地鐵車站蓋挖施工對周邊建筑物變形影響分析

□文/時(shí)常悅

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵線網(wǎng)越來越密集，車站周邊環(huán)境亦愈發(fā)復(fù)雜，由于具有占用場地小、對地面交通和管線遷改影響小等特點(diǎn)，對于周邊建（構(gòu)）筑物較多、前期工程及施工場地受限的車站，研究蓋挖施工的安全性和對周邊建（構(gòu)）筑物變形控制效果具有一定意義[1]。

1 工程概況

某蓋挖施工地鐵車站北側(cè)為居民區(qū)，南側(cè)為學(xué)校，東側(cè)為引橋。引橋?qū)?6.1 m、高3.83 m，為重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，距大里程盾構(gòu)井6.0 m。見圖1。

圖1 蓋挖車站與引橋關(guān)系

2 施工對引橋變形影響

2.1 影響分析

車站地下三層，引橋鄰近大里程盾構(gòu)井處基坑深27.17 m。基坑豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)依次為φ800 mm×16 mm鋼支撐、頂板、中一板、中二板、1 000 mm×1 200 mm混凝土支撐以及底板。車站基坑施工時(shí)，開挖卸荷將會(huì)影響周邊土體應(yīng)力場，在主動(dòng)土壓力作用下，引橋?qū)a(chǎn)生一定的側(cè)向剪力和附加沉降，若差異沉降過大則會(huì)導(dǎo)致建筑損壞[2]。

2.2 有限元計(jì)算

將模型簡化，取引橋最高點(diǎn)作為計(jì)算高度來考慮大里程端盾構(gòu)井基坑開挖整個(gè)施工過程對引橋的影響[3]。

采用Midas GTS 建立整體二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取3～5倍基坑寬度、長195 m，Y軸方向取3～5 倍基坑深度、深100 m。模型計(jì)算采用四邊形單元，共劃分單元19 861個(gè)，節(jié)點(diǎn)19 741個(gè)。見圖2。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

基坑開挖范圍地層主要為①填土、④1-1黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑨2-4粉砂，有限元模型認(rèn)為各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)，因考慮到基坑開挖是一個(gè)相對短期的過程，未充分考慮固結(jié)[4]。

模型邊界條件：頂面為自由面，無約束；底面約束X、Y方向；側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

為準(zhǔn)確模擬基坑開挖對引橋的影響，動(dòng)態(tài)模擬施工過程的計(jì)算方法。分析中假定地下連續(xù)墻、水平支撐等結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，巖土體采用二維實(shí)體單元模擬，地下連續(xù)墻、鋼管柱、基礎(chǔ)樁、主體結(jié)構(gòu)板、鋼支撐、混凝土支撐采用梁單元模擬。

本構(gòu)模型為修正摩爾-庫倫模型，計(jì)算中基坑不分區(qū)域開挖，每層開挖一次性施作。

計(jì)算步驟：

1）平衡初始地應(yīng)力；

2）施工地下連續(xù)墻、鋼管柱、鋼管柱基礎(chǔ)樁；

3）開挖一層土，施作淺基坑鋼支撐；

4）開挖第二層土，施作主體結(jié)構(gòu)頂板；

5）開挖第三層土，施作主體結(jié)構(gòu)中一板；

6）開挖第四層土，施作主體結(jié)構(gòu)中二板；

7）開挖第五層土，施作中二板和底板間混凝土支撐；

8）開挖第六層土，施作主體結(jié)構(gòu)底板。

3 結(jié)果分析及施工控制

3.1 計(jì)算結(jié)果

各工況坑外沉降靠近基坑側(cè)較大，遠(yuǎn)離基坑側(cè)較小。見圖3-圖8。

引橋兩側(cè)控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移和水平位移統(tǒng)計(jì)，見表2。

圖3 開挖第一層土并架設(shè)鋼支撐后引橋豎向位移

圖4 開挖第二層土并施作結(jié)構(gòu)頂板后引橋豎向位移

圖5 開挖第三層土并施作結(jié)構(gòu)中一板后引橋豎向位移

圖6 開挖第四層土并施作結(jié)構(gòu)中二板后引橋豎向位移

圖7 開挖第五層土并施作混凝土支撐后引橋豎向位移

圖8 開挖第五層土并施作結(jié)構(gòu)底板后引橋豎向位移

表2 引橋兩側(cè)位移mm

續(xù)表2mm

由圖3-圖8 和表2 可以看出，施作淺基坑鋼支撐作為支護(hù)時(shí)引橋最大豎向位移5.223 mm，施作蓋挖頂板、中一板、中二板時(shí)最大豎向位移分別為4.670、4.598、5.527 mm，施作中二板和底板間混凝土支撐時(shí)最大豎向位移為6.201 mm，最后施作結(jié)構(gòu)底板時(shí)最大豎向位移6.332 mm?？梢娛椎冷撝渭爸卸搴偷装彘g混凝土支撐時(shí)引橋豎向位移均較大，而蓋挖結(jié)構(gòu)板作為支撐時(shí)最大豎向位移呈減小趨勢，最大水平位移亦呈減小趨勢。

由于蓋挖結(jié)構(gòu)板為一個(gè)整體構(gòu)件受力，較明挖法常用的鋼支撐和混凝土支撐等不連續(xù)構(gòu)件剛度要大得多[5]且在后續(xù)基坑開挖過程中蓋挖結(jié)構(gòu)板不會(huì)有應(yīng)力損失，因此，無論是有限元模擬計(jì)算還是理論分析蓋挖施工控制基坑周邊建筑物變形方面均比明挖法更具優(yōu)勢[6]。

3.2 蓋挖施工控制及保護(hù)措施

1）車站采用蓋挖半逆作法方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 200 mm地下連續(xù)墻，工字鋼剛性接頭。

2）蓋挖結(jié)構(gòu)板、車站頂板上鋼支撐（φ800 mm×16 mm），負(fù)三層混凝土支撐（1 000 mm×1 200 mm）作為水平支撐體系。主體結(jié)構(gòu)頂頂、中板利用地下連續(xù)墻和永臨結(jié)合鋼管混凝土柱（φ1 000 mm×25 mm）作為豎向支撐體系。鋼管混凝土柱下鋼筋混凝土灌注樁（兼做抗拔樁），樁徑2 200 mm，樁長40～45 m。

3）大里程端墻近引橋地下連續(xù)墻接縫處采用φ2.2 m 的RJP 樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)（縫外），每縫一根，120°擺噴，有效長度為地面下6 m至基底以下8 m。加固體的水泥土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，抗?jié)B系數(shù)≤1×10-7cm/s。

4 結(jié)論

根據(jù)理論與數(shù)值計(jì)算分析可知，車站主體基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工期間對引橋結(jié)構(gòu)變形、地表沉降的影響均在規(guī)范要求內(nèi)。表明蓋挖逆作法對控制開挖基坑鄰近建（構(gòu)）筑物變形沉降效果較好。因此，對于周邊建（構(gòu)）筑物有嚴(yán)格變形控制要求的車站基坑工程，可以考慮采用蓋挖逆作法施工。同時(shí)，施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，對沉降情況實(shí)施24 h 自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，保證工程和周邊環(huán)境安全。