張國亮，韓雪峰，李元海，劉慶方

(1.中鐵南方投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518000;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長沙 410083; 3.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008)

0 引言

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，大型車站樞紐工程及既有線的擴(kuò)充越來越多，由此將產(chǎn)生大量近接既有地鐵車站的施工問題。既有車站結(jié)構(gòu)的存在，使附近土體應(yīng)力重分布，必然對(duì)新車站施工過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力產(chǎn)生影響［1－4］。對(duì)于近接施工的相互影響問題可從2方面考慮:1)新基坑對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。新基坑施工不應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大影響，應(yīng)避免既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平偏移及豎向沉降，必要時(shí)采取措施保護(hù)既有結(jié)構(gòu)。2)既有結(jié)構(gòu)對(duì)新基坑施工過程的影響。新基坑周邊存在既有結(jié)構(gòu)時(shí)，周邊土體的地應(yīng)力重分布，新基坑施工過程中周邊土體位移受限，從而對(duì)新基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形產(chǎn)生影響?？蒲泄ぷ髡吲c工程技術(shù)人員更多地關(guān)注于新結(jié)構(gòu)施工對(duì)鄰近既有結(jié)構(gòu)的影響［5－8］，而既有結(jié)構(gòu)對(duì)新結(jié)構(gòu)施工過程影響的研究相對(duì)較少。本文依托深圳地鐵5號(hào)線前海灣站基坑工程緊鄰1號(hào)線鯉魚門車站工程，采用FLAC3D有限差分軟件，通過計(jì)算分析施工過程中前海灣站新基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鯉魚門車站既有主體結(jié)構(gòu)的變形受力情況，來研究新建地鐵站基坑施工與既有車站結(jié)構(gòu)間相互影響的問題。

1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線前海灣站地處前海—寶安城市次中心，東連福田、羅湖城市中心，北接深圳機(jī)場，交通功能定位為綜合樞紐站，地鐵1號(hào)線、穗莞深城際線均交匯于此，和5號(hào)線形成換乘。前海灣站主要銜接交通方式有城際軌道、地鐵、常規(guī)公交樞紐站與?？空?、出租車站、小汽車車場、自行車場等，并設(shè)置通往香港的軌道交通線和出入境口岸及機(jī)場服務(wù)設(shè)施，是深圳市重要的綜合交通樞紐。前海灣站是深圳地鐵5號(hào)線工程起點(diǎn)站，位于前海片區(qū)(現(xiàn)正進(jìn)行填海施工的待規(guī)劃開發(fā)區(qū))，規(guī)劃晨文路和在建地鐵1號(hào)線鯉魚門站西側(cè)。圖1為前海灣站基坑平面位置圖。

圖1 深圳地鐵5號(hào)線前海灣站與鯉魚門站近接位置圖Fig.1 Relationship between Qianhaiwan Station on Shenzhen Metro Line 5 and Liyumen Station

前海灣站起點(diǎn)里程為CK0+000，終點(diǎn)里程為CK0+ 631，為12 m島式站臺(tái)車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.3 m，線間距11.2 m，有效站臺(tái)中心里程為CK0+398，底板埋深18.00 m，外包總長660.45 m，本站開挖土方約13 m3。前海灣車站基坑開挖前，鯉魚門車站主體結(jié)構(gòu)已澆筑完成，且部分回填。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《前海灣站詳勘階段巖土工程勘察報(bào)告》，前海灣站土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 前海灣站土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of soil stratum of Qianhaiwan Station

2.2 計(jì)算內(nèi)容

大量數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，直接采用給定的巖土力學(xué)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果往往和實(shí)際有較大出入。本文根據(jù)前海灣現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的基坑周邊沉降值、樁體測斜值以及鋼支撐軸力大小，在表1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次二維模型反算，得到適用于本地層的土體力學(xué)參數(shù)，并運(yùn)用反算得來的土體參數(shù)再計(jì)算有無既有地鐵車站結(jié)構(gòu)時(shí)新建車站施工(三維)引起的周邊土體位移，及新開挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化情況。

2.3 模擬方法

2.3.1 土體與初始應(yīng)力

對(duì)于一個(gè)長度不大的區(qū)段，土層厚度變化相對(duì)較小，為簡化數(shù)值建模，均按等厚考慮，具體土層厚度取值參見表1，各土層采用摩爾庫倫材料模型進(jìn)行模擬［9－10］，計(jì)算時(shí)采用水土合算方法，未考慮施工過程中的地下水滲流作用。

