徐長金

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司,重慶 400707)

城市軌道交通作為城市公共交通的骨干,其安全運(yùn)行對保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、維護(hù)社會(huì)安穩(wěn)定具有重要意義。隨著地下工程開發(fā)建設(shè)越來越頻繁,城市軌道交通與各種建構(gòu)筑物間的上跨、下穿、鄰近情況也越來越多,許多學(xué)者對該領(lǐng)域進(jìn)行一系列研究。聶浩基于土力學(xué)基本理論和數(shù)值計(jì)算分析,研究基坑開挖對既有盾構(gòu)管片變形與應(yīng)力影響[1];彭濤等認(rèn)為深基坑施工引起地鐵站線結(jié)構(gòu)破壞的原因主要是地下水治理失效和基坑圍護(hù)施工質(zhì)量缺陷[2];孫廉威發(fā)現(xiàn),在基坑開挖至第2道支撐時(shí)進(jìn)行加載改造為最不利工況,且圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移將超過規(guī)范允許值,在施工中應(yīng)嚴(yán)格避免[3];史磊磊[4]等針對暗挖地鐵車站側(cè)穿安貞東橋施工提出兩種保護(hù)措施,并采用數(shù)值模擬方法對兩種保護(hù)方案的實(shí)施效果進(jìn)行計(jì)算分析。還有部分學(xué)者針對不同地質(zhì)條件下的地下工程,研究施工對鄰近既有隧道的影響規(guī)律[5-8];以及采用各種數(shù)值模擬軟件,分析鄰近施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響[9-11]。然而,以往的研究多集中在地鐵隧道或單一車站等結(jié)構(gòu)受施工的影響,對地鐵立交車站結(jié)構(gòu)的研究相對較少。以某臨近地鐵立交車站的深基坑工程為背景,通過建立基坑施工過程中既有車站及附屬結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,對地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 工程背景

某城市地鐵2、3號(hào)線立交車站西北側(cè)擬新建基坑工程,如圖1所示。該基坑北側(cè)為地下3層,占地面積為9694m2,開挖深度為17.5m,南側(cè)為地下4層,占地面積為18268m2,基坑開挖深度為20.9m,基坑周長為760.0m。其中,地鐵2號(hào)線5號(hào)風(fēng)亭與基坑邊沿最近凈距為5.79m,地鐵3號(hào)線1號(hào)出入口與基坑邊沿最小凈距為26.75m,與地鐵3號(hào)線車站主體最小凈距為55.43m。根據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查、鉆探和試驗(yàn)等資料,場地地層巖性自上而下為人工填土、粉質(zhì)黏土、紅黏土、石灰?guī)r,局部為巖層溶洞。場地地下水主要為第四系上層滯水以及深部灰?guī)r中的巖溶裂隙水。

圖1 車站與基坑平面位置

依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,判定地鐵立交車站及其附屬結(jié)構(gòu)與基坑工程接近程度為“非常接近”,其工程影響區(qū)域?yàn)椤皬?qiáng)烈影響區(qū)”[12],綜合考慮本工程地質(zhì)條件特點(diǎn),地鐵立交車站及其附屬結(jié)構(gòu)受基坑施工的影響等級(jí)為“特級(jí)”。根據(jù)要求,應(yīng)對城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全影響進(jìn)行分析與評(píng)估。

地鐵結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的直觀反映就是地鐵隧道結(jié)構(gòu)的損傷或破損狀態(tài),其主要包括滲漏水、外觀變形、材料劣化、裂縫等[13-14]。以結(jié)構(gòu)的變形、配筋及裂縫寬度為指標(biāo),通過有限元三維動(dòng)態(tài)施工過程仿真,計(jì)算分析既有地鐵結(jié)構(gòu)受擬建基坑工程施工的影響[15-16]。

2 三維有限元分析

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

采用MIDAS GTS有限元軟件建立模型。針對基坑開挖影響區(qū)域,按照地鐵工程和基坑工程設(shè)計(jì)資料,選取計(jì)算模型尺寸為320m×360m×50m,受有限元單元規(guī)模限制,單元網(wǎng)格尺寸設(shè)定在3 ～5m,并對特殊部位對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,共劃分209211個(gè)單元,如圖2所示。邊界條件為:模型底部設(shè)置為Z方向約束,模型左右面設(shè)置為X方向約束,模型前后面設(shè)置為Y方向約束。

