王 浩

(天津市勘察院， 天津 300191)

臨近地鐵站深基坑工程安全評(píng)估分析

王 浩

(天津市勘察院， 天津 300191)

天津松江東南角二期基坑工程，周圍環(huán)境復(fù)雜，緊鄰天津地鐵東南角站，因此在其施工作業(yè)前應(yīng)對(duì)周邊建筑造成的潛在位移影響進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行監(jiān)測。以此為工程背景，結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析等手段，預(yù)測基坑的開挖對(duì)車站的影響程度及可能帶來的危害，從而對(duì)基坑工程的施工方案、設(shè)計(jì)、加固及東南角站的運(yùn)營管理提出指導(dǎo)性的意見，對(duì)危險(xiǎn)部位事先采取防范措施。結(jié)果表明基坑大面積開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)顯著，導(dǎo)致坑外土體產(chǎn)生趨向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下地鐵車站以及隧道產(chǎn)生一定的沉降和水平位移，基坑降水的影響并不十分顯著，一期大基坑開挖對(duì)隧道變形影響顯著，尤其是對(duì)隧道水平位移。建議在大基坑和隧道之間預(yù)設(shè)注漿糾偏措施并加強(qiáng)變形監(jiān)測，保證隧道安全。

基坑監(jiān)測；地鐵站變形；有限元；安全評(píng)估

地鐵站臨近深基坑工程是復(fù)雜的多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，工期長、控制嚴(yán)格、施工困難是普遍特點(diǎn)，這些特點(diǎn)加劇了施工過程中的困難程度[1-3]。由于地鐵站臨近基坑，施工過程中所受到的影響因素多，因此在施工前采用有限元軟件對(duì)地鐵站及臨近深基坑施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠?qū)Ω鞣N工況下影響地鐵車站的因素進(jìn)行判斷分析，評(píng)估當(dāng)前施工方案，以更深入的優(yōu)化各工程的施工設(shè)計(jì)方案[4-7]。

唐鵬軍[8]就基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響進(jìn)行了數(shù)值分析研究。黃龍湘等[9]對(duì)隧道施工引起鄰近建筑物損壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制、雙側(cè)深基坑施工對(duì)緊鄰地鐵隧道變形影響進(jìn)行了分析。高丙麗等[10]對(duì)深基坑地下連續(xù)墻減小鄰近建筑沉降的作用進(jìn)行了研究。周晉[11]基于原有研究人員對(duì)張揚(yáng)路地鐵站基坑施工過程為基礎(chǔ)，分析了靠近既有地鐵結(jié)構(gòu)的基坑施工對(duì)該既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響，采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，從源頭變形、既有車站和新建車站的間距、土體彈性模量三個(gè)方面入手，分析了新建地鐵站基坑施工對(duì)臨近既有車站變形的影響。李偉強(qiáng)等[12]通過建立有限元數(shù)值模型，分析了臨近新建地鐵站基坑施工對(duì)既有地鐵車站的影響。郭磊[13]為了研究位于某基坑底下的地鐵區(qū)間隧道受上部基坑開挖的影響進(jìn)行模擬計(jì)算分析，結(jié)果表明上部基坑施工導(dǎo)致基坑底部土體隆起以及地鐵區(qū)間隧道上升，沿隧道軸線方向基坑中部對(duì)應(yīng)區(qū)域的上升量最大，向兩端依次減小。胡宏斌[14]借鑒深圳某地鐵車站基坑工程的施工過程，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，研究了該地鐵車站基坑工程的施工對(duì)既有地鐵車站變形的影響情況。

本文以天津松江東南角二期基坑工程為背景，應(yīng)用有限元軟件PLAXIS 3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析等手段，預(yù)測基坑的開挖對(duì)車站的影響程度及可能帶來的危害，從而對(duì)基坑工程的施工方案、設(shè)計(jì)、加固及東南角站的運(yùn)營管理提出指導(dǎo)性的意見，對(duì)相對(duì)危險(xiǎn)部位提前采取防范措施。

