鄭州地鐵T型換乘站后期施工基坑的支撐布置優(yōu)化

付大喜 張銘舉

(河南交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，450052，鄭州//第一作者，高級(jí)工程師)

鄭州地鐵多為明挖法施工，其車站換乘形式多為T型換乘。先期施工的車站預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)，待遠(yuǎn)期規(guī)劃車站實(shí)施后再接通換乘。減小后施工車站基坑開挖對(duì)已運(yùn)營車站結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，是T型換乘站后期基坑設(shè)計(jì)和施工的重難點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]根據(jù)二維有限元計(jì)算結(jié)果分析了明挖法后開挖基坑對(duì)運(yùn)營車站結(jié)構(gòu)變形的影響，指出水平位移為后期基坑開挖后換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的主要變形。文獻(xiàn)[2]建立三維有限元模型,研究了蓋挖逆作法基坑對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形的影響，指出蓋挖逆作法能有效控制基坑開挖對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形的影響。

本文采用現(xiàn)場監(jiān)測(cè)和三維數(shù)值分析結(jié)合的研究方法，以鄭州地鐵五一公園站為例，分析T型換乘站在后期車站明挖基坑開挖過程中，既有運(yùn)營車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，并論證取消水平斜撐優(yōu)化方案的可行性。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

五一公園站是鄭州地鐵1號(hào)線和5號(hào)線的換乘車站。其換乘關(guān)系如圖1所示。5號(hào)線車站為后施工車站，將與1號(hào)線車站預(yù)留的換乘節(jié)點(diǎn)接通，實(shí)現(xiàn)T型換乘。已運(yùn)營的1號(hào)線車站為雙柱三跨地下2層車站，局部換乘節(jié)點(diǎn)為地下3層，從頂板到底板的各層板厚依次為0.8 m、0.4 m、0.7 m及1.0 m，側(cè)墻厚度為0.6 m。 5號(hào)線為地下3層站，其底板埋深約23.1 m，與換乘節(jié)點(diǎn)底板底齊平。

圖1 五一公園站T型換乘關(guān)系示意圖

1.2 基坑圍護(hù)方案及難點(diǎn)

在1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)變形不影響正常運(yùn)營的前提下進(jìn)行5號(hào)線車站基坑的施工成為本工程的重難點(diǎn)。5號(hào)線五一公園站基坑采用明挖法施工，其圍護(hù)形式為鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐?；又尾贾萌鐖D2～3所示,自上而下共設(shè)置4道支撐。第1道為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，第2～4道為直徑800 mm、壁厚16 mm鋼管支撐。待5號(hào)線車站主體結(jié)構(gòu)建成后，將鑿除1號(hào)線車站預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)處的鉆孔樁和側(cè)墻，實(shí)現(xiàn)與1號(hào)線的接通。關(guān)鍵施工階段如表1所示。

圖2 五一公園站基坑支撐平面布置示意圖

圖3 五一公園站基坑支撐剖面布置示意圖

明挖法施工常在后期開挖基坑與換乘節(jié)點(diǎn)交接處設(shè)置多道水平斜撐。設(shè)計(jì)初衷在于平衡基坑開挖后換乘節(jié)點(diǎn)背基坑側(cè)的側(cè)向土壓，從而減小運(yùn)營車站的結(jié)構(gòu)變形。但是水平斜撐對(duì)結(jié)構(gòu)受力的利弊尚不明確，且斜撐一端撐在需鑿除的先期圍護(hù)樁上，不僅加大了施工難度，而且會(huì)延長工期和增加成本?？紤]到場地地質(zhì)條件較好，五一公園站工程取消了水平斜撐的架設(shè)，并對(duì)1號(hào)線既有運(yùn)營車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

表1 鄭州地鐵5號(hào)線五一公園站關(guān)鍵施工階段

1.3 工程地質(zhì)條件

車站場地屬于鄭州地質(zhì)分區(qū)B區(qū)地貌單元,即山前沖洪積緩傾平原。場地55 m以上地基土均屬第四系(Q)沉積地層，地層從上到下主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)、第四系中更新統(tǒng)坡洪積層(Q2dl+pl)。地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水?？辈炱陂g地下水穩(wěn)定水位埋深為30.2～31.4 m，位于基坑底以下。各地層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工程實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，1號(hào)線五一公園站車站結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在側(cè)墻及底板軌行區(qū)。主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。側(cè)墻上的測(cè)點(diǎn)沿深度方向均勻布置，軌行區(qū)底板的測(cè)點(diǎn)2—6沿線路方向均勻布置。

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)變形限制確定為：水平和豎向位移預(yù)警值為±5 mm，報(bào)警值為±10 mm。