2.3.2 車站主體結(jié)構(gòu)模擬

前海灣和鯉魚門站模型建立均依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，由實(shí)體單元模擬，采用彈性模型，彈性模量取為30 GPa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m。

2.3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

車站圍護(hù)樁體包括直徑1 200 mm間距1 350 mm沖孔樁及直徑600mm旋噴止水樁，為更好地模擬樁土之間的相互作用情況，方便在FLAC3D計(jì)算命令流中樁身位移與內(nèi)力的提取，沖孔樁用Pile單元模擬，旋噴止水樁由實(shí)體單元模擬。4道水平鋼支撐及圈梁用Beam單元模擬，如圖2所示?？紤]到鋼支撐的實(shí)際情況，偏于安全地將水平鋼支撐的約束形式均設(shè)定為雙向鉸接，以便準(zhǔn)確地模擬鋼支撐的受力情況。

圖2 前海灣站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of retaining structure of Qianhaiwan Station

2.3.4 鋼支撐預(yù)應(yīng)力

4道鋼支撐預(yù)加應(yīng)力實(shí)際設(shè)計(jì)值分別為300，800，1 200和1 100 kN。FLAC3D中模擬預(yù)應(yīng)力通常是在支撐兩端施加反向力以模擬支撐對(duì)土體的反作用，本文在總結(jié)常規(guī)方法的基礎(chǔ)上提出并采用在FLAC3D中模擬按(力)位移加載方式施加鋼支撐預(yù)應(yīng)力的改進(jìn)方法。該方法充分考慮了預(yù)應(yīng)力鋼支撐的作用機(jī)理。在架設(shè)鋼支撐之前，先對(duì)鋼支撐施加一個(gè)預(yù)壓力(＞設(shè)計(jì)值)壓縮鋼支撐，使其端點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)小位移，從而促使鋼支撐產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力;而后在FLAC3D通過Link單元建立鋼支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有效連接，再撤除施加的預(yù)壓力，使鋼支撐因回彈產(chǎn)生對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的頂推力。這種模擬方法顯然更符合實(shí)際施工情況。

2.3.5 基坑開挖過程

實(shí)際的基坑開挖分4層，主要考慮豎向分層影響，在FLAC3D中開挖模擬流程為:

1)使用model null命令將第1層土體挖除;

2)在開挖范圍內(nèi)用beam單元架設(shè)第1道鋼支撐;

3)Solve命令直至完全平衡;

4)將第2層體挖除;

5)開挖范圍內(nèi)用beam單元架設(shè)鋼支撐;

6)Solve命令直至完全平衡;

以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直至挖除4層土體至基坑底。

2.4 幾何模型

數(shù)值計(jì)算幾何模型如圖3所示，既有鯉魚門站與待挖前海灣站距離8.4 m，距離前海灣站基坑邊緣7 m處為寬度15 m的擋淤堤。幾何模型尺寸為200 m× 49 m×38 m(長×寬×高)，共有節(jié)點(diǎn)17 550個(gè)，單元164 836個(gè)。

圖3 三維數(shù)值幾何模型Fig.3 3D geometric model for numerical analysis

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 既有站結(jié)構(gòu)對(duì)新建地鐵車站施工影響

圖4為無擋淤堤一側(cè)的有、無既有鯉魚門車站結(jié)構(gòu)的圍護(hù)樁體變形對(duì)比圖。由圖4可知:當(dāng)不存在鯉魚門既有車站時(shí)，前海灣站基坑無擋淤堤(即鯉魚門站)方向樁體的最大變形值為21.71 mm，位于地面以下15 m處;當(dāng)存在鯉魚門既有車站結(jié)構(gòu)時(shí)，相同位置處的樁體最大變形值減小約16.34 mm，相比前者減小了24.7%，深度位置不變。由此可見:鯉魚門既有車站結(jié)構(gòu)的存在對(duì)同側(cè)樁體的變形有一定的限制作用，這可以解釋為鯉魚門車站作為剛體結(jié)構(gòu)的存在，阻斷了土體原先的位移傳播路徑，約束了本應(yīng)發(fā)生位移且對(duì)前海灣站圍護(hù)樁體存在作用力的土體，這對(duì)新開挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制顯然有利。

