地鐵車站施工對鄰近構(gòu)筑物安全影響分析與評價(jià)*

周利梅

(重慶電訊職業(yè)學(xué)院,重慶 402247)

1 引言

隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)張,導(dǎo)致地面道路交通狀況也越來越差,為了緩解地面交通設(shè)施壓力,越來越多的地鐵、隧洞被開發(fā)利用[1]。城市地鐵施工由于施工周期長且多處于城市繁華地帶而多以淺埋暗挖為主[2]。由于周邊環(huán)境復(fù)雜且有較密集的管線構(gòu)筑物等,地鐵施工會(huì)引起地表構(gòu)筑物產(chǎn)生不同程度沉降變形,大大威脅到地鐵施工以及地表構(gòu)筑物安全[3]。因此,當(dāng)?shù)罔F施工開挖時(shí)如何保證地表構(gòu)筑物的安全一直是諸多學(xué)者、專家關(guān)注的焦點(diǎn)。張永興、郭海柱、欒長青等[4-6]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)對圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行分析,得出地下支護(hù)與地表沉降的規(guī)律,提出了隧洞失穩(wěn)判定依據(jù)。朱才輝等[7]系統(tǒng)總結(jié)了各類地鐵誘發(fā)地表最大沉降量的公式以及適用范圍,為后續(xù)類似工程引發(fā)地表沉降的預(yù)測提供了科學(xué)參考。鞠鑫、蔣彪等[8-9]針對隧道盾構(gòu)施工對地表構(gòu)筑物變形影響展開研究并推導(dǎo)出地表變形公式,得出支護(hù)參數(shù)合理的取值范圍。陳甦、易領(lǐng)兵、葛大慶、徐慧宇等[10-13]利用數(shù)值分析軟件對城市地鐵施工對地表沉降的影響進(jìn)行數(shù)值分析。本文依托工程實(shí)例并利用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測兩種手段針對車站施工過程中主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對附近構(gòu)筑物影響展開分析。

2 工程概況及參數(shù)選擇

2.1 工程概況

某地鐵車站主體施工位置處于地面一公路和立交橋正下方,車站西側(cè)端頭位于該立交C匝道邊緣且距離C匝道橋中心線縱向距離約16.5 m,車站西側(cè)端頭距路面道路中線橫向距離約42 m;車站南側(cè)邊線距A匝道樁基最小水平橫向距離約4 m,車站拱頂距樁底最小豎直距離約為9 m。車站有效站臺中心里程為YDK44+540.217,起點(diǎn)里程為YDK44+418.217,終點(diǎn)里程為YDK44+627.217,全長209 m。車站隧道拱頂覆蓋地層大致為21 m。主體結(jié)構(gòu)外包尺寸為209 m(長)×22 .6 m(寬)。

該地鐵施工具有1個(gè)主要的風(fēng)險(xiǎn)工程點(diǎn),該風(fēng)險(xiǎn)工程點(diǎn)具體描述見表1。

2.2 結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)選擇

根據(jù)地勘資料,場地出露地層自上而下分別為第四系全新統(tǒng)人工填土和粉質(zhì)粘土,下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖和砂質(zhì)泥巖;主體隧道穿過Ⅳ級圍巖地區(qū),車站主體結(jié)構(gòu)所在地層主要為砂質(zhì)泥巖、砂巖互層;車站長209 m,車站隧道開挖施工支護(hù)參數(shù)如表2所示。依據(jù)場地巖土工程勘察報(bào)告中的巖石、土體材料力學(xué)參數(shù),并結(jié)合地鐵、公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,選取的圍巖物理、力學(xué)參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)如表3、表4所列。

表1 風(fēng)險(xiǎn)工程點(diǎn)

表2 支護(hù)參數(shù)表

表3 穿越地層地質(zhì)參數(shù)