1 工程概況

東南角B地塊項(xiàng)目位于天津市南開區(qū)通南路南、張自忠路西之交匯處(見圖1)，緊鄰地鐵2號(hào)線東南角站C出口。本工程擬建為：1棟27層(局部22層)寫字樓、1棟18層寫字樓及5層裙房，通體地下車庫(埋深約13 m)。規(guī)劃總用地面積13 203.6 m2；總建筑面積84 000 m2，其中地上總建筑面積60 000 m2，地下總建筑面積24 000 m2。結(jié)構(gòu)擬采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)類型擬采用樁基礎(chǔ)?；娱_挖深度為10.34 m～16.45 m?；颖眰?cè)：距規(guī)劃用地界線最近處約0.1 m，界線外為既有通南路。通南路下埋深約16 m～20 m處為正在運(yùn)營的地鐵二號(hào)線，地鐵埋深由西向東逐漸加深，其中右行線距基坑最近處約9 m(位于基坑?xùn)|北角)，其埋深約為20 m。本文對(duì)此基坑工程可能出現(xiàn)的位移影響結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，預(yù)測其對(duì)地鐵車站影響程度，并綜合計(jì)算分析成果對(duì)監(jiān)測工作進(jìn)行歸納總結(jié)，為基坑的現(xiàn)場施工及監(jiān)測工作提供重要的參考資料。

2 安全性評(píng)估

本基坑開挖深度約15.50 m～16.55 m，場區(qū)周邊條件十分緊張，為保護(hù)周邊環(huán)境的安全，采取設(shè)置三道水平內(nèi)支撐系統(tǒng)的方式(見圖2)，水平支撐中心標(biāo)高分別設(shè)置在-2.300 m、-7.700 m、-12.700 m。

2.1 評(píng)估內(nèi)容

(1) 建立基坑支護(hù)體系和地鐵車站三維模型，通過有限元數(shù)值分析模擬地塊基坑開挖對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)隧道變形影響進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(2) 評(píng)價(jià)地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)擬建高層建筑對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響；

(3) 通過以上各項(xiàng)研究進(jìn)行綜合分析，給出地塊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工方案對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)和運(yùn)營的安全影響評(píng)價(jià)，提出保護(hù)改進(jìn)建議。

圖1 工程位置平面圖

圖2 第一、二層支撐示意圖

2.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

既有地鐵安全運(yùn)營的控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的確定應(yīng)考慮區(qū)間隧道構(gòu)造安全、建筑邊限、軌道形變?nèi)齻€(gè)影響因素，且主要控制指標(biāo)通常采用變形控制指標(biāo)。

根據(jù)天津市東南角站現(xiàn)狀及周邊設(shè)施情況，參照國內(nèi)相似工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算分析，確定本工程變形控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 車站主體及附屬結(jié)構(gòu)破壞以裂縫控制為標(biāo)準(zhǔn)，地鐵結(jié)構(gòu)新開裂縫寬度<0.2 mm；

(2) 周邊地塊施工期間地鐵車站控制指標(biāo)見表1。

表1 周邊地塊施工期間地鐵車站控制指標(biāo)

需要注意的是，監(jiān)測期間如遇異常情況，若日變化量較大時(shí)，需適當(dāng)增加監(jiān)測頻率，直至變化穩(wěn)定為止。

2.3 監(jiān)測報(bào)警值

結(jié)合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[15](GB 50911-2013)及設(shè)計(jì)單位相關(guān)要求，本基坑監(jiān)測報(bào)警值見表2。

表2 監(jiān)測報(bào)警值

在監(jiān)測過程中，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報(bào)警值時(shí)，及時(shí)通知相關(guān)部門，并采取相應(yīng)的預(yù)警措施。

2.4 有限元模型結(jié)果及分析

2.4.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用有限元軟件PLAXIS 3D建立整體三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。X軸沿地鐵站軸向方向，Y軸沿垂直地鐵站軸向方向，Z軸沿豎直方向，考慮消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向、Y軸方向、Z軸方向依次選取400 m、240 m、60 m。模型計(jì)算采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元，共劃分338 018個(gè)單元，511 233個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中具體幾何關(guān)系和空間位置等來自相關(guān)圖紙信息，在此不再贅述。計(jì)算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系見圖3和圖4，東南角站整體示意圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5和圖6。

圖3 計(jì)算模型示意圖(整體)

圖4 計(jì)算模型示意圖(結(jié)構(gòu))

圖5 東南角站圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)、 附屬結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)管片模型圖

圖6 東南角站內(nèi)部柱結(jié)構(gòu)圖

模型假定：

應(yīng)用有限元軟件PLAXIS 3D是以模型簡化和一定的假定為基礎(chǔ)的，假設(shè)如下：

(1) 假設(shè)土體各個(gè)土層全部為水平層狀分布且同一個(gè)土層為勻質(zhì)、各向同性，結(jié)構(gòu)體的受力、變形均按彈性考慮；

(2) 分析計(jì)算采用考慮坑內(nèi)降水的塑性不排水計(jì)算類型計(jì)算，模型中的降水只考慮坑內(nèi)疏干降水。模擬方式為設(shè)定坑外水頭一直穩(wěn)定不變，基坑開挖施工前將基坑內(nèi)部水位全部下降到開挖面底部0.5 m，并對(duì)開挖面至地連墻底部之間的坑內(nèi)土體水頭進(jìn)行線性差值計(jì)算，以此來模擬坑內(nèi)疏干降水對(duì)水頭變化的影響。