圖4 無擋淤堤側(cè)前海灣基坑樁體變形對(duì)比圖Fig.4 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side without mud barrier

圖5為有、無既有車站有擋淤堤側(cè)樁體變形對(duì)比圖。由圖5可知:當(dāng)存在既有鯉魚門站結(jié)構(gòu)時(shí)，新建前海灣基坑有擋淤堤方向樁體最大變形值為18.59 mm，位于地面以下15 m處;當(dāng)不存在鯉魚門結(jié)構(gòu)時(shí)，前海灣基坑相同位置處的樁體最大變形值為20.47 mm，比前者增大10.1%，依然位于地下15 m處?？梢姡瑢?duì)于存在擋淤堤側(cè)樁體，既有鯉魚門結(jié)構(gòu)的存在反而會(huì)使其變形值增大。這種情況的出現(xiàn)可看作擋淤堤側(cè)樁體變形主要受另一側(cè)樁體變形值的影響，也就是說，既有鯉魚門站結(jié)構(gòu)的存在首先影響其同側(cè)圍護(hù)樁體的變形，進(jìn)而通過鋼支撐的傳導(dǎo)作用影響到另一側(cè)的樁體位移。

圖5 有擋淤堤側(cè)前海灣基坑樁體變形對(duì)比圖Fig.5 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side with mud barrier

圖6為前海灣基坑鋼支撐軸力對(duì)比圖(第1道鋼支撐軸力為負(fù)值，呈受拉現(xiàn)象，這也符合許多工程實(shí)際監(jiān)測情況，數(shù)值在圖中略去)。由圖6可知，不存在既有鯉魚門站時(shí)各道鋼支撐軸力值比存在鯉魚門站時(shí)的軸力有所增大，最大增幅為74kN。從支撐軸力方面分析，既有車站的存在對(duì)新開挖基坑支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響有利。

圖6 前海灣基坑鋼支撐軸力對(duì)比圖Fig.6 Axial force of steel supports of Qianhaiwan Station

3.2 新建地鐵站施工對(duì)既有站結(jié)構(gòu)影響

圖7和圖8為鯉魚門站廳主體結(jié)構(gòu)的水平位移云圖與豎向位移分布圖。分析此2圖可知:由于鯉魚門車站結(jié)構(gòu)的存在，在鯉魚門結(jié)構(gòu)靠近基坑的邊角處，結(jié)構(gòu)自身及土體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，這是由于鯉魚門結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜引起的?；娱_挖時(shí)，土體卸荷，打破原來的力學(xué)平衡，土體進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，基坑底部隆起，從而產(chǎn)生坑周土體位移，從坑周開始，逐次向坑外傳遞，存在位移產(chǎn)生、發(fā)展、傳遞的過程。當(dāng)土體位移傳遞到鯉魚門站結(jié)構(gòu)時(shí)，由于鯉魚門站結(jié)構(gòu)剛度較大，土體位移的連續(xù)傳遞就被阻斷，而其他位置處的位移傳遞仍然在進(jìn)行，最終導(dǎo)致了鯉魚門結(jié)構(gòu)向前海灣基坑反向傾斜，且存在一定隆起現(xiàn)象。

圖7 臨近鯉魚門站廳結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.7 Cloud of horizontal displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

圖8 臨近鯉魚門站廳結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.8 Cloud of vertical displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)深圳地鐵5號(hào)線前海灣站基坑工程與緊鄰1號(hào)線既有鯉魚門車站結(jié)構(gòu)相互影響的計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論:

1)在鄰近既有鯉魚門地鐵站結(jié)構(gòu)開挖前海灣站新基坑時(shí)，既有結(jié)構(gòu)的存在使得土體位移傳播路徑改變，近鯉魚門站側(cè)基坑樁體水平位移減小，遠(yuǎn)側(cè)樁體則增大。

2)在鄰近既有地鐵車站開挖新基坑過程中，新挖基坑的鋼支撐軸力有一定程度的減小，有利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3)由于土體位移傳播路徑被阻擋，新基坑開挖會(huì)使既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，但對(duì)既有車站的安全性影響總體不大。

本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行精細(xì)化建模，分析新建基坑開挖與近接既有地鐵站結(jié)構(gòu)之間的相互影響，得到了若干與現(xiàn)場監(jiān)測相符的結(jié)果。但由于地下工程的復(fù)雜性與多樣性，此類問題還有待進(jìn)一步全面深入的研究。

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