徐從杰，王觀璐

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100088）

0 引言

由于地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)要求的特殊性，運(yùn)營(yíng)階段地鐵周邊設(shè)置相應(yīng)保護(hù)區(qū)，在城市建設(shè)開(kāi)發(fā)中，不可避免地要在地鐵周邊保護(hù)區(qū)進(jìn)行施工，如管線施工、基坑開(kāi)挖、新建地鐵等，外部施工將影響地鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡，引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形［1-4］。外部作業(yè)施工時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案和施工管控措施，降低外部施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。外部施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響受地鐵所處地質(zhì)條件、新建工程與地鐵接近程度、外部開(kāi)挖深度和規(guī)模等因素影響。曹前等人［5］采用MIDAS/GTS有限元計(jì)算和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析黏土、砂巖地層中深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵車站結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)；楊笑男等人［6］采用FLAC3D 軟件計(jì)算分析黏土地層中深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)；閆靜雅等人［7］結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)緊鄰地鐵車站的深大基坑對(duì)開(kāi)挖分區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及加固方式進(jìn)行研究以控制臨近地鐵車站的變形；馬慶迅等人［8］對(duì)以黏性土、粉土和細(xì)中砂互層為主的深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。

對(duì)于富水砂層地層中與地鐵車站進(jìn)行大規(guī)模基坑開(kāi)挖近接施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響研究較少，本文采用數(shù)值分析手段分析共建階段的原放坡開(kāi)挖支護(hù)方案，和為滿足運(yùn)營(yíng)期變形控制要求的灌注樁加混凝土內(nèi)支撐方案變形特點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某停車場(chǎng)緊鄰地鐵車站，擬建地下2層公共停車場(chǎng)及部分商業(yè)，平面圖如圖1所示，其用地面積為5 648 m2。設(shè)計(jì)室外坪為4.50～5.00 m，基底標(biāo)高約為-6.50 m，基坑開(kāi)挖深度約9.5～11.0 m。停車場(chǎng)采用框架結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)。停車場(chǎng)與地鐵車站B 出入口結(jié)構(gòu)整體連接，原設(shè)計(jì)方案計(jì)劃在地鐵運(yùn)營(yíng)前開(kāi)挖至基坑底，與地鐵出入口同期建設(shè)。受各種不利因素影響，地鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后停車場(chǎng)仍未開(kāi)始施工。

圖1 新建項(xiàng)目平面Fig.1 New Project Plan

1.2 地鐵結(jié)構(gòu)概況

車站底板埋深17.2 m，車站寬18.3 m，高11.0 m，長(zhǎng)203.0 m，為地下二層島式車站，車站已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。車站采用明挖順作法施工，主體部分基底標(biāo)高約-15.0～（-14.0）m，施工期采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)（局部采用鉆孔咬合樁），墻厚800 mm，墻底標(biāo)高約-27.0～（-24.0）m，為永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，車站剖面如圖2所示。

圖2 車站剖面Fig.2 Station Profile （mm）

B出入口結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成，預(yù)留與停車場(chǎng)相接條件。主體部分基底標(biāo)高約-7.01～（-6.90）m，結(jié)構(gòu)為C45 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工期采用明挖順作法施工，開(kāi)挖時(shí)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻墻厚600 mm，地連墻深15.6～20.0 m，B出入口剖面如圖3所示。

圖3 B出入口剖面Fig.3 B Entrance and Exit Profile （mm）

1.3 工程水文地質(zhì)條件

表1 地層參數(shù)Tab.1 Formation Parameter

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

2.1 原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案引起地鐵結(jié)構(gòu)變形分析

原基坑支護(hù)方案中，基坑單元1、單元3 為支護(hù)樁+錨索支護(hù)形式，單元2 為放坡開(kāi)挖+土釘墻支護(hù)。采用旋噴樁與既有地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)相接，共同組成新的止水體系，基坑平面如圖4所示。

圖4 基坑支護(hù)平面Fig.4 Foundation Pit Support Plan

單元2（臨近地鐵車站位置）采用放坡開(kāi)挖，噴射混凝土+土釘墻支護(hù)形式，坡面設(shè)噴射混凝土面層，厚100 mm，坡頂設(shè)擊入式土釘固定，基坑從上往下共有4排土釘，土釘長(zhǎng)1.0 m，傾角15°，土釘豎向間距2.0 m，單元2支護(hù)剖面如圖5所示。

圖5 基坑單元2剖面Fig.5 Foundation Pit Unit 2 Profile （mm）

原設(shè)計(jì)工況為B 出入口與停車場(chǎng)同期施工，按照現(xiàn)狀要求，分析開(kāi)挖與降水作用下對(duì)地鐵車站豎向位移和水平位移的影響?；娱_(kāi)挖分5 步進(jìn)行，前4 步每層開(kāi)挖深度2.0 m，最后一步開(kāi)挖至基坑底，然后進(jìn)行停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)施工，結(jié)構(gòu)位移統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 各施工階段車站位移最大值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical of Maximum Isplacement of Station in Each Construction Stage

由表2可知，受基坑開(kāi)挖和降水影響，結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移變化較大。鄰近地鐵一側(cè)采用放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖卸載量大，車站側(cè)向約束小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)向位移大，放坡部分土體水位降低，進(jìn)而引起地鐵結(jié)構(gòu)沉降，超過(guò)運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)變形預(yù)警值，原設(shè)計(jì)方案基坑開(kāi)挖，B出入口結(jié)構(gòu)將暴露出來(lái)，同時(shí)左右兩側(cè)土壓力將不一致，產(chǎn)生偏壓，該支護(hù)設(shè)計(jì)不滿足運(yùn)營(yíng)期地鐵保護(hù)要求。

