張保存 ,董秀竹 ,鄭 剛

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142； 2.天津大學，天津 300072)

隨著城市軌道交通工程的建設發(fā)展,在既有地鐵線附近進行其他工程施工的情況將越來越多,且距離越來越近。為保證基坑施工期間的安全及既有結(jié)構(gòu)的正常使用,必須對其相互影響進行分析并根據(jù)結(jié)果采取針對性措施。目前,國內(nèi)一些學者對某些城市的地鐵近接工程施工影響進行了一定的研究[1～3],但對天津地區(qū)此類問題的分析尚不多見,以天津西站交通樞紐南廣場基坑工程為依托,研究天津地區(qū)近接基坑施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

天津西站交通樞紐南廣場地下工程位于天津西站主站房的南側(cè),既有地鐵1號線西站站的西側(cè),與西站站毗鄰。南廣場地面為景觀廣場,地下工程大部分為單層結(jié)構(gòu),局部二層、三層。根據(jù)天津市的總體規(guī)劃,在南廣場地下,地鐵1、4、6號線呈H形換乘,其中地鐵1號線為既有線,4、6號線為新建線。6號線西站站位于南廣場地下二層,呈東西走向,建成后與既有1號線結(jié)構(gòu)打通；4號線西站站位于南廣場地下三層,呈南北走向,距1號線結(jié)構(gòu)約150 m。南廣場地下結(jié)構(gòu)建成后將與既有1號線西站站結(jié)構(gòu)打通。

1號線西站站為地下一層結(jié)構(gòu),呈南北走向,2004年建設時為地鐵6號線預留了103 m結(jié)構(gòu),呈東西走向,與1號線呈十字交叉,為地下二層結(jié)構(gòu)。1號線(單層結(jié)構(gòu))的圍護為φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁外加攪拌樁止水帷幕,長度約20 m；6號線(雙層結(jié)構(gòu))的圍護采用800 mm厚地下連續(xù)墻,深度約30 m,墻底處于地層⑥3粉土層,為承壓水含水層。

天津西站交通樞紐南廣場基坑工程變形保護等級為一級,根據(jù)建筑布置特點和結(jié)構(gòu)埋深,設計為三階基坑。一階基坑深9.7 m,主體工程為南廣場地下停車場及公共換乘區(qū)工程,面積約6萬m2,采用明挖法施工,圍護結(jié)構(gòu)為重力壩與地下連續(xù)墻組合；二階基坑主體工程為天津地鐵6號線西站站,呈條形,東西走向,基坑深8.8 m,總深18.5 m,寬21.3 m,采用明挖法施工,圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻；三階基坑主體工程為地鐵4號線西站站,亦為條形,南北走向,基坑深16.5 m,總坑深26.2 m,基坑寬25.3 m,采用蓋挖逆作法施工,圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻。

2 地質(zhì)概況

本工程位于天津市紅橋區(qū),子牙河與南運河之間,原地形為河流沖積平原,局部地勢低洼地段為洼淀,現(xiàn)經(jīng)人工改造,場地地勢較平坦。本場地埋深約80.00 m以上,土層主要為填土層、粉土、粉砂、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土。

天津地區(qū)地下水豐富,根據(jù)天津西站南、北廣場抽水試驗結(jié)果,本場地地下水主要分為潛水層和承壓水層。潛水含水層主要為人工填土層、全新統(tǒng)中組海相層(Q42m)砂性大粉質(zhì)黏土(力學分層號④),以全新統(tǒng)下組陸相沖積層(Q41al)粉質(zhì)黏土(力學分層號⑤)為相對隔水底板,初見水位埋深一般在1.40～2.50 m,靜止水位埋深一般在0.50～3.00 m。

第一層承壓水層力學分層號⑥1、⑥3,頂板分布尚穩(wěn)定,一般位于埋深21.00 m左右,底板埋深有一定起伏,一般介于31.00～33.50 m,厚度一般9.00～11.00 m,根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗觀測結(jié)果,該微承壓水靜止水位高程為0.00 m,以上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層(Q3cal)黏土、粉質(zhì)黏土(力學分層號⑦1)為相對隔水層。

第二層承壓水層力學分層號⑦2,頂板高程在-40 m左右,厚度一般為1.50～4.50 m,該承壓水靜止水位高程為-1.00 m,以⑦3層(粉質(zhì)黏土和黏土)為相對隔水層。

3 南廣場基坑開挖對1號線車站的影響數(shù)值模擬分析

3.1 計算軟件

本文采用Plaxis對南廣場基坑開挖過程進行了二維模擬。

Plaxis是用于巖土工程的變形、穩(wěn)定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。它計算功能強大、運算穩(wěn)定、界面友好,是解決現(xiàn)在與未來復雜巖土工程問題的專業(yè)計算分析工具。

3.2 本構(gòu)模型

本報告所采用的土體本構(gòu)模型為高級雙曲線模型,即硬化土模型(Hardening-Soil Model)。該模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的先進模型[4]。在主偏量加載下,土體的剛度下降,同時產(chǎn)生了不可逆的塑性應變。在一個排水三軸試驗的特殊情況下,觀察到軸向應變與偏差應力之間的關系可以很好地由雙曲線來逼近。這種模型使用的是塑性理論,而不是彈性理論；其次它考慮了土體的剪脹性；再次,它引入了屈服帽蓋。

