深基坑紧临施工对既有地铁车站结构影响分析

宾胜林

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

轨道交通容量高,方便快捷,对于缓解地面交通拥堵,减轻城市交通压力具有重要意义。随着城市轨道交通项目有序推进,交通线路数逐年增加,地铁、隧道等交叠冲突或紧临施工的情况越来越多,岩土体介质中既有建筑物的安全性受到影响[1],容易导致地下洞室围岩应力重分布,引起临近建筑物的变形、破坏[2]。国内外关于地铁等地下工程交叉、紧临的研究较为丰富,如相关施工力学机理、影响分析及对应措施研究等。然而,由于地下工程的灰色空间特性,任何理论或模型都无法完全适用于特定项目复杂的周边条件[3]。因此,根据具体情况建立适应实际边界条件的分析模型来评价既有建筑物的不利影响,具有较强的针对性和可靠性[4-5]。文章以新建兴华商业街明挖深基坑紧临地铁一号线铁西广场站南侧施工工程为研究案例,采用三维弹塑性模型对新建基坑施工产生的与既有结构之间的交互影响进行全面分析,验证了基坑开挖方案和施工流程的合理性,为科学确定基坑施工、监测方案,保证既有地铁车站结构安全提供依据[6]。

1 工程背景

铁西广场站为岛式站台车站,有效站台宽度12.9m,车站起点里程CK5+960.162,终点里程CK6+137.132,主体结构总长176.97m。标准段的地铁车站结构宽度为22m,结构形式在小里程端为三层双柱三跨,大里程端为三层单柱两跨箱型框架结构。该车站结构的顶板覆盖土层厚度为3.5m,结构底板位置在地面下25.5～26.3m。新建兴华商业街基坑临近地铁一号线,明挖基坑宽40.8m,深约25m,基坑围护桩采用直径1m,间距1.4m的钻孔灌注桩,新建基坑与地铁车站紧临的夹层空间采用直径1.2m,间距1.5m的钻孔灌注桩,围护桩嵌固进入基坑底部的深度为8m。该基坑共设置1道混凝土支撑、3道钢支撑及1道换撑。该基坑与既有地铁一号线T字形施作,基坑围护距离地铁一号线围护3.1m。其平纵关系如图1所示。

图1 临近地铁车站一侧基坑平面图

2 数值模型及边界条件

2.1 三维数值模型构建

根据圣维南原理,考虑到减小模型边界影响和建模计算经济性,分析结构的土体介质计算模型尺寸为81m×92m×37m。既有地铁一号线铁西广场站主体及围护结构、新建兴华商业街基坑围护及临时结构分别建立结构三维模型,并按照实际空间位置布设于土体模型中。基坑周边的围护桩支护,既有车站主体结构底、顶及中隔板,临时支护体系及边墙等均采用弹性模型,板单元;既有车站主体结构柱及上、下翻梁等均采用弹性模型,梁单元。结构周边包围的岩、土体均采用弹塑性材料,三维实体单元,屈服准则采用摩尔-库伦准则。模型约束条件为:底部边界建立竖向位移约束,侧向边界建立水平位移约束。建立模型中的单元数量为43074个。

2.2 施工工序模拟情况

既有地铁一号线铁西广场站结构是首先需要激活的既有结构,先期施工完成。新建兴华商业街基坑施工顺序为:施作围护桩、格构柱及冠梁,进行降水施工→基坑开挖至第一道支撑下0.5m,架设第一道支撑,凿出格构柱,架设横向连系梁→依次分层开挖,架设支撑至基坑底,同时凿出格构柱,架设横向连系梁→施作底板防水、底纵梁、底板及部分侧墙,架设临时支撑,逐层向上拆除临时支撑及横撑,施作主体结构→结构封顶,填土覆盖。土体内部地铁站结构及新建基坑模型见图2。

图2 土体内部地铁站结构及新建基坑模型

2.3 计算模型参数

2.3.1地层参数

根据施工范围内的钻孔报告揭露,地层主要为:③-1-33粉质黏土、③-7-3粗砂及④-9-4圆砾。根据地勘报告数据及地区经验,结合往期数值分析贴合度,拟定土层力学参数,并在试算过程中进行调整,保证计算结构贴合实际情况。各地层计算参数如表1所示。

表1 土层力学参数表

2.3.2结构参数

地铁车站各层板、梁及外侧墙均采用C30防水混凝土,抗渗等级S8;各节点位置主体结构柱均采用C50混凝土;混凝土内钢筋主要采用HPB300及 HRB400;结构预埋钢构件采用Q235B。既有车站基坑围护结构直径0.8m,间距1.2m,钻孔灌注桩。

