中等,该层场地大部分地段均有分布。

⑤石炭系下统大塘阶测水组(C1c1)砂岩。

全风化粉砂岩(5-1):风化裂隙极发育,岩芯呈坚硬土柱状,遇水易软化;强风化粉砂岩(5-2):岩石风化强烈,组织结构已部分破坏,遇水易崩解。

(2)场地水文地质条件。

场地勘察期间测得水面标高在35.80～38.60 m,水位变化幅度约为3 m。河道按百年一遇洪水水位设防。

场地地下水分为第四系孔隙水及岩溶裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系人工填土层,粉、细砂,砾砂,全风化岩层中;其次赋存在冲洪积粉质黏土和第四系残积层中。其中粉质黏土、残积土为弱透水性;素填土,粉、细砂,全风化层为弱-中透水性;砾砂层为强透水层。

2 评估方法及依据

针对上述问题,结合实际工程条件、基坑工程设计以及基坑工程施工方案,通过有限元方法和理论计算,对基坑支护、开挖过程等工况进行模拟计算,给出基坑开挖的各个工况对城市轨道交通设施的影响,提出分析评估为工程决策提供依据。

2.1 评估方法及内容

采用水土合算三维有限元数值分析,综合水土合算三维有限元数值分析结果,得到基坑开挖对周边环境的影响。

(1)分析和整理场地地质资料和基坑支护设计资料,调查下穿隧道结构的建设情况,明确基坑开挖对地铁的主要影响因素。

(2)通过三维空间有限元数值模拟计算,分析基坑在每个施工工况时基坑变形、地铁结构的变形和附加应力情况,并判定地铁结构累积变形是否在允许范围内。

(3)根据所有计算分析结果,得出评估结论并提出来优化建议。

2.2 评估依据

评估依据主要包括深圳市管理性条例和管理办法,《坪山沙湖社区“整村统筹”土地整备项目留用地12号地块项目基坑》相关工程设计成果及技术文件,地铁设计图纸,业主提供的地形图,中华人民共和国国家标准、行业标准。

根据深圳市地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法的相关标准,地铁监测项目的控制标准如下。

(1)轨道安全控制指标。

运营线路轨道静态尺寸容许变形值:轨道高低、轨向变形<4 mm/10 m;两轨道横向高差<4 mm;三角坑高低差<4 mm/18 m;扭曲变形<4 mm/6.25 m;轨距+3 mm,-2 mm;道床脱空量≤5 mm。

(2)完成铺轨后才开始施工的地铁设施安全控制指标参照运营安全保护区工程的指标执行,其控制指标标准如表1所示。

表1 车站及隧道结构安全控制指标标准值

3 基坑开挖对邻近地铁的数值分析

3.1 三维有限元计算模型几何尺寸

由于项目基坑支护与地铁相关的区域主要在南侧,即东西两个角撑和中间斜抛撑。因此,本次数值分析针对角撑和斜抛撑区域进行数值分析。

基坑开挖深度为14.1 m,模型中土体采用实体单元,模型整体尺寸为420 m×100 m×40 m。

3.2 地层分布情况

将基坑4-4剖面图的地质钻孔JK-22作为本项目区域的典型地层分布,部分土层厚度根据建模要求进行了简化,土层厚度如表2所示。

表2 土层厚度

3.3 本构模型及计算参数

在土工有限元分析中,拟建项目基坑的围护结构采用等效抗弯刚度的板单元代替,地铁隧道衬砌采用线弹性板单元。各结构构件相关参数如表3所示。

表3 结构构件相关参数

根据土层性质的特点,土质材料选用小应变土体硬化模型,其中部分参数通过经验分析进行了调整,具体参数如表4所示。

表4 土体材料相关参数

3.4 边界条件及荷载

在模型中,四周水平方向均对x、y方向设置固定约束,底部设置固定约束。为了模拟水平混凝土支撑立柱和斜抛钢支撑支座,采用固定点对杆件进行约束。整个模型仅添加自重应力,场地初始竖向应力场为土体自重通过计算获得,通过地应力平衡计算后,重置位移,其详细步骤如下。

第一步:地应力平衡。

模型为均匀土层,无激活任何结构,最大值为0.112 kN/m2,最小值为-377.8 kN/m2土层的自重应力为均匀分布,且符合理论计算结果。

第二步:激活地铁隧道和支护桩。

该施工步将隧道、支护桩激活,并将隧道内土体冻结。利用Plaxis的重置位移功能,图中土体最大位移为0.389 5 mm,可以认为将土体位移已经归零,此时隧道衬砌具有初始应力,但位移为零。该施工步是模拟基坑未开挖时的初始场地状态。

第三步:基坑开挖至2.5 m深度。

该施工步是模拟基坑开挖至2.5 m深度的工况,此时施工第一道角撑,图中土体最大位移为6.351 mm。

第四步:逐层开挖至基坑底14.1 m深度。

该施工步是模拟基坑开挖至14.1 m深度的工况,此时2道角撑已经施工完成,开挖至基坑底标高,并且在斜抛钢支撑区域预留土台,土体最大位移为44.2 mm。

第五步:第一道斜抛钢支撑,挖除反压土至8.3 m深度。

该施工步是模拟角撑区域已经开挖至基坑底标高后,施工第一道斜抛钢支撑,并挖除第一道斜抛钢支撑下的预留土,土体最大位移为49.86 mm。

第六步:施工第二道斜抛钢支撑,挖除反压土至坑底。

该施工步是模拟施工第二道斜抛钢支撑之后,挖除第二道斜抛钢支撑下的预留土。至此整个基坑大开挖至14.1 m深度,基坑开挖完毕,土体最大位移为74.58 mm。土体最大侧向位移为50.26 mm;最大沉降为21.15 mm,均在斜抛钢支撑的支护桩顶附近。

支护桩最大侧向位移处在斜抛钢支撑的支护桩顶附近,为49.8 mm。地下水渗流最大值为38.10 m/d。

4 计算结果与分析

由于本评估主要是分析基坑开挖对地铁隧道的影响,最后一个施工步开挖至14.1 m时,隧道衬砌的侧向位移最大值为2 mm,竖向沉降为1.7 mm。

5 结论和建议

5.1 结论

(1)拟建项目基坑与地铁隧道最近距离为8.4 m,虽然距离地铁较近,但地铁隧道埋深28.1 m,位于全风化砂岩土层,地铁隧道最大侧移为2 mm(地铁允许变形值为10 mm)。

(2)由于地铁隧道埋深28.1 m,基坑开挖深度为14.1 m,因此地下水变化对地铁影响较小,地铁沉降最大值为1.7 mm(地铁允许变形值为10 mm)。

(3)基坑支护方案满足现行地铁安全变形控制要求。

5.2 建议

(1)本项目基坑重点在于加强地铁隧道的监测,避免因其变形过大,导致管片开裂漏水等问题。

(2)施工过程中应加强监管和控制,严禁超挖。严格控制通道的变形,并保证临近地铁隧道的安全,控制变形在规范允许的范围。按《监控量测标准控制要求》严密监测隧道结构的变形和线路状态,确保运行安全,也为安全性分析和线路的检测维修提供依据。

(3)施工监测应参考本报告的分析结果,对地铁的隧道区间结构进行布点监测,建议对地铁隧道的位移和沉降、地铁隧道周边场地布置底面沉降监测点和水平监测点、轨道面的沉降和变形、线路的平顺性以及线路的三角坑等内容进行监测。