(3) 因考慮到基坑開挖是一個(gè)相對(duì)短期的過程，并未充分考慮固結(jié)和地下水滲流。那么，本模型的邊界條件?。耗Ｐ晚斆鏋樽杂擅?，模型底面全固定，模型四個(gè)側(cè)面只設(shè)定法向約束，其余方向不加任何約束。

該計(jì)算中土體本構(gòu)模型采用HS-Small模型，分析計(jì)算基坑施工過程對(duì)天津地鐵三號(hào)線地鐵車站結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力的影響。模擬中土體相關(guān)參數(shù)取自工程地質(zhì)勘查報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值，見表3。

表3 模型計(jì)算土體參數(shù)(HS-Small本構(gòu))

表4為地下連續(xù)墻、隧道襯砌、結(jié)構(gòu)樓板、結(jié)構(gòu)柱和水平支撐等結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)匯總。假定上述結(jié)構(gòu)均按照彈性考慮。區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)的模擬應(yīng)用均質(zhì)圓環(huán)的板單元，區(qū)間管片之間應(yīng)該考慮相互作用，沿區(qū)間的軸向及徑向分別采用剛度折減。該數(shù)值模型中，用板單元模擬車站樓板、隧道襯砌、水平支撐和地下連續(xù)墻；用梁單元模擬格構(gòu)柱及結(jié)構(gòu)柱。所有混凝土結(jié)構(gòu)的重度全部選取25 kN/m3，表中不再贅述。

表4 模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)

為了使基坑施工對(duì)天津二號(hào)線地鐵車站的影響的模擬更加準(zhǔn)確，對(duì)施工過程的模擬應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算法，共設(shè)定33個(gè)計(jì)算步驟。參照模型，共劃分為五大主要部分：

(1) 進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；

(2) 施工原有二號(hào)線車站主體，出入口及區(qū)間隧道，清零位移；

(3) 根據(jù)施工方案，基坑分西側(cè)小基坑及東側(cè)大基坑兩期完成。首先分步施工一期大基坑；

(4) 分步施工二期西側(cè)小基坑；

(5) 在基坑頂板施工完畢后，加超載模擬擬建高層建筑對(duì)地鐵站及隧道影響。

由于采用順做法施工，基坑開挖詳細(xì)步驟為降水—開挖—生成相應(yīng)水平支撐的循環(huán)，開挖完成后，分布生成各層樓板。細(xì)節(jié)在此不再贅述。

2.4.2 基坑周邊土體沉降分析

選取一期大基坑開挖各主要工況進(jìn)行土體沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及對(duì)地鐵站和隧道的影響分析。重點(diǎn)考慮一期大基坑和二期小基坑頂板施作完成、擬建高層施工完畢(即施加超載)等階段的分析。

圖7是一期大基坑各主要工況土體豎向變形云圖。各工況坑外沉降都是靠近基坑各邊的中部較大，沉降最大值也出現(xiàn)在這一區(qū)域，而基坑角處較小。表5為土體沉降值結(jié)果。

根據(jù)表5可以發(fā)現(xiàn)，土體沉降在開挖完成后基本穩(wěn)定，與地鐵盾構(gòu)隧道處由于位置較近，產(chǎn)生了相對(duì)較大的位移13.96 mm。這是由于盾構(gòu)施工擾動(dòng)后，基坑開挖導(dǎo)致周圍土體二次擾動(dòng)，其強(qiáng)度再次弱化導(dǎo)致。

圖7 擬建高層施工完成土體沉降圖表5 土體沉降數(shù)據(jù)

2.4.3 東南角站主體結(jié)構(gòu)位移分析

基坑項(xiàng)目北側(cè)靠近地鐵二號(hào)線東南角站，其附屬結(jié)構(gòu)與基坑地下連續(xù)墻距離為1.5 m。由于針對(duì)地鐵車站變形控制標(biāo)準(zhǔn)較高。由于基坑開挖導(dǎo)致坑底土體隆起，基坑自身及周邊地應(yīng)力重新分布，必然導(dǎo)致地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的升降與水平位移。選取一期大基坑開挖的五個(gè)主要階段以及二期小基坑施工完成和擬建高層施工完成等階段進(jìn)行分析。圖8為地鐵車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移云圖。豎向位移最大值發(fā)生在靠近開挖的基坑一側(cè)(見表6)。