2.3.3设计荷载

查阅地铁工程相关规范,既有车站各层站台楼板采用的设计活荷载为4kPa;按照不利状况考虑,列车满载等效均布荷载为16.16kPa;结构覆盖层上的车辆超载等效均布荷载为20kPa。

3 计算结果分析

3.1 模型整体变形分析

绘制地铁车站整体竖向位移云图如图3。

图3 既有地铁车站竖向位移

由图3可知,既有地铁车站受商业体基坑开挖影响会产生空间位移,既有结构的最大水平位移量为1.99mm,朝向基坑方向,最大沉降量为0.62mm。结构整体变形是多方向的,因此设置监测点时需同时关注竖向位移和横向位移。

3.2 基坑开挖引起既有结构变形分析

通过对计算模型进行初算分析,基坑开挖影响区域为图4中所示区域。考虑模型经济性,仅建立主要影响区域模型,并对主要变形位置进行详细分析。

图4 监测点位置示意图

基坑开挖会导致既有结构发生不同程度的位移,严重影响结构的受力安全。模型计算中,在结构变形敏感位置设置监测点,通过监测点随基坑开挖的位移变化情况,判断基坑开挖对既有车站结构的影响程度。图4中,D轴为靠近基坑一侧,取8轴、9轴、10轴、11轴、12轴立柱底部端点为监测点,绘制竖向位移时程曲线如图5～图8。

图6 B轴各监测点时程曲线

图7 C轴各监测点时程曲线

图8 D轴各监测点时程曲线

根据各监测点时程曲线可知:

(1)临近基坑一侧D轴,随基坑开挖会发生上隆现象,开挖过程中最大上隆量为0.35mm,开挖第三层土体后开始发生沉降,最终位移为上隆0.14mm,发生在D8监测点。

(2)A轴、B轴、C轴时程曲线规律基本一致,均为随基坑开挖既有结构持续产生沉降,最大沉降值为0.52mm,发生在A8监测点。

(3)通过分析各监测点位移,受基坑开挖及围护桩变形影响,既有地铁站结构位移为临近基坑上隆,远离基坑下沉的情况。根据这一特点,需合理布设监测点位置,重点关注D8及A8区域附近监测点,施工过程中可根据计算结果,在不同开挖工序阶段合理加密地表监测,对不同工序对应的变形敏感点进行重点观测,保证既有地铁车站运营安全。

3.3 地铁轨道纵向差异变形分析

地铁轨道变形控制是城市轨道交通中不可忽视的重要内容,合理控制轨道的差异变形,能够保证地铁车辆行驶的平稳性,保障乘客出行安全。

文章通过线状提取计算节点,得到既有地铁车站左线轨道中心线及右线轨道中心线的最终沉降曲线,该曲线能够直观展现轨道的差异变形情况,具体见图9和图10。

图9 左线轨道中心线最终沉降曲线

图10 右线轨道中心线最终沉降曲线

根据轨道中心线最终沉降曲线可知:

(1)地铁一号线铁西广场站差异沉降量相对较大的区域主要集中在车站距离商业体基坑较近位置,即右线轨道中心线差异沉降较大,左线轨道中心线差异沉降较小。

(2)左线沉降曲线呈“上凸形”,重点监测1个拐点即可;右线沉降曲线呈“M形”,3个拐点均需进行重点监测,严格控制轨道差异变形。

4 结论

(1)应用贴合实际工况的数值分析模型,计算并分析紧临工程施工影响,能够在复杂的空间和施工工序条件下获取新建工程紧临施工对既有结构的影响程度及影响范围,准确判断既有结构受力的不利时机和不利位置,为科学制定监控量测方案,保障既有地铁结构运营安全提供依据。

(2)数值计算能够反映施工状态的一般情况及趋势,但无法反映施工过程中遇到的非常规状态,因此需要严格把控施工质量,严格按照设计图纸进行新建商业街基坑施工,每开挖一层即作支护一层,及时施作坑内支撑。除对计算得出的主要变形位置进行监测外,新建基坑本身的变形监测也尤为重要。

(3)铁西广场站所处地层围岩以粗砂和砂砾为主,属强透水层,新建商业街基坑降水应根据水文情况制定专项降水方案并严格执行。降水期间,应加强对既有结构沉降的监测并制定应急预案。