圖4 主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 軌行區(qū)底板變形分析

對(duì)測(cè)點(diǎn)2～6提取監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到5號(hào)線五一公園站基坑開控期間各測(cè)點(diǎn)的位移情況,如圖5所示。

a) 底板測(cè)點(diǎn)水平位移

b) 底板測(cè)點(diǎn)豎向位移

由圖5可以看出，隨著基坑的開挖，軌行區(qū)底板的豎向和水平變形位移值均逐漸增加，且均小于±5 mm，符合規(guī)范要求。

隨著基坑的開挖，軌行區(qū)底板豎向變形表現(xiàn)為先下沉后上升，水平向變形表現(xiàn)為向基坑開挖側(cè)偏移，且水平位移變化幅度僅為豎向位移變化幅度的20%。分析可知，基坑開挖卸載導(dǎo)致坑底隆起[3-5]，是底板變形的主要影響因素。不架設(shè)水平斜撐的情況下，換乘節(jié)點(diǎn)自身剛度足以抵抗不平衡土壓的作用，僅產(chǎn)生微小的水平變形，鑿除換乘節(jié)點(diǎn)圍護(hù)樁和側(cè)墻后水平位移僅產(chǎn)生微小發(fā)展。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[1]采用二維有限元計(jì)算所得的既有結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)不同，可能是由于二維模型不能考慮基坑開挖的空間效應(yīng)[6]和地質(zhì)條件不同等原因所致。開挖1階段與開挖2階段的結(jié)構(gòu)變形量之和約占總變形量的50%。完成開挖2階段時(shí),基坑坑底標(biāo)高已經(jīng)低于1號(hào)線車站底板。此時(shí)結(jié)構(gòu)受到基坑開挖的擾動(dòng)最為明顯，建議施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.2 換乘節(jié)點(diǎn)側(cè)墻變形分析

右側(cè)墻為臨開挖側(cè)，代表測(cè)點(diǎn)為沿側(cè)墻深度布置的測(cè)點(diǎn)1。對(duì)測(cè)點(diǎn)1提取監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到測(cè)點(diǎn)在不同施工階段的豎向位移和水平位移(見圖6)。

a) 右側(cè)墻測(cè)點(diǎn)豎向位移

b) 右側(cè)墻測(cè)點(diǎn)水平位移

由圖6可以看出，隨著基坑的開挖，換乘節(jié)點(diǎn)臨開挖側(cè)的側(cè)墻豎向和水平變形位移值均逐漸增加，且均小于±5mm，符合規(guī)范要求。同一位置的豎向位移變化幅度大于水平位移，進(jìn)一步證明了換乘節(jié)點(diǎn)自身剛度足以抵抗不平衡土壓，不需設(shè)置水平斜撐。

4 有限元計(jì)算及分析

4.1 數(shù)值分析模型說明

本次模擬選用的修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，是在摩爾庫倫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，考慮了土體剪切硬化，更接近于塑性理論，能更好地模擬基坑開挖過程。

在Midas GTS NX軟件的三維建模中，巖土采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，圍護(hù)樁按剛度等效成地下連續(xù)墻采用2D板單元模擬，主體結(jié)構(gòu)板墻和梁柱分別采用2D板單元和1D梁單元模擬。根據(jù)基坑工程影響分區(qū)并考慮尺寸效應(yīng)，將模型尺寸確定為250 m×150 m×65 m。所建三維模型如圖7所示。

4.2 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)未架設(shè)水平斜撐的基坑施工工況進(jìn)行建模計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取具有代表性的側(cè)墻位移測(cè)點(diǎn)1和軌行區(qū)底板位移測(cè)點(diǎn)2～6在開挖4階段的數(shù)據(jù)，繪制位移曲線(如圖8～9所示)。

對(duì)比測(cè)點(diǎn)位移的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)，換乘節(jié)點(diǎn)底板和側(cè)墻的位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差較小，結(jié)構(gòu)的總體變形發(fā)展趨勢(shì)基本一致。這說明有限元數(shù)值計(jì)算選取的本構(gòu)、參數(shù)和計(jì)算方法是合理的，故其數(shù)值計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相互印證。由圖8～9還可發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值較實(shí)測(cè)值曲線更平緩。這可能是由計(jì)算中無法考慮的施工荷載、地面車輛及人為等因素所致。

a) 底板測(cè)點(diǎn)水平位移

b) 底板測(cè)點(diǎn)豎向位移

a) 右側(cè)測(cè)點(diǎn)墻水平位移

b) 右側(cè)測(cè)點(diǎn)墻豎向位移

5 結(jié)論與建議

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果，取消水平斜撐的基坑在開挖過程中，其換乘節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范限值要求，且豎向變形大于水平變形。這說明結(jié)構(gòu)變形主要是坑底隆起所致結(jié)構(gòu)上抬的豎向位移，即使鑿除換乘節(jié)點(diǎn)側(cè)墻結(jié)構(gòu)自身剛度依然足以抵抗基坑開挖引起的不平衡側(cè)向土壓力。故建議今后類似工程可取消水平斜撐，減小后期鑿樁、鑿墻難度，節(jié)省工期。

為減小坑底隆起引起的既有運(yùn)營車站豎向位移，應(yīng)優(yōu)化工籌安排。為減小地層卸荷量，后期新建車站應(yīng)分段開挖和施作，基坑開挖后應(yīng)盡快進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施作和基坑回填。