舒暢

(常州市軌道交通發(fā)展有限公司, 江蘇常州213000)

0 引言

近年來隨著城市軌道交通的大發(fā)展，為了充分發(fā)揮地鐵車站對(duì)周邊物業(yè)的帶動(dòng)作用，方便市民出行，出現(xiàn)了越來越多地鐵車站與周邊物業(yè)間的連接通道[1-2]。目前工程界關(guān)于深基坑開挖對(duì)已建地鐵的影響已有較多研究案例。曾祥會(huì)[3]采用數(shù)值模擬方法，研究天津某購物中心基坑開挖對(duì)既有地鐵車站及區(qū)間隧道的變形影響。殷一弘[4]分析了蘇州某項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)中采用的多種技術(shù)措施，并對(duì)地鐵保護(hù)的實(shí)施效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。黃玲等[5]以廣州地鐵某車站連接通道為例，研究連接通道開挖全過程對(duì)既有地鐵車站出入口、風(fēng)井、車站主體結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)的影響。劉一帆[6]通過數(shù)值模擬的方法研究了新建連接通道對(duì)車站主體及相關(guān)附屬設(shè)施的整體影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出近接施工的控制措施。周航生[7]及葉躍鴻[8]利用硬化土模型(HS模型)分別研究了不同地質(zhì)條件下，基坑和地下通道開挖對(duì)已建地鐵隧道的影響。

目前大多數(shù)連接通道都是連接地鐵出入口與周邊物業(yè)，其規(guī)模一般較小，對(duì)地鐵車站的整體影響有限，但對(duì)相接出入口的影響則不可忽視?，F(xiàn)階段針對(duì)連接通道施工對(duì)地鐵出入口的詳細(xì)影響研究較少，特別是考慮地層差異，專門研究深厚砂性土層中連接通道施工對(duì)地鐵出入口的影響則更少。本文以常州某地鐵站新建連接通道為例，通過三維有限元數(shù)值分析方法研究深厚砂性土層中連接通道施工對(duì)地鐵出入口各部位的變形影響，并結(jié)合分析結(jié)果提出合理的控制措施。

1 工程概況

常州地鐵某出入口為地下一層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置扶梯及樓梯各1部，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深9.35 m，扶梯下沉段基坑深10.95 m。出入口基坑采用明挖法施工，采用φ850@600SMW工法樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式，目前出入口已完工，內(nèi)插型鋼已拔出。新建連接通道為地下一層框架結(jié)構(gòu)，基坑深度4.7～8.8 m(集水坑段10.3 m)，覆土厚度為0～3.9 m?；硬捎忙?00@1000鉆孔樁+1道砼支撐+1道鋼支撐支護(hù)形式，基坑內(nèi)采取管井降水。物業(yè)端基坑距地鐵出入口凈距為17.08 m，也已實(shí)施完成。擬建連接通道與地鐵結(jié)構(gòu)和商業(yè)建筑的位置示意圖如圖1 所示。

圖1 連接通道示意圖

2 計(jì)算模型

為了全面、系統(tǒng)地反映連接通道在施工過程中對(duì)周圍巖土體及地鐵結(jié)構(gòu)的受力與變形的影響，建立了基于Midas GTS程序的三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

計(jì)算模型的尺寸大小根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地及周邊環(huán)境條件決定?？紤]消除邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算模型尺寸為X方向74 m，Y方向58 m，Z方向25 m，共計(jì)40 651個(gè)節(jié)點(diǎn)，83 183個(gè)單元。計(jì)算模型如圖2所示。基坑開挖范圍內(nèi)土層由上而下依次為：①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉土夾粉砂?；拥滓韵峦翆又饕獮棰?粉土夾粉砂、②3粉砂夾粉土、③粉砂夾粉土。圍護(hù)樁樁底土層為③粉砂夾粉土。