圖2 有限元模型(單位:m)

假定土體為彈塑性材料,針對復(fù)雜地層,應(yīng)盡可能模擬真實(shí)的地層土的分布規(guī)律和力學(xué)特征。對局部小區(qū)域土層材料進(jìn)行歸一化處理時(shí),考慮數(shù)值分析偏于安全的要求,土層選用力學(xué)性能低的材料,地基土的非線性本構(gòu)與屈服力學(xué)特性層采用摩爾庫倫模型描述,土層參數(shù)如表1所示。車站主體及附屬結(jié)構(gòu)等混凝土結(jié)構(gòu)假定為彈性材料,材料結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。地鐵車站結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原理,基坑周邊地面超載取20kN/m2。

表1 土層參數(shù)

表2 材料結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬工況

根據(jù)施工流程,數(shù)值模擬過程為:初始地應(yīng)力平衡—鉆孔灌注樁、鋼立柱施工—施作第一道水平撐及預(yù)應(yīng)力索錨、第一層土方開挖—施作第二道水平撐及預(yù)應(yīng)力索錨、第二層土方開挖—施作第三道水平撐及預(yù)應(yīng)力索錨、第二層土方開挖—地下室底板施工。由于只研究擬建基坑對既有結(jié)構(gòu)的影響,故不考慮車站及附屬結(jié)構(gòu)在基坑施工前的變形,對基坑施工前的位移值進(jìn)行清零。選取表3中的典型工況進(jìn)行研究,各工況有限元模型如圖3所示。地鐵立交車站及附屬結(jié)構(gòu)與基坑位置關(guān)系如圖4所示。

圖3 各工況模型

圖4 地鐵結(jié)構(gòu)與基坑有限元模型

表3 模擬工況

2.3 控制指標(biāo)

根據(jù)國內(nèi)類似地鐵結(jié)構(gòu)安全保護(hù)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本工程實(shí)際情況,制定既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

(1)車站結(jié)構(gòu)水平位移量及豎向位移量取10mm(包括各種加載和卸載的最終位移量),變化速率取2mm/d。

(2)車站結(jié)構(gòu)裂縫寬度在迎水面取0.2mm,背水面取0.3mm。

3 地鐵結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 初始狀態(tài)模擬

在深基坑施工之前,對已建成地鐵車站結(jié)構(gòu)的施工場地進(jìn)行地應(yīng)力平衡,由此得到場地在基坑工程施工前的初始地應(yīng)力場和地鐵車站結(jié)構(gòu)在未受影響情況下的原始受力狀態(tài)。初始位移理想狀況為零值,受模型復(fù)雜程度影響,精度計(jì)算會(huì)得到一個(gè)很小的初始值,利用初始值進(jìn)行誤差修正。初始狀態(tài)地層應(yīng)力分層見圖5。

圖5 初始狀態(tài)地應(yīng)力模擬

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

對工況1 ～ 5進(jìn)行仿真模擬,獲得各工況下地鐵立交車站及附屬結(jié)構(gòu)的三維變形,變形極值情況見表4。由計(jì)算結(jié)果可以看出,基坑開挖過程中,地鐵立交車站及其附屬結(jié)構(gòu)有整體向基坑側(cè)位移的趨勢,位移隨著基坑開挖深度逐漸增大,且在工況4(基坑開挖到底)達(dá)到最大值。其中,車站主體最大水平位移值為2.43mm(橫向1.82mm,縱向-1.32mm)、最大豎向位移值-0.84mm;附屬結(jié)構(gòu)離基坑近,水平位移變形相對較大,1號(hào)出入口最大水平位移值為6.48mm(橫向5.69mm,縱向-2.46mm)、最大豎向位移值-1.87 mm,2號(hào)出入口和風(fēng)道最大水平位移值為5.42mm(橫向0.59mm,縱向-5.20mm)、最大豎向位移值-1.42mm,位于2號(hào)出入口與5號(hào)風(fēng)亭相交叉部位。基坑開挖前(工況1)和完成后(工況4)的車站結(jié)構(gòu)位移云圖如圖6、圖7所示。在工況5(基坑底部施工)中,受荷載增大影響,地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反向位移,其位移幅度很小,說明基坑開挖結(jié)束后,車站結(jié)構(gòu)位移沒有繼續(xù)增大趨勢。

