吳 波

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610031)

1 前言

近年來，隨著我國城市地下空間不斷拓展，建設(shè)規(guī)劃逐步趨于網(wǎng)絡(luò)化，以聯(lián)系周邊既有地下空間，達(dá)到地下空間合理開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益的最大化。零距離近接、連通接駁、豎向增層、以小擴(kuò)大、多維拓展等各式各樣的拓建方式層出不窮。但地下空間施工不同于一般地上工程，施工環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較大，施工作業(yè)的安全性控制要求高。對(duì)于近接施工的地下結(jié)構(gòu)而言，由于既有結(jié)構(gòu)的存在，增加了施工環(huán)境的復(fù)雜程度，新建工程的施工破壞了鄰近既有結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)，其施工風(fēng)險(xiǎn)更大，不僅涉及新建結(jié)構(gòu)的施工安全，還需保證既有結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，施工方案的實(shí)施需要進(jìn)一步的研究探討，采取合理的控制措施為施工的安全性做保障。

針對(duì)近接工程的施工安全性分析，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，并提出了相應(yīng)的處理措施。沈小輝[1]等對(duì)北京某雙矩形區(qū)間隧道密貼下穿既有地鐵車站工程暗挖隧道動(dòng)態(tài)施工過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，指出千斤頂工法為優(yōu)先考慮的工法，并給出了千斤頂工法下既有車站軌道結(jié)構(gòu)典型的雙峰形態(tài)沉降槽。李清菲[2]對(duì)青島某即將修建的線路下穿既有車站進(jìn)行數(shù)值分析，研究在硬巖地區(qū)新建線路采用型鋼格柵密貼下穿及采用CRD法近距離下穿2種方案引起的既有站底板位移變化的規(guī)律。朱正國[3]對(duì)新建區(qū)間隧道零距離下穿既有地鐵車站不同開挖工法及周圍地層不同加固范圍等施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了既有車站軌道沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及新建區(qū)間隧道周邊變形、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及規(guī)律。杜建華[4]等以北京地鐵10號(hào)線國貿(mào)—雙井區(qū)間下穿地鐵1號(hào)線為工程背景，建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)垂直下切穿越既有隧道過程中新舊隧道的受力、變形及地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究。陳彬科[5]等以重慶某新建地鐵下穿既有軌道車站為工程研究背景，對(duì)新建地鐵分別采用CRD法和上下臺(tái)階法施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對(duì)比下穿軌道工程案例中既有軌道車站結(jié)構(gòu)的沉降變形與應(yīng)力變化規(guī)律。

現(xiàn)有研究主要側(cè)重于新建地鐵區(qū)間下穿對(duì)既有地鐵車站、新建地鐵車站對(duì)既有地鐵車站、新建地鐵車站對(duì)既有地鐵區(qū)間或者鄰近基坑工程開挖的施工影響分析，而對(duì)于零距離近接基坑開挖施工及對(duì)既有車站的影響研究相對(duì)較少。本文以天津地鐵5號(hào)線思源道站結(jié)建工程零距離近接基坑開挖為背景，采用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)零距離近接基坑開挖施工的安全性以及基坑開挖對(duì)既有車站的變形力學(xué)行為進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)現(xiàn)有施工方案的合理性，探討零距離近接施工的安全性和既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的受力是否滿足要求，并為后續(xù)類似工程提供參考。

2 工程概況

本工程分布于思源道車站主體結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)，基坑為不規(guī)則形狀，東側(cè)基坑開挖面積約1.25萬m2，西側(cè)基坑開挖面積約0.85萬m2?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，墻厚800 mm，地下連續(xù)墻止水深度32 m，墻趾設(shè)計(jì)標(biāo)高-35.22 m。墻頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，內(nèi)支撐為三道混凝土支撐，均為環(huán)形輻射支撐體系，東側(cè)設(shè)置兩個(gè)環(huán)梁支撐體系，大環(huán)梁直徑為82 m，小環(huán)梁直徑40 m；西側(cè)設(shè)置一個(gè)環(huán)梁，環(huán)梁直徑72 m?；邮┕がF(xiàn)場見圖1。

