曠慶華

(長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,長沙　410000)

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同深基坑開挖引起緊鄰地鐵車站變形特性研究

曠慶華

(長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,長沙410000)

摘要：緊鄰已建成地鐵車站單側(cè)基坑開挖卸載會引起車站結(jié)構(gòu)不均勻變形,但目前對其變形機(jī)制還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。結(jié)合長沙地區(qū)某地鐵車站工程實(shí)例,基于數(shù)值方法對同深基坑開挖引起的緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)變形發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行分析,并討論有效控制車站結(jié)構(gòu)變形的主要施工措施。研究結(jié)果表明,隨著開挖深度的增加,地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形逐漸增大,且增長的幅度逐漸減??；地鐵車站主體結(jié)構(gòu)整體剛度較大,對由基坑開挖引起的土體變形傳遞具有遮攔作用。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

1概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市地面交通壓力的日益加劇，地鐵建設(shè)成為地下空間開發(fā)利用的重要手段[1-3]。然而，由于城市土地資源的愈發(fā)緊張，越來越多的基坑工程緊鄰已建成地鐵車站，后建工程的施工必然會對先建工程產(chǎn)生影響[4-8]。基坑開挖使周邊土體的地應(yīng)力進(jìn)行重新分布，從而引起已建成地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力和變形?；邮┕み^程中必須采取嚴(yán)格的工程及監(jiān)測措施，否則可能影響已建地鐵車站的正常使用和安全[9]。

近年來，許多學(xué)者對此問題進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。李志高等[10]通過有限差分法數(shù)值模擬，得到了鄰近大剛度地鐵車站的基坑開挖位移場的位移傳遞規(guī)律。高盟等[11]建立三維數(shù)值分析模型模擬基坑開挖過程，并對各種施工方式及施工參數(shù)的影響進(jìn)行了對比分析。曾遠(yuǎn)等[12]結(jié)合具體工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬分析了基坑開挖時(shí)各影響因素對已建地鐵車站變形的影響。然而，已有研究針對的工程一般具有基坑較淺、地鐵車站周邊局部卸載等特點(diǎn)，而對于緊鄰地鐵車站同深基坑開挖引起的變形特性研究尚少。

本文結(jié)合長沙地區(qū)某地鐵車站工程實(shí)例，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對同深基坑開挖引起的緊鄰已建成地鐵車站變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并討論了有效控制車站結(jié)構(gòu)變形的主要施工措施，得出了一些有益的結(jié)論，可為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2計(jì)算模型的建立

2.1工程概況

長沙軌道交通某地鐵車站為地下3層三跨島式車站，外圍總長為167.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬為23.5 m。車站端頭井基坑深度約35.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約32.8 m，頂板覆土約3～3.7 m。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻。車站主體北側(cè)緊鄰擬建車站設(shè)備區(qū)深基坑，擬建深基坑近既有地鐵車站側(cè)與原車站基坑共用地下連續(xù)墻，遠(yuǎn)側(cè)則采用短地連墻支護(hù)。由于車站設(shè)備區(qū)部分與地下商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目相接，地面高程以下約10.0 m的土體采用先行共同開挖的方式處理。根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，車站位于內(nèi)陸湖相沉積的白堊地層，車站范圍內(nèi)構(gòu)造形跡不甚發(fā)育，巖層層面穩(wěn)定、產(chǎn)狀平緩，巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主。圖1為已建成地鐵車站與擬建深基坑的平面布置示意，圖2為地鐵車站新老工程的剖面相對位置。

圖1　擬建深基坑與已建成地鐵車站平面布置示意

圖2　地鐵車站新老工程剖面相對位置

2.2邊界條件、網(wǎng)格劃分及計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)基坑開挖及支護(hù)的實(shí)際施工過程，采用分析步的方法進(jìn)行分步開挖卸載、分步支護(hù)。第一步：施工地下連續(xù)墻，并進(jìn)行地應(yīng)力平衡；第二步：北側(cè)基坑開挖至-5 m；第三步：基坑繼續(xù)開挖至-10 m；第四步：施作第一道鋼筋混凝土支撐，并開挖至-17 m；第五步：施作第二道鋼支撐，并開挖至-24 m；第六步：施作第三道鋼支撐，并開挖至基坑底。支撐參數(shù)見表1。

為簡化計(jì)算，取車站標(biāo)準(zhǔn)段建立二維模型進(jìn)行分析，有限元網(wǎng)格如圖3所示。地基深度取為100 m，分析區(qū)域的總寬度取為200 m，以消除邊界的影響。在網(wǎng)格的底部，x、y方向的位移均限定為0，分析區(qū)域側(cè)邊界的x向位移限定為0。土體、地下連續(xù)墻采用實(shí)體單元模擬，土體共分6層，本構(gòu)模型采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，各計(jì)算參數(shù)由地質(zhì)詳勘報(bào)告及相關(guān)土工室內(nèi)試驗(yàn)得到，見表2。車站結(jié)構(gòu)墻、板、柱及鋼筋混凝土支撐采用梁單元模擬，本構(gòu)模型采用線彈性材料，彈性模量E取為25 GPa，泊松比取為0.2；以線彈性桿單元模擬鋼支撐，彈性模量E取為200 GPa，泊松比取為0.25。地下結(jié)構(gòu)與土的接觸面采用無厚度接觸單元模擬。

表1　基坑各道支撐參數(shù)

圖3　計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

層號土層h/mγ/(kN/m3)Es/MPacu/kPaφ/(°)①雜填土3.319.58.01512②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1.2184.01310③粉質(zhì)黏土1.419.97.53520④黏土3.019.96.54118⑤強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖4.520.91104526⑥中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖16.623.93208032