圖2 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用MIDAS GTS NX軟件默認(rèn)約束條件，對(duì)模型底部進(jìn)行Z方向的約束，側(cè)向施加X方向位移約束，正方向施加Y方向位移約束。3號(hào)出入口與車站主體連接以及連接通道與地下室連接均采用固結(jié)約束模擬。模型中頂?shù)装鍌?cè)墻采用二維板單元模擬，鋼支撐、砼支撐、柱采用一維梁?jiǎn)卧M，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用二維板單元模擬。主體結(jié)構(gòu)板梁等混凝土材料屬性定義為C30混凝土。模型中土層采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，土體彈性模量按照經(jīng)驗(yàn)取壓縮模量4倍。同一層土體為均質(zhì)、各向同性、理想彈塑性體。根據(jù)常州及相近地區(qū)基坑的變形情況[9-11]，本次計(jì)算采用HS模型屈服函數(shù)。

HS模型為雙屈服函數(shù)，包括剪切屈服函數(shù)和體積屈服函數(shù)。剪切屈服函數(shù)可表示為

(1)

式中：

體積屈服函數(shù)可表示為

(2)

式中：

p=(σ1+σ2+σ3)/3；

δ=(3+sinφ)/(3-sinφ)；

混凝土結(jié)構(gòu)泊松比為0.2，容重為25 kN/m3，彈性模量為3×104MPa。鋼支撐泊松比為0.2，容重為25 kN/m3，彈性模量為2.06×105MPa。各土層計(jì)算參數(shù)詳見表1。

表1 土層材料性質(zhì)

模型計(jì)算考慮連接通道施工全過程對(duì)已建地鐵出入口的影響。施工過程分8個(gè)工序：①連接通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；②開挖第一層土，砼支撐施工；③開挖第二層土，支撐施工鋼；④開挖最后一層土，底板施工；⑤打開連接通道與地鐵出入口、物業(yè)地下室連接的側(cè)墻；⑥連接通道側(cè)墻施工，并拆除第二道鋼支撐；⑦連接通道頂板施工，并拆除砼支撐；⑧土體回填。

3 計(jì)算結(jié)果

各施工工況計(jì)算結(jié)果如下：工序①—⑤，地鐵出入口最大變形處均出現(xiàn)在出入口口部，豎向(Z向)位移最高達(dá)-2.52 mm；工序⑥—⑧，地鐵出入口最大變形處轉(zhuǎn)移至連接通道接口處上部。土體回填完成后，連接通道接口處豎向位移最大達(dá)到-4.44 mm，遠(yuǎn)小于《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)規(guī)定的地鐵結(jié)構(gòu)安全變形控制值±20 mm，滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。具體計(jì)算數(shù)據(jù)見圖3和圖4。

圖3 出入口口部變形

圖4 連接通道接口處變形

4 結(jié)論

4.1 開挖階段

連接通道圍護(hù)樁在砂性土層中成樁會(huì)對(duì)地鐵出入口周邊土體造成擾動(dòng)，導(dǎo)致出入口整體再次下沉。從成樁至開挖結(jié)束、結(jié)構(gòu)封底，施工卸載土體會(huì)造成地鐵出入口整體結(jié)構(gòu)上浮。

4.2 連接口開口及通道結(jié)構(gòu)施工階段

連接口側(cè)墻鑿除過程中，地鐵出入口開口部位出現(xiàn)應(yīng)力重分布，且隨著下部支撐的解除，開口上部變形顯著增大。隨著連接通道結(jié)構(gòu)施工及土體回填，變形一直增加。開口處屬于結(jié)構(gòu)薄弱處，變形增加將是長(zhǎng)期過程，覆土回填后還需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

5 建議措施

為減小開挖階段的影響，需做好以下工作：①連接通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，地鐵側(cè)圍護(hù)樁需優(yōu)先施工，并采取跳樁施工，以減小樁基施工對(duì)出入口結(jié)構(gòu)的影響；②連接通道與地鐵出入口接口處高壓旋噴樁施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低噴漿壓力，減小對(duì)地鐵出入口的影響；③基坑開挖過程應(yīng)密切注意基坑止水帷幕施工質(zhì)量，若出現(xiàn)滲水、流砂等情況，須及時(shí)處理，確保地鐵安全。

為控制口部變形，出入口處應(yīng)提前預(yù)留暗梁、暗柱并同步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋等措施。