劉露超 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，城市人口急劇增加，城市交通供需矛盾日趨緊張，地面交通已無法適應(yīng)日益增長的運(yùn)量需求，城市軌道交通已成為城市緩解交通問題的首選方案。伴隨著城市軌道交通線路的增加以及沿線周邊各類建筑工程的開發(fā)、施工等影響城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全的外部作業(yè)大幅度攀升，近年來危及城市軌道交通運(yùn)營安全的結(jié)構(gòu)受損事件時(shí)有發(fā)生，城市軌道交通的安全性也受到了越來越多的關(guān)注。外部作業(yè)對城市軌道交通結(jié)構(gòu)的影響也是設(shè)計(jì)、施工等各環(huán)節(jié)需重點(diǎn)考慮的問題。

關(guān)于基坑施工對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響也已經(jīng)有了豐富的研究成果。丘建金等結(jié)合工程實(shí)際情況，運(yùn)用三維數(shù)值分析方法對圍護(hù)樁施工前、后各工況進(jìn)行詳細(xì)分析，并據(jù)此在樁基施工前采取一系列治理措施；張立明等基于臨近地鐵線路的某大型深基坑工程，對基坑設(shè)計(jì)和施工方案、施工期間地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；侯凱結(jié)合某大型深基坑工程的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過有限元計(jì)算，分析基坑開挖施工力學(xué)特征，研究基坑施工對臨近地鐵車站的變形影響；袁運(yùn)濤等對某實(shí)例工程作了詳細(xì)介紹，從設(shè)計(jì)及施工的角度論述在基坑開挖過程中所采用的各種方法，結(jié)構(gòu)實(shí)測結(jié)果證實(shí)其有效性。

本文以合肥市某鄰近既有軌道交通車站結(jié)構(gòu)的深基坑施工為例，通過有限元數(shù)值模擬分析的方法，模擬基坑施工全過程中車站結(jié)構(gòu)的變形歷程，分析施工全過程對車站結(jié)構(gòu)的安全影響。利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果，結(jié)合理論分析，對工程實(shí)施提出工程建議，并給出變形控制指標(biāo)。

圖1 基坑與車站平面位置關(guān)系圖

1 工程概況

1.1 基坑工程及軌道交通概況

本項(xiàng)目基坑面積約9500m，周長約400m（約110m×90m長×寬），基坑開挖深度0.85m～5.2m。臨近軌道交通車站側(cè)基坑開挖深度約4.2m，采用900@1200懸臂鉆孔灌注樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長8.9m，嵌固深度6.0m；其余部位采用一級自然放坡作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，坡比為1:1.8～1:1.2，坡面采用掛網(wǎng)噴射80mm厚混凝土處理。本項(xiàng)目基坑無降水施工。

既有軌道交通車站為合肥軌道交通“T”形換乘站。車站4號線部分外包總長260.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.7m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為16.9m，為雙層三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)；車站7號線部分外包總長177.1m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.1m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為25.3m，為三層三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)。車站共設(shè)置4組風(fēng)亭、6個(gè)出入口。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，本項(xiàng)目基坑位于既有車站4號線部分南側(cè)，本項(xiàng)目地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)距離車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)最小水平間距約13.01m，基坑開挖長度約107.2m。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)簡況及地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，場地位于南淝河二級階地，地層從新到老為：雜填土①層：以粉質(zhì)黏性土為主，含大量建筑垃圾、磚渣、生活垃圾等，層厚0.5m～10.7m；粉質(zhì)黏土②層：可塑～硬塑，中壓縮性；黏土⑥層：硬塑～堅(jiān)硬，中壓縮性，層厚7.1m～16.8m；黏土⑦層：可塑，中壓縮性，層厚0.60m～4.80 m。

擬建場地共觀測到兩層地下水，地下水類型為上層滯水（一）、基巖裂隙水（四），其中上層滯水（一）主要賦存于人工填土中，受大氣降水補(bǔ)給，水量微弱，基巖裂隙水（四）主要賦存于殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中，具有承壓性，富水性為極貧乏～貧乏。地層物理力學(xué)特性指標(biāo)詳見表1所示。

圖2 基坑與車站剖面位置關(guān)系圖

土層物理力學(xué)參數(shù)表 表1

1.3 現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，既有軌道交通車站結(jié)構(gòu)基本完好，除局部存在滲水濕漬、磕碰破損及局部結(jié)構(gòu)存在混凝土伸縮性裂縫外無明顯承載力裂縫。車站結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車站結(jié)構(gòu)基本完好

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算假定

根據(jù)實(shí)際情況，有限元數(shù)值計(jì)算模型假定：

①地表面和各土層均呈勻質(zhì)層狀分布；

②不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力，自重應(yīng)力是唯一的初始地應(yīng)力；

③從簡化問題方面出發(fā)，在模擬計(jì)算時(shí)將忽略地下水的滲透作用，假設(shè)土體的變形不受時(shí)間因素的影響，也就是忽視土體的固結(jié)和蠕變。

2.2 模型概況

為了研究本項(xiàng)目施工對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，采用數(shù)值計(jì)算軟件Midas GTS NX進(jìn)行三維全過程施工模擬。為了消除邊界效應(yīng)，建立整個(gè)地面以下三維模型計(jì)算范圍為X×Y×Z=230m×200m×50m（長×寬×高），模型除地表為自由表面外其他均為法向約束。采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型分析，將模型中的土體視為各向同性、連續(xù)的彈塑性體，采用實(shí)體單元模擬。圍護(hù)樁、車站結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)均采用各向同性彈性模型，其中車站結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，車站立柱、地下室立柱以及圍護(hù)樁采用梁單元模擬。樁土間的連接單元為剛性連接。根據(jù)實(shí)際情況和模型計(jì)算需要，模型參數(shù)見表2所示。