圖8 擬建高層施工完成主體結(jié)構(gòu)沉降

圖9是地鐵站主體結(jié)構(gòu)Y向位移(即垂直車站長邊方向)?？梢钥闯?，更靠近車站的小基坑開挖對(duì)其水平位移影響較大。主體結(jié)構(gòu)水平位移最大值(最終)位于靠近基坑一側(cè)頂板附近(見表7)。

表6 主體結(jié)構(gòu)沉降值

圖9 擬建高層施工完成主體結(jié)構(gòu)Y向位移表7 主體結(jié)構(gòu)水平位移值

2.4.4 東南角站隧道管片位移分析

圖10是各施工步的隧道管片沉降云圖?？拷右粋?cè)隧道沉降更大。由最終步的隧道管片沉降可以看出，沉降最大值出現(xiàn)在隧道離基坑邊緣最近的部位，即基坑?xùn)|北角外9 m距離處(見表8)。

圖11是各施工步隧道管片Y向位移云圖。其分別規(guī)律類似隧道管片沉降。沉降最大值出現(xiàn)在隧道離基坑邊緣最近的部位，即基坑?xùn)|北角外9 m距離處，并且，水平位移量較大(見表9)。

2.4.5 區(qū)間隧道與車站的差異沉降

由表10、表11可以看出，差異沉降主要形成在三層、四層開挖，并穩(wěn)定下來。車站各個(gè)結(jié)構(gòu)的變形值主要由水平位移貢獻(xiàn)，主要是由于地鐵運(yùn)行時(shí)間較長，固結(jié)沉降已經(jīng)完成，基坑開挖主要是其產(chǎn)生水平位移。

圖10 擬建高層施工完成隧道管片沉降表8 隧道沉降值

圖11 擬建高層施工完成隧道管片Y向位移

3 結(jié) 論

本文以松江東南角基坑工程為例，介紹了基坑開挖過程對(duì)既有地鐵站的變形計(jì)算方法和安全評(píng)估，通過對(duì)基坑的周圍土體變形、地鐵車站主體及附屬結(jié)構(gòu)變形結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

表9 隧道水平位移值

表10 隧道與車站連接處變形縫差異沉降值

表11 施工完成后變形指標(biāo)匯總

(1) 基坑大面積開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)顯著，導(dǎo)致坑外土體產(chǎn)生趨向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下地鐵車站以及隧道產(chǎn)生一定的沉降和水平位移。

(2) 有限元計(jì)算結(jié)果分析表明，二號(hào)線地鐵車站和隧道在基坑開挖過程中產(chǎn)生了一定的沉降和水平位移，但各項(xiàng)變形指標(biāo)數(shù)值均處在變形控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，符合相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 松江東南角二期小基坑相比一期大基坑更靠近地鐵站及其附屬結(jié)構(gòu)，因此其開挖對(duì)地鐵車站主體及附屬結(jié)構(gòu)變形影響相對(duì)于一期大基坑開挖的影響稍大，應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)變形監(jiān)測工作。

(4) 考慮土體小應(yīng)變影響的三維數(shù)值分析能夠更準(zhǔn)確地反映基坑施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)體變形、內(nèi)力的影響，其計(jì)算結(jié)果能夠與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)更好的吻合。由于土質(zhì)條件的變化、土參數(shù)的空間變異、實(shí)際施工過程與數(shù)值模擬的差異等原因，應(yīng)最終以信息化施工、適時(shí)修正為指導(dǎo)施工的原則。

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Analysis and Safety Assessment of a Deep Foundation Pit Adjacent to the Subway Station

WANG Hao

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

Phase II foundation pit of Tianjin Songjiang is adjacent to the southeast corner of subway station with the complicated surroundings, so its potential displacement impact of the surrounding buildings should be evaluated before the construction work. This paper combined forecast the influence degree of the foundation pit excavation on the station and possible damage through the numerical calculation and analysis to guide the construction scheme, the design and the reinforcement and the southeastern corner station operation management. Results show that large area excavation unloading effect is significant which resulting in soil pit outside the pit mobile trend, however, the precipitation of foundation pit is not significant in displacements, the influence of the phase I has obvious effects on the horizontal displacement of the tunnel. Finally suggestions such as deformation monitoring should be taken to ensure the safety of the tunnel.

foundation pit monitoring; deformation of the subway station; finite element; safety assessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.036

2016-12-10

2017-02-03

王 浩(1988—)，男，天津市人，助理工程師，主要從事測量方面的工作。 E-mail：535568684@qq.com

TU473

A

1672—1144(2017)02—0188—06