吳才德 曾 婕 成怡沖 沈俊杰 龔迪快

(浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司,315012,寧波∥第一作者，教授級高級工程師)

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緊鄰地鐵車站的深基坑位移控制措施效果分析

吳才德 曾 婕 成怡沖 沈俊杰 龔迪快

(浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司,315012,寧波∥第一作者，教授級高級工程師)

針對深基坑開挖時鄰近地鐵車站的保護(hù)問題,結(jié)合毗鄰在建的寧波軌道交通2號線外灘大橋站綠地中心深基坑工程項目,通過Midas/GTS有限元軟件對4種措施下鄰近地鐵車站位移控制的效果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果顯示,增加圍護(hù)墻剛度和采取坑內(nèi)土體加固措施能有效減小基坑開挖導(dǎo)致的車站位移,增加支撐道數(shù)對車站位移控制同樣有利,而增加圍護(hù)墻嵌入深度的位移控制效果有限。

深基坑; 位移控制措施; 地鐵車站; 數(shù)值模擬

Author′s address Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research & Design,315012,Ningbo,China

地鐵車站附近區(qū)域因人流量大、交通便利等優(yōu)勢而成為商業(yè)和辦公的理想地段。為最大限度地開發(fā)和利用這一有限區(qū)域,地鐵車站附近的建筑往往采用多層地下室方案,這就產(chǎn)生了深基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響問題。軌道交通系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的生命線,對于緊鄰地鐵車站的深基坑工程,必須采取有效的位移控制措施以保證地鐵車站的正常運營和結(jié)構(gòu)安全。

文獻(xiàn)[1]借助有限元手段,從車站間距、源頭變形和土體彈性模量3個方面入手,分析了它們對地鐵車站變形的影響,并認(rèn)為提高被動區(qū)土體強(qiáng)度是減少基坑開挖對周邊影響的可行措施。文獻(xiàn)[2]分析了基坑與車站間距、基坑開挖深度等對地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及振動響應(yīng)特性的影響。在緊鄰地鐵車站深基坑的位移控制措施研究方面,文獻(xiàn)[3]提出了一些對運營地鐵車站的保護(hù)措施,并借助數(shù)值分析手段證實它們的有效性;文獻(xiàn)[4]結(jié)合具體工程,從設(shè)計和施工角度對采取的施工控制措施進(jìn)行了分析,并基于實測結(jié)果就其有效性作了驗證。文獻(xiàn)[5]結(jié)合實際工程進(jìn)一步對坑底土體加固深度與寬度的影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]則借助有限元手段探討了優(yōu)化基坑開挖工法減少車站變形的問題。文獻(xiàn)[7]討論了鄰近既有地鐵線基坑工程的自適應(yīng)支撐系統(tǒng)變形控制技術(shù)?？傮w來看,目前相關(guān)研究還多是定性分析施工控制措施的效果,并沒有對控制措施本身作定量分析,也鮮有不同施工措施效果的對比研究。

本文結(jié)合寧波綠地中心項目,采用三維有限元軟件MIDAS/GTS,從設(shè)計角度就減小基坑施工對隧道影響的控制措施展開研究,具體分析增加擋墻剛度和深度、增加支撐道數(shù)、加固坑內(nèi)土體等措施對鄰近地鐵車站位移控制效果的影響。

1 工程概況

寧波綠地中心項目位于寧波市大慶南路以東、驚駕路以南、人民路以西。與工程場地毗鄰的有長約100 m的已建大慶南路軌道交通2號線區(qū)間隧道和長約80 m的在建軌道交通2號線外灘大橋站。擬建建筑主要由5幢17～51層辦公樓及公寓樓組成,整體設(shè)置3層地下室,層高分別為7.55、3.65、3.90 m。本工程共由4個地塊組成,劃分為10個子基坑施工,總平面圖見圖1。

本文主要分析1#地塊基坑的開挖對鄰近車站的影響。1#地塊基坑面積約3 100 m2,周長約225 m,開挖深度h約16～18 m。場地西側(cè)軌道交通2號線外灘大橋站距離本工程地下室最近約23.5 m,車站為地下二層結(jié)構(gòu),車站頂埋深約2.7 m,底埋深約17.6 m,底板厚度1 000 mm,車站采用明挖法施工,周邊設(shè)置800 mm厚地下連續(xù)墻,地墻埋深約為40 m,車站的主體結(jié)構(gòu)已施工完成?；优c車站相互位置見圖2。