巖土與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù) 表2

圖4 三維有限元網(wǎng)格

2.3 計(jì)算工況

為分析施工全過程對車站結(jié)構(gòu)的安全影響，按實(shí)際基坑施工步驟模擬車站結(jié)構(gòu)的變形歷程。第一步：模擬軌道交通結(jié)構(gòu)施工，計(jì)算土體的初始的應(yīng)力場，并將土體位移場和速度場清零，作為初始狀態(tài)；第二步：基坑圍護(hù)樁施工；第三步：開挖支護(hù)第一階段；第四步：開挖支護(hù)第二階段；第五步：地下室結(jié)構(gòu)施工階段；第六步：地上結(jié)構(gòu)施工階段。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 車站結(jié)構(gòu)變形分析

①豎向位移

從不同施工階段車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖可以看出：車站結(jié)構(gòu)各部位最大豎向變形均發(fā)生在基坑開挖完成階段，其變形規(guī)律為靠近基坑的車站主體結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)上浮變形，距離基坑較遠(yuǎn)的車站主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降變形，同時(shí)最大豎向變形位于靠近基坑側(cè)車站側(cè)墻中部，變形值為0.32mm。

②水平位移（Y向）

從不同施工階段下車站結(jié)構(gòu)水平變形（Y向）云圖可以看出：車站結(jié)構(gòu)各部位最大水平變形均發(fā)生在基坑開挖完成階段，其變形規(guī)律為水平變形均為朝向基坑方向，同時(shí)最大水平變形位于靠近基坑側(cè)車站側(cè)墻中部，變形值為0.24mm。

2.4.2 車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

通過計(jì)算分析，施工過程中車站結(jié)構(gòu)受力最大斷面位于車站4號線部分小里程段中間區(qū)域，故截取上述受力最大區(qū)域橫斷面進(jìn)行內(nèi)力分析及配筋驗(yàn)算。

根據(jù)不同施工階段下車站內(nèi)力包絡(luò)值及車站結(jié)構(gòu)配筋情況，經(jīng)驗(yàn)算：結(jié)構(gòu)裂縫值均小于變形控制值。

2.4.3 小結(jié)

施工過程中，車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎向位移和水平位移，其中豎向位移主要為隆起。車站結(jié)構(gòu)最大隆起位移值為0.32mm，最大水平位移值0.24mm（朝向基坑方向）。

車站結(jié)構(gòu)變形情況 表3

水平變形、水平位移中“+”表示朝向基坑方向、“-”表示遠(yuǎn)離基坑方向。

通過三維空間有限元分析本項(xiàng)目的圍護(hù)樁施工、基坑開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工、回填、地上結(jié)構(gòu)施工等對已建軌道交通車站結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，車站結(jié)構(gòu)豎向位移和水平向位移均小于變形控制值，表明本項(xiàng)目施工對鄰近車站結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)總體可控，通過合理、安全的施工技術(shù)和安全保護(hù)措施能夠確保對車站結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)。

3 結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)與建議

3.1 結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求及本工程特點(diǎn)，并結(jié)合分析計(jì)算結(jié)果和工程類比經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到現(xiàn)有常規(guī)測量儀器的監(jiān)測精度，并為后期其他工程預(yù)留一定的安全儲備，綜合考慮確定本項(xiàng)目施工引起的車站結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)，如表4所示。

結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo) 表4

3.2 建議及要求

①圍護(hù)樁施工時(shí)，應(yīng)采取有效措施防止塌孔危害軌道交通結(jié)構(gòu)的安全，雜填土等較差土層范圍建議采用鋼護(hù)筒。嚴(yán)禁采用沖擊鉆施工，并采用其他有效措施減小圍護(hù)樁施工對土體的擾動(dòng)。圍護(hù)樁施工建議采用“跳打”“對稱打設(shè)”的原則進(jìn)行施工。

圖5 基坑開挖完成階段車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

圖6 基坑開挖完成階段車站結(jié)構(gòu)水平變形云圖

圖7 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面彎矩云圖

圖8 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面剪力云圖

圖9 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面軸力云圖

②開挖過程中應(yīng)采用分段分層開挖施工，并優(yōu)先開挖遠(yuǎn)離軌道交通側(cè)基坑，每段開挖長度為10m～20m，每層開挖深度不超過2.0m，開挖后每層作業(yè)面暴露時(shí)間不得超過24h。

③施工時(shí)，應(yīng)對車站進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測，在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)及周圍土體布置測點(diǎn)，主要的監(jiān)測項(xiàng)目包括地面隆起（沉降）量、車站結(jié)構(gòu)的變形量（包括豎向位移量、水平位移量）等，出現(xiàn)變形量或變形速率較大時(shí)，加密監(jiān)測和加強(qiáng)分析。

④本項(xiàng)目基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與其地下室結(jié)構(gòu)側(cè)墻之間的空隙，建議采用素混凝土回填密實(shí)，不得采用雜填土、建筑垃圾等性質(zhì)較差或不穩(wěn)定的材料。