3.3 計算模型

由南廣場基坑與地鐵1、6號線的相對位置關系圖,本文的相互影響分析主要針對下圖中的斷面1和斷面2。

斷面1截取位置如圖1所示,取基坑與地鐵1號線距離為25.0 m,基坑開挖深度9.7 m,地下連續(xù)墻厚度800 mm,連續(xù)墻深度為18.5 m,施工過程采用反壓土加鋼管撐方案。采取分步計算,結(jié)合實際施工工序,模擬分為5步：步驟1,建模并平衡地應力；步驟2,施作地下連續(xù)墻；步驟3,第一步開挖至坑底,并預留反壓土；步驟4,施作鋼管撐；步驟5,開挖反壓土。

圖1 斷面位置示意

斷面2截取位置如圖1所示,基坑與既有1號線緊鄰,基坑開挖總深度為18.5 m,加深處地下連續(xù)墻厚度為800 mm,連續(xù)墻深度為31.0 m,切斷⑥層承壓水層。施工過程采用反壓土加鋼管撐方案。結(jié)合具體施工工序,計算模擬分為7步：步驟1,建模并平衡地應力；步驟2,施作地連墻；步驟3,開挖至一級基坑坑底,并預留反壓土；步驟4,施作第1道鋼管撐；步驟5,開挖反壓土；步驟6,施作第2道鋼管撐；步驟7,開挖土體至二級基坑底。

3.4 計算結(jié)果與分析

本文對計算結(jié)果中的地層位移、圍護結(jié)構(gòu)變形和1號線既有結(jié)構(gòu)變形進行了提取分析,結(jié)果如下。

3.4.1 斷面1計算結(jié)果分析(圖2～圖7)

圖2 基坑開挖完成后地層水平位移云圖

圖3 基坑開挖完成后地層豎向位移云圖

圖4 地下連續(xù)墻水平位移曲線(max=65.5 mm)

圖5 坑外地表沉降曲線(max=49.7 mm)

圖6 地鐵1號線結(jié)構(gòu)水平位移(max=3.7 mm)

圖7 地鐵1號線結(jié)構(gòu)豎向位移(max=0.8 mm)

在斷面1處,基坑開挖邊界與既有1號線結(jié)構(gòu)相距約25.0 m,由圖2、圖3可以看出,基坑開挖過程中,基坑外側(cè)地表水平位移由近及遠逐漸減小。地下連續(xù)墻最大水平位移為65.5 mm,至地鐵1號線結(jié)構(gòu)處減小至3.7 mm；坑外土體沉降最大值發(fā)生在距地下連續(xù)墻4～8 m處,地表最大沉降值約5 cm,在地鐵1號線結(jié)構(gòu)處最大豎向位移為0.8 mm?？梢?基坑開挖對地鐵1號線的影響主要表現(xiàn)在水平位移,由于土體的開挖卸荷,使地鐵1號線的結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體的水平位移,其中最大的水平位移為3.7 mm,而開挖導致的地鐵1號線的豎向位移很小,可以忽略。

3.4.2 斷面2計算結(jié)果分析(圖8～圖14)

圖8 基坑開挖完成后水平位移云圖

圖9 基坑開挖完成后豎向位移云圖

圖10 地下連續(xù)墻水平位移曲線(max=20.5 mm)

圖11 地鐵6號線結(jié)構(gòu)水平位移(max=14.8 mm)

圖13 地鐵1號線結(jié)構(gòu)水平位移(max=14.6 mm)

圖14 地鐵1號線結(jié)構(gòu)豎向位移(max=0.7 mm)

圖12 地鐵6號線結(jié)構(gòu)豎向位移(max=7.3 mm)

由圖8～圖14可見,同斷面1的計算結(jié)果類似,基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響也是主要表現(xiàn)在整體的水平移動,其最大的水平位移為14.8 mm,而開挖導致的地鐵6號線的豎向位移主要發(fā)生在緊鄰基坑的位置,并隨著與基坑距離的增大而迅速減小。

相比斷面1的計算結(jié)果,斷面2的地鐵1號線部分水平位移明顯大于前者,最大水平位移為14.6 mm,主要的原因在于斷面2 的基坑開挖深度大于斷面1的開挖深度,再者地鐵1號線結(jié)構(gòu)與基坑緊鄰,使得基坑開挖導致的坑外土體的變形明顯大于前者,但由于本文采用的是平面應變分析,故斷面2的計算結(jié)果比實際工程要保守,夸大了地鐵6號線線路局部加深開挖對整個結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

從上面計算結(jié)果可以看出,基坑開挖對既有地鐵1號線存在不利影響,其影響主要表現(xiàn)為水平位移,豎向位移很小,可以忽略。即嚴格按照設計進行施工,可以控制住既有地鐵1號線的變形,進而保證既有地鐵線的結(jié)構(gòu)安全和運營安全。從現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)看,計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果較吻合,進一步說明天津地區(qū)地鐵工程近接施工在措施得當情況下可以保證既有地鐵線的結(jié)構(gòu)安全和運營安全。

[1] 孔慶凱,劉化圖.新建隧道穿越施工對既有雙線地鐵隧道的影響[J].地下空間與工程學報,2010,6(增刊):1448-1451,1460.

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[3] 肖 宇,劉 慶,文 勇.南水北調(diào)工程下穿五棵松車站近接施工數(shù)值模擬[J].中國水運,2008,8(1):160-162

[4] 鄭向紅.北京地鐵深基坑工程對周圍環(huán)境的影響分析[J].鐵道標準設計，2008(12).

[5] 袁 竹，仇文革，龔 倫.小龍坎隧道受下穿區(qū)間隧道近接施工影響研究[J].鐵道標準設計，2009(12)：99-101.

[6] SCHANZ T, VERMEER P A, BONNIER P G. The Hardening Soil Modell-Formulation and Verification[C]∥Prodeedings Plaxis Symposium “Beyond 2000 in Comprtational Geotechnics”, Amsterdam. Rotterdam: Balkema, 1999：281-296.