2.2 新基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案引起地鐵結(jié)構(gòu)變形分析

考慮運(yùn)營(yíng)期地鐵結(jié)構(gòu)變形和地鐵主體結(jié)構(gòu)5 m特別保護(hù)區(qū)內(nèi)禁止施工的要求，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整，單元2 支護(hù)改為單排灌注樁+混凝土支撐的形式，內(nèi)支撐截面尺寸1 000 mm×800 mm。單元1 和單元3支護(hù)形式保持不變，基坑支護(hù)平面圖如圖6所示，單元2包括4種支護(hù)剖面，其中臨近地鐵主體結(jié)構(gòu)B-B剖面對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形控制影響最大，剖面如圖7所示。為了抑制混凝土支撐拆撐后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，肥槽采用流態(tài)固化混凝土進(jìn)行回填。

圖6 基坑支護(hù)平面Fig.6 Foundation Pit Supporting Plan

圖7 B-B剖面Fig.7 B-B Profile （mm）

停車場(chǎng)基坑施工時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)周邊地下水補(bǔ)給充分?；硬捎脩覓焓街顾∧唬觾?nèi)外水力聯(lián)系未隔斷，碎石土層為強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)為20～25 m/d。停車場(chǎng)基坑開(kāi)挖需考慮滲流對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。地下水水頭云圖如圖8所示。地下水沿止水帷幕下端繞流，基坑周邊水頭上升明顯，坑內(nèi)外水頭差達(dá)到7 m，止水效果較好。

圖8 水頭云圖Fig.8 Water Head Cloud Picture

停車場(chǎng)施工打破地鐵結(jié)構(gòu)周邊的原有滲流和應(yīng)力平衡，使地應(yīng)力重新分布，引起地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。地鐵結(jié)構(gòu)變形影響因素主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：基坑卸載產(chǎn)生坑底隆起和停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)施做后的壓縮變形；基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移；地下水降低導(dǎo)致的固結(jié)沉降，結(jié)構(gòu)位移云圖如圖9所示。

圖9 車站結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.9 Displacement Cloud Picture of Station Structure

數(shù)值模擬分析工況按照實(shí)際開(kāi)挖工況設(shè)置，基坑分5 步開(kāi)挖，前4 步每層開(kāi)挖深度2 m，最后一步開(kāi)挖至基坑底；開(kāi)挖前先進(jìn)行降水，水位降低至開(kāi)挖面以下0.5 m，開(kāi)挖完成后進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工及覆土回填。

由表3 可知，B 出入口和車站主體水平位移相差較小，新支護(hù)方案采用強(qiáng)支護(hù)和流態(tài)固化土回填，停車場(chǎng)基坑的水平約束能力增強(qiáng)。豎向位移差距大，距達(dá)2 mm，B出入口的變形為車站主體結(jié)構(gòu)變形的2倍，由于車站主體結(jié)構(gòu)距離基坑開(kāi)挖邊線有一定距離，B出入口豎向位移受降水引起基坑周邊土體固結(jié)沉降影響比主體結(jié)構(gòu)更加明顯。

表3 車站主體結(jié)構(gòu)與B出入口結(jié)構(gòu)位移最大值統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical of Maximum Displacement of Station Main Structure and B Entrance Structure

由圖10可知，新支護(hù)設(shè)計(jì)比原支護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)豎向和水平位移控制都得到提高，尤其體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)水平位移，由原來(lái)的3.40 mm 變?yōu)?.16 mm，水平變形為原來(lái)的63.5%，豎向位移由-2.76 mm 變?yōu)?1.88 mm，新方案豎向位移為原方案的68.0%。新支護(hù)設(shè)計(jì)方案支護(hù)單元2 采用灌注樁+混凝土支撐支護(hù)形式，較原采用放坡支護(hù)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變大，水平約束增強(qiáng)，新支護(hù)設(shè)計(jì)中基坑邊線距離地鐵車站結(jié)構(gòu)更遠(yuǎn)，對(duì)水平位移控制有利，地鐵結(jié)構(gòu)北側(cè)的土體水位升高，降低了地鐵結(jié)構(gòu)周邊土體固結(jié)沉降引起的地鐵結(jié)構(gòu)附加變形。

圖10 新舊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)地鐵結(jié)構(gòu)位移最值統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistical of Maximum Displacement of Subway Structure for New and Old Foundation Pit Support

3 結(jié)語(yǔ)

因地鐵車站由建設(shè)期變?yōu)檫\(yùn)營(yíng)期，原有基坑設(shè)計(jì)方案開(kāi)挖影響無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)期地鐵結(jié)構(gòu)變形控制要求，臨近地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，由原放坡開(kāi)挖方式變?yōu)楣嘧?混凝土支撐支護(hù)方案，采用數(shù)值分析手段進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)變形和滲流場(chǎng)分析。

⑴新支護(hù)方案提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和采用流態(tài)固化土回填，與停車場(chǎng)基坑近接的B 出入口和遠(yuǎn)離基坑的車站主體結(jié)構(gòu)水平位移基本一致，新支護(hù)方案水平變形控制能力提高明顯。

⑵新支護(hù)方案開(kāi)挖引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形減小，水平變形為原方案的63.5%，豎向位移為原方案的68.0%。

⑶富水砂層地層基坑，采用懸掛止水帷幕，坑外水位高于坑內(nèi)7 m，止水作用明顯，由于B 出入口與停車場(chǎng)基坑近接施工，B 出入口的豎向沉降為車站主體結(jié)構(gòu)的2倍，由降水導(dǎo)致的固結(jié)沉降明顯，止水效果為B出入口豎向沉降的控制關(guān)鍵點(diǎn)。