圖1 寧波綠地中心項目總平面圖

圖2 基坑與地鐵車站位置關(guān)系

2 有限元建模

為選擇有效措施減小基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響,本文構(gòu)建了基坑-軟土-車站有限元模型，如圖3和圖4所示。根據(jù)該項目地質(zhì)勘查報告,基坑坑底位于2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層;而8-1層粉砂層物理力學(xué)性能較好,作為支護(hù)結(jié)構(gòu)持力層。結(jié)合本項目基坑周邊的環(huán)境情況,確定了三維模型尺寸，東西向長度為280 m,南北向長度為270 m,高度為80 m。模型中以平均層厚作為每層土的厚度,土體采用硬化土模型,具體參數(shù)列于表1。支護(hù)結(jié)構(gòu)及車站結(jié)構(gòu)材料采用線彈性模型模擬,相關(guān)參數(shù)見表2。此外,計算過程中的主要荷載包括自重、基坑外地表半無限荷載15 kN/m2;模型約束了底部的豎向位移和各側(cè)面的法向位移,分析步按常規(guī)施工順序設(shè)置。

圖4 基坑和車站的三維有限元模型

3 控制措施研究

為了保護(hù)鄰近車站和基坑本身的安全,該基坑在設(shè)計過程中考慮了增加圍護(hù)墻剛度、增加圍護(hù)墻嵌固深度、增加支撐道數(shù)以及坑內(nèi)土體加固等措施。在模擬計算中,首先假設(shè)不考慮對車站進(jìn)行保護(hù),建立無任何變形控制措施的常規(guī)基坑模型。該模型采用地連墻結(jié)合3道鋼筋混凝土支撐的形式,地連墻厚為800 mm,墻深30 m,并不考慮坑內(nèi)土體加固措施。以該計算模型為基準(zhǔn)模型,然后分別考慮上述4種變形控制措施,將考慮了控制變形措施的計算模型與基準(zhǔn)模型的有限元計算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

表1 土層參數(shù)

表2 車站及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 圍護(hù)墻剛度對車站位移的影響

圖5為不同墻厚時車站水平位移的變化情況,其中墻厚2 400 mm是T型墻按剛度等效原則換算得到的墻厚。從圖中可知,隨著地連墻剛度的增加,車站位移逐漸減小。地連墻墻厚從800 mm增加到1 000 mm,車站水平位移減少了13.3%,故增加地連墻的剛度對減小車站位移十分有效;另外,采用T型墻對車站水平位移最為有利,但相比于普通地連墻,其用料更多且施工難度加大,所以應(yīng)權(quán)衡利弊后選擇使用。

3.2 圍護(hù)墻深度對車站位移的影響

圖6反映了采用不同深度地連墻時,車站水平位移的變化情況。由圖6可知,隨著地連墻墻深的增加,車站位移略有減小,地連墻墻深從30 m增加到46 m,車站位移減少了3.3%。總的來看,增加圍護(hù)墻嵌入深度并不是十分有效的位移控制措施。尤其需要指出的是,當(dāng)?shù)剡B墻墻深達(dá)到38 m后,繼續(xù)增加墻深對車站位移幾乎沒有影響?？梢?工程實際墻深應(yīng)控制在某一有效深度以內(nèi),以免造成不必要的浪費。

圖6 車站水平位移隨墻深變化曲線

3.3 支撐道數(shù)對車站位移的影響

圖7比較了設(shè)3道支撐和4道支撐情況下的車站位移。從圖7中可知,采用4道支撐得到的車站最大水平位移為5.5 mm,比設(shè)3道支撐時減少了8.3%。因此通過增加支撐道數(shù)的形式來減少基坑支護(hù)和周邊土體位移是有效的。

圖7 車站位移最大值隨工況變化曲線

3.4 坑內(nèi)土體加固對車站位移的影響

圖8為坑內(nèi)未設(shè)置加固土體和坑內(nèi)加固土體的置換率分別為0.2、0.4、0.6和0.8時,車站水平位移變化情況。從圖8中可知,車站變形隨著置換率的增加而減小,將置換率為0.6與無坑內(nèi)土體加固情況比較,車站水平位移減少了15%。上述結(jié)果表明，坑內(nèi)設(shè)置加固土體對控制鄰近車站的位移十分有效。

4 計算與實測對比

基于上述研究并充分考慮措施的經(jīng)濟(jì)性和寧波地區(qū)深基坑工程經(jīng)驗,本工程實際采用的地下連續(xù)墻墻厚為1 000 mm,墻深為46 m(插入比為1.8);支撐為4道,各道支撐截面見表2,支撐底相對標(biāo)高分別為-2.45、-6.70、-10.40、-14.00 m,支撐水平間距為5～10 m;土體加固范圍為基坑鄰近車站一側(cè)的第1道支撐底到基坑坑底以下6 m,置換率為0.6。

圖8 車站位移隨加固土體置換率變化曲線

表3是按工程實際采用各項措施在控制車站位移上的貢獻(xiàn)率對比,反映了各措施在控制車站位移上的效果。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)對每個基坑施工工況進(jìn)行參數(shù)反演,不同工況下地連墻水平位移以及坑外地表沉降的計算值和實測值對比分別見圖9和圖10。