圖7 工況4結(jié)構(gòu)變形模擬結(jié)果

表4 各工況下車站主體及附屬結(jié)構(gòu)變形極值mm

圖6 工況1結(jié)構(gòu)變形模擬結(jié)果

整個(gè)基坑開挖過程中,車站結(jié)構(gòu)位移均小于控制指標(biāo)允許值。

3.3 地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算

模擬分析各工況下車站及附屬結(jié)構(gòu)的受力變化。在分析時(shí),按結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行荷載組合,各種荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)見表5。結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算采用荷載基本組合,內(nèi)力=設(shè)計(jì)值(內(nèi)力計(jì)算值×1.35+內(nèi)力變化值×1.4)×1.1。裂縫驗(yàn)算采用荷載準(zhǔn)永久組合,內(nèi)力=設(shè)計(jì)值(內(nèi)力計(jì)算值+內(nèi)力變化值)。

表5 荷載組合

對地鐵立交車站主體和附屬結(jié)構(gòu)的板、側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,各結(jié)構(gòu)的彎矩云圖如圖8～圖11所示。根據(jù)內(nèi)力結(jié)果計(jì)算結(jié)構(gòu)配筋和裂縫寬度,結(jié)果如表6所示。

表6 地鐵結(jié)構(gòu)板、側(cè)墻內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

圖8 車站板結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩

圖9 車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩

圖10 1號(hào)出入口結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩

圖11 2號(hào)出入口和5號(hào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩

計(jì)算結(jié)果表示,車站及附屬結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力受基坑開挖影響均引起增大,且2號(hào)線與3號(hào)線交叉處、車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)交匯處、變截面處均是受力影響的敏感區(qū)域。車站主體中2號(hào)線底板中支座的受力影響最大,最大彎矩值為-1620.7kN·m,最大扭矩值為-1141.3kN·m,附屬結(jié)構(gòu)中5號(hào)風(fēng)亭底板中支座受力影響最大,最大彎矩值為-970.8kN·m,最大扭矩值為-542.2kN·m。通過驗(yàn)算可知,實(shí)配鋼筋面積均大于計(jì)算鋼筋面積,計(jì)算裂縫寬度也均在控制指標(biāo)范圍內(nèi),地鐵車站結(jié)構(gòu)配筋能滿足基坑開挖卸載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加幅度的要求。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

綜合地鐵立交車站及其附屬結(jié)構(gòu)和擬建基坑的設(shè)計(jì)資料,結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境,建立各工況有限元模型,模擬仿真結(jié)果如下。

(1)車站及附屬結(jié)構(gòu)有整體向基坑側(cè)位移的趨勢,位移值隨基坑開挖深度逐漸增大,且在基坑開挖至底部時(shí)達(dá)到最大值,但位移值小于評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)的允許值。

(2)經(jīng)內(nèi)力驗(yàn)算,車站及附屬結(jié)構(gòu)樓板結(jié)構(gòu)配筋滿足計(jì)算要求,裂縫滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)擬建基坑施工將會(huì)對地鐵車站結(jié)構(gòu)和運(yùn)營產(chǎn)生一定的影響,但處于安全可控范圍。

4.2 建議

(1)土方開挖是擬建基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要階段,其施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)中的施工方法、設(shè)計(jì)參數(shù)和步序進(jìn)行,滿足相關(guān)規(guī)范要求,減少對地鐵車站的影響。

(2)車站附屬結(jié)構(gòu)中1號(hào)出入口產(chǎn)生的最大水平變形可達(dá)到6.48mm,2號(hào)出入口和5號(hào)風(fēng)亭的最大水平變形可達(dá)到5.42mm,但是在數(shù)值模擬中未考慮地下水影響,實(shí)際水平變形可能更大,建議在施工時(shí)基坑周邊做好硬化及截排水措施,并且加大該處的監(jiān)測頻率。