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1同深基坑開挖對地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響分析

圖4　不同開挖深度時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形曲線

基坑開挖引起周圍地層移動主要是由于開挖卸載引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生水土壓力差，土體進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向位移，基坑底部土體隆起，從而產(chǎn)生土體位移。圖4給出了不同開挖深度時(shí)地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形隨地層深度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外土面高差不斷增大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形逐漸增加，且增長的幅度逐漸減小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移一般發(fā)生在墻頂，且隨著地層深度的增加，水平變形逐漸減小。已建地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要發(fā)生朝向基坑內(nèi)的位移，而中排短地連墻則發(fā)生背向基坑的位移，這主要是由于基坑工程兩側(cè)土壓力不平衡所導(dǎo)致的。地鐵車站近基坑側(cè)地連墻水平變形稍大于遠(yuǎn)基坑側(cè)地連墻，而中排短地連墻水平變形最小。地鐵車站各位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形隨開挖深度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖可知，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形增長的趨勢逐漸變緩。當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，近基坑側(cè)地連墻頂部向基坑內(nèi)最大水平位移為16.1 mm，遠(yuǎn)基坑側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.3 mm，而中排短地連墻背向基坑最大水平位移僅為4.4 mm。

圖5　圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形隨開挖深度的變化規(guī)律

圖6　不同開挖深度時(shí)地鐵車站結(jié)構(gòu)水平變形曲線

工程的施工質(zhì)量；

(3)嚴(yán)格控制由圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的土體擾動，從而減小由施工造成的土體強(qiáng)度降低和土體側(cè)向變形；

(4)基坑工程施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測，堅(jiān)持信息化施工，及時(shí)準(zhǔn)確地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

5結(jié)語

基于ABAQUS有限元軟件，建立模擬基坑施工過程的二維計(jì)算模型，分析了緊鄰地鐵車站同深基坑開挖的工程實(shí)例，并進(jìn)行了相關(guān)的變形特性及變形控制措施研究。主要結(jié)論如下。

(1)隨著開挖深度的增加，地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形逐漸增大，且增長的幅度逐漸減小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在墻頂，且隨著地層深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形逐漸減小。

(2)地鐵車站結(jié)構(gòu)整體剛度較大，這對由于基坑開挖引起的土體位移傳遞具有一定的遮攔效應(yīng)。近基坑側(cè)與遠(yuǎn)基坑側(cè)由土體開挖引起的車站結(jié)構(gòu)水平位移相差較小。

(3)合理確定土方開挖步序、嚴(yán)格控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的土體擾動、加強(qiáng)基坑工程的質(zhì)量檢測和工程監(jiān)測是控制車站結(jié)構(gòu)變形、降低施工風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

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3.2同深基坑開挖對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)水平變形的影響分析

地鐵車站結(jié)構(gòu)整體剛度較大，這對由于基坑開挖引起的土體變形傳遞具有一定的遮攔效應(yīng)。圖6給出了不同開挖深度時(shí)地鐵車站結(jié)構(gòu)水平變形隨地層深度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，車站結(jié)構(gòu)水平變形逐漸增大，且近基坑側(cè)與遠(yuǎn)基坑側(cè)結(jié)構(gòu)的水平位移相差較小。車站結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部，約為13.3 mm，且隨著深度的增加，車站結(jié)構(gòu)水平變形逐漸減小。

4施工風(fēng)險(xiǎn)及變形控制措施

地鐵車站設(shè)備區(qū)深基坑施工對鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的影響風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的施工管理，并制定詳盡的應(yīng)急預(yù)案。同深基坑開挖緊鄰已建成地鐵車站，對既有結(jié)構(gòu)的變形影響是不可避免的，但這種影響的大小與基坑開挖空間大小、開挖施工組織、基坑周邊堆載、基坑降水及止水措施效果等眾多因素密切相關(guān)，因此需要合理確定設(shè)計(jì)工況及施工方案。

結(jié)合本文工程實(shí)例，可采取以下變形控制措施有效降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)：

(1)嚴(yán)格控制施工工藝，明確土方開挖步序及各道支撐成形時(shí)間要求，有效利用時(shí)空效應(yīng)的規(guī)律，并盡可能縮短圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間；

(2)加強(qiáng)基坑工程的質(zhì)量檢測，嚴(yán)格控制各單項(xiàng)

Study on Characteristics of Subway Station Deformation Induced by Excavation of Adjacent Deep Foundation PitKUANG Qing-hua

(Changsha Metro Group Co., Ltd., Changsha 410000, China)

Abstract：Excavation of foundation pit on one side and removal of load may cause differential deformation of the underground structure of adjacent subway station, and its mechanism has not been systematically understood. With reference to the engineering of a subway station in Changsha, numerical method is employed to analyze the variations of subway station structure deformation induced by excavation of adjacent deep foundation pit, and counter measures are discussed to control the deformation of subway station structure. The results show that with the increase of excavation depth, the horizontal deformation of retaining structure gradually increases, while the amplitude of deformation decreases; and the large integral rigidity of the subway station main structure functions to retain the displacement transfer of soil induced by excavation of foundation pit.

Key words：Subway station; Deep foundation pit; Retaining structure; Numerical simulation

中圖分類號：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.029

文章編號：1004-2954(2015)05-0130-03

作者簡介：曠慶華(1970—)，男，高級工程師，E-mail：625868837@qq.com。

收稿日期：2014-10-30； 修回日期：2014-12-01