圖9 不同工況下墻身水平位移對比

由圖9可知,隨著基坑開挖深度的增加,地連墻的水平變形不斷增大,樁體水平位移最大值位置逐漸下移,直至開挖完成后趨于穩(wěn)定,最大墻身水平位移發(fā)生在坑底位置。

圖10顯示,隨著開挖深度的不斷增加,地表沉降也逐漸增大,形成近似拋物線形的沉降槽,而且最大地表沉降點在距離基坑邊約0.6倍基坑開挖深度處;由于地鐵車站的阻隔作用,地表沉降在接近車站時迅速減小,而當(dāng)穿越車站后又有所增大。通過有限元計算和實測得到的位移曲線變化趨勢基本一致，且數(shù)值接近,證明本文參數(shù)選取及有限元模擬是合理的。

圖10 不同工況下坑外沉降對比

受基坑開挖的影響,車站的位移主要表現(xiàn)為水平位移。圖11是不同工況下車站水平位移的計算值和實測值,車站的水平位移隨基坑開挖深度增加而增加,到施工底板階段趨于穩(wěn)定。計算所得車站水平位移最大值約為3.8 mm,比不采用控制措施情況下的水平位移減小37%,而實測得到數(shù)據(jù)比計算值更小,僅為2.3 mm。可見,通過合理運用以上控制措施,車站水平變形控制在5 mm以內(nèi),保護(hù)效果良好。

圖11 不同工況下車站水平位移對比

5 結(jié)語

本文依托緊鄰地鐵車站的寧波綠地中心基坑工程項目,對項目基坑及鄰近地鐵車站進(jìn)行三維有限元建模,模擬分析了深基坑開挖時不同位移控制措施對鄰近地鐵車站的保護(hù)效果,進(jìn)而確定基坑圍護(hù)有限元模擬方案,并通過模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比,驗證有限元模擬及措施運用的合理性。結(jié)果顯示:

(1) 車站水平位移隨坑內(nèi)土體置換率和圍護(hù)墻厚的增加近似呈線性減小,坑內(nèi)土體加固和增加地連墻剛度這兩種措施的位移控制效果最為明顯;

(2) 增加支撐道數(shù)同樣有利于減小車站變形,但就本文工程效果有限;

(3) 增加圍護(hù)墻深度的效果不顯著,實際設(shè)計中還應(yīng)考慮最優(yōu)的嵌入深度;

(4) 鄰近基坑開挖導(dǎo)致的車站變形以水平位移為主,位移量隨開挖深度的增加而增加,并在施工底板階段趨于穩(wěn)定；

(5) 基坑工程設(shè)計中應(yīng)對位移控制措施的效果、經(jīng)濟(jì)性以及施工難度等作綜合分析,以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的目的。

[1] 曾遠(yuǎn),李志高,王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2005,1(4):642-645.

[2] 郭典塔,周翠英.基坑開挖對近接地鐵車站的影響規(guī)律研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1):156-162.

[3] 朱建明.深基坑施工對鄰近運營地鐵車站影響的數(shù)值分析[J].建筑施工,2010,32(4):299-301.

[4] 袁運濤,李蘇春.臨近地鐵車站深基坑開挖綜合控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2013,9(4):846-847.

[5] 王印.深基坑開挖對緊鄰地鐵車站影響的位移分析及施工保護(hù)措施研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[6] 丁習(xí)富,師海,孟小偉.深基坑開挖與緊鄰在建地鐵車站影響優(yōu)化分析[J].地下空間與工程學(xué)報,2014,10(增2):1817-1822.

[7] 朱衛(wèi)東.鄰近既有地鐵基坑工程的自適應(yīng)支撐系統(tǒng)變形控制技術(shù)[J].城市軌道交通研究,2015(4):90-94.

Effect Analysis of Displacement Control Measures for Deep Foundation Pit Adjacent to Subway Station

WU Caide, ZENG Jie, CHENG Yichong, SHEN Junjie, GONG Dikuai

Combined with the case of Waitan Da Qiao Station close to the foundation pit of Ningbo Lvdi Centre project, the protection of subway station adjacent to deep excavation is discussed. With the aid of finite element analysis software Midas/GTS, the effects of 4 different measures on the displacement control are compared. The results show that the station displacement induced by excavation can effectively be reduced by increasing the stiffness of the retaining wall and reinforcing the soils in the pit, the increase of the support number is also beneficial to the displacement control of the station. However, the effect of increasing the embedded depth of the retaining wall is rather limited.

deep foundation pit; displacement control measures; subway station; numerical simulation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.05.026

2015-06-10)