圖1 基坑施工現(xiàn)場

3 建立數(shù)值模型及工況設(shè)置

3.1 基本假定

在最大程度還原工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，對(duì)地層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，以方便建立模型和網(wǎng)格劃分，采用如下基本假定:(1)忽略地形及地層分界線起伏，地表及各土層均按水平均質(zhì)層狀分布考慮[6]；(2)地層條件考慮為最不利地質(zhì)鉆孔的情況；(3)基坑開挖前存在的初始應(yīng)力場只考慮地層及結(jié)構(gòu)自重；(4)忽略施工誤差及施工降水的影響；(5)不考慮施工擾動(dòng)引起土體參數(shù)的變化；(6)內(nèi)支撐截面尺寸統(tǒng)一取最不利截面尺寸。

3.2 模型建立

本文采用軟件建立模型對(duì)天津地鐵5號(hào)線思源道站結(jié)建工程零距離近接基坑開挖施工進(jìn)行分析為減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的干擾，模型整體尺寸取為550 m×550 m×90 m。車站主體結(jié)構(gòu)及連續(xù)墻采用彈性本構(gòu)模型，各土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。以實(shí)體單元模擬。模型的邊界條件:底部和左右前后四面均施加法向約束，切向自由；地表保持為自由面。數(shù)值模擬所需參數(shù)如表1和表2所示。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 整體計(jì)算模型

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)及支護(hù)體系材料參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

為保證既有車站兩邊基坑開挖狀態(tài)一致，以維持既有車站的穩(wěn)定與施工安全，實(shí)際開挖施工工序遵循“先撐后挖、分區(qū)分層、對(duì)稱開挖”的原則，基坑豎向開挖總深度為15 m，分四層進(jìn)行逐步挖除，第一層開挖2.2 m，第二層開挖4.2 m，第三層開挖4.1 m，第四層開挖4.5 m。

為方便計(jì)算，簡化施工順序，模型不進(jìn)行分區(qū)開挖，東西兩側(cè)各區(qū)同時(shí)進(jìn)行，以達(dá)到對(duì)稱開挖的目的。為保證與實(shí)際開挖類似的效果，圓形中心島比周圍土體延后一層開挖。由于開挖前會(huì)進(jìn)行降水處理，使地下水位在開挖面以下1 m以上，故不考慮地下水的影響。為盡可能還原基坑開挖的實(shí)際施工過程，本計(jì)算共設(shè)置7個(gè)計(jì)算工況，各工況的施工內(nèi)容如表3所示。

表3 數(shù)值模擬工況

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 施工安全性及影響分析

圖3為基坑開挖完成后基坑內(nèi)部及周圍地層豎向位移云圖。

圖3 開挖完成基坑內(nèi)部及周圍地層豎向位移云圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，基坑開挖對(duì)周圍地層的豎向位移影響較小，地層豎向變形主要集中在基坑內(nèi)部，表現(xiàn)為豎向隆起，沿基坑四周向中心靠攏隆起量逐漸增大，開挖深度越大的地方隆起量越大?；娱_挖完成時(shí)，基坑內(nèi)部隆起量達(dá)到1.16 cm，如圖3所示。施工中需要采取措施抑制基坑內(nèi)部隆起，并及時(shí)進(jìn)行后續(xù)新建地下結(jié)構(gòu)的施工，減少基坑的曝露時(shí)間。

圖4為基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的受力及變形曲線，由基坑圍護(hù)體系的受力及變形可知，除支撐柱沉降以外，其他內(nèi)力和變形均隨基坑開挖而增大，且構(gòu)件存在差異，但變化趨勢略有不同?；娱_挖過程中，地下連續(xù)墻的最大拉應(yīng)力為0.782 MPa，最大剪應(yīng)力為0.563 MPa；由地下連續(xù)墻的側(cè)向變形可知，基坑周邊的收斂變形最大值為2.635 cm。通過分析支撐體系的受力和變形可知，基坑開挖過程中內(nèi)支撐的彎矩峰值達(dá)到5 682 kN·m，軸力峰值達(dá)到2 024 kN，支撐柱所受軸力最大為669 kN，仍在支護(hù)體系可承受的范圍內(nèi)，支護(hù)體系未出現(xiàn)破壞；內(nèi)支撐的最大隆起量為0.719 cm，最大沉降量為4.290 cm；支撐柱的豎向位移主要表現(xiàn)為隆起，最大隆起量為1.313 cm，均在允許范圍內(nèi)，支護(hù)體系未出現(xiàn)失穩(wěn)的情況[7-9]。

圖4 基坑開挖過程中地連墻應(yīng)力及側(cè)向位移變化曲線

4.2 基坑開挖對(duì)既有車站影響分析

圖5為基坑開挖完成時(shí)既有天津地鐵思源道站應(yīng)變?cè)茍D。

圖5 基坑開挖完成時(shí)既有地鐵站的應(yīng)變?cè)茍D

計(jì)算結(jié)果表明，基坑開挖使得既有車站結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力以及應(yīng)變均有所增加。既有車站拉應(yīng)力最大值分布在一些角隅處，其余部位拉應(yīng)力分布較為均勻；既有車站結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力最大值分布同樣位于角隅處，頂板和側(cè)墻的剪應(yīng)力也較大，應(yīng)變最大值出現(xiàn)在既有車站底板，基坑開挖時(shí)既有車站應(yīng)變?cè)黾樱珣?yīng)變范圍縮小，由幾乎遍布整個(gè)頂板縮小到車站的兩端一定范圍內(nèi)，如圖6所示。隨著基坑開挖，既有車站各部位的應(yīng)力和變形均逐漸增大；拉應(yīng)力頂板增幅最大，達(dá)到0.768 MPa，柱子增幅最小，只有0.220 MPa；而剪應(yīng)力依然為頂板增幅最大，達(dá)到0.344 MPa，柱子增幅最小，只有0.114 MPa；應(yīng)變底板增幅最大，達(dá)到0.003 18%，中板增幅最小，基坑開挖完成時(shí)，既有車站的最大拉應(yīng)力為1.052 MPa，最大剪應(yīng)力為0.563 MPa，均滿足原設(shè)計(jì)要求，基坑開挖過程中，既有車站結(jié)構(gòu)未遭到破壞[10-12]。

圖6 基坑開挖過程中既有車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)論和建議

本文采用數(shù)值模擬方法研究了天津地鐵5號(hào)線思源道站結(jié)建工程零距離近接基坑開挖施工過程，主要結(jié)論如下:

(1)基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力峰值為0.782 MPa，最大剪應(yīng)力為0.563 MPa，均小于地下連續(xù)墻的容許應(yīng)力，地下連續(xù)墻未出現(xiàn)破壞。

(2)基坑開挖過程中，內(nèi)支撐受到的最大彎矩為5 682 kN·m，最大軸力為2 024 kN，支撐柱所受軸力最大為669 kN；內(nèi)支撐的最大位移量為4.290 cm，支撐柱的最大位移量為1.313 cm，均在支護(hù)體系可承受和允許范圍內(nèi)，支護(hù)體系未出現(xiàn)失穩(wěn)和破壞。

(3)基坑開挖完成時(shí)，既有車站結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為1.052 MPa，最大剪應(yīng)力為0.563 MPa，均滿足原設(shè)計(jì)要求，基坑開挖未對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)造成破壞。

(4)根據(jù)地下連續(xù)墻的側(cè)向變形量，基坑開挖過程中，基坑收斂位移量最大為2.635 cm，基坑變形在允許范圍內(nèi)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。