3 安全影響分析

3.1 模型建立

本文采用Flac3D軟件進(jìn)行分析,該軟件運(yùn)用有限差分法在工程領(lǐng)域進(jìn)行精準(zhǔn)有效的分析,為諸多復(fù)雜條件下模擬分布開挖、非線性問題以及大變形、大應(yīng)變等有限元程序都無法模擬的難題提供幫助。如圖1所示為地鐵車站施工主要危險(xiǎn)點(diǎn)計(jì)算模型,其中取仰拱底中點(diǎn)為模型的中心點(diǎn)。豎直由下至上方向?yàn)閆正方向,模型底面取值為Z=-24 m而模型頂面取至地表處;隧道施工開挖前進(jìn)方向?yàn)閅負(fù)方向,Y向值取為Y=60 m,因臨時(shí)施工通道位于Y=24 m,故開挖起點(diǎn)為y=24 m;水平向右為X正向,結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙考慮隧道施工對地面構(gòu)筑物的影響范圍以及為排除邊界效應(yīng)對結(jié)果的干擾,模型左、右兩側(cè)分別取X=-51.3 m、X=51.3 m。本文土層采用Mole-Coulomb彈塑性模型并用三維六面體單元進(jìn)行模擬,初期支護(hù)、鋼支撐采用實(shí)體單元而二次襯砌采用梁單元且三者均采用彈性單元來模擬,錨桿運(yùn)用桿單元模擬。模型X=±51.3 m邊界約束水平位移而Z=-24 m邊界約束豎向位移,模型地表處道路路面全范圍施加方向向下的均布荷載10.5 kN/m2,根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)公路I級荷載取路面均布荷載10.5 kN/m2。

圖1 地鐵施工主要危險(xiǎn)點(diǎn)計(jì)算模型

3.2 施工過程模擬

該隧道拱頂距地面距離很小,施工開挖采用如圖2所示的左右兩側(cè)導(dǎo)坑施工與臺階法相配合的工法,支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)見表4。根據(jù)圖2所示的施工順序共分11步進(jìn)行開挖與支護(hù),其中施工第11步施作二次支護(hù)使襯砌結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。模型計(jì)算時(shí)按圖2所示施工工序以每3 m一個(gè)循環(huán)共取24 m進(jìn)行開挖與支護(hù),每一個(gè)循環(huán)分10小步共計(jì)80個(gè)小步。其中每一個(gè)循環(huán)開挖至第9步時(shí)認(rèn)為是隧道開挖至風(fēng)險(xiǎn)最大的步?jīng)r,此時(shí)隧道仰拱、二襯還沒有開始施工,但隧道內(nèi)部的臨時(shí)支護(hù)均已卸除。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)

圖2 地鐵車站施工工序圖

3.3 隧道開挖力學(xué)行為分析

3.3.1 地鐵車站開挖位移分析

表5、圖3為三個(gè)典型斷面分別為Y=2 m(第八循環(huán))、Y=11 m(隧道掘進(jìn)中間位置截面)、Y=20 m(初始掘進(jìn)循環(huán),與立交橋距離最近)不同開挖時(shí)步下位移特征值,圖4表達(dá)了隧道開挖第五循環(huán)施工9步時(shí)的全域豎向、水平位移變化特性,可以看出隧道在掘進(jìn)過程中拱頂位置處產(chǎn)生的豎向位移最大而兩側(cè)腰部位置產(chǎn)生的水平位移最大;由表5、圖3還可看出位移隨著隧洞不斷向前掘進(jìn)而逐漸增大但前期增長不明顯,位移大幅度增長主要集中在施工第9時(shí)步(最不利工況)完成后,其豎向、水平位移變化值占全部位移的90%以上,而二次襯砌施作后位移基本不再變化。

表5 典型斷面不同掘進(jìn)時(shí)步下全域位移特征值

從整體來看,施工完成后豎向位移變化最大處發(fā)生在斷面位置Y=2 m處隧道拱頂上方且其值為-7.18 mm,一直向上呈漏斗狀延伸約4 m高,此處對應(yīng)的路面沉降為-3.5 mm;水平位移變化最大處發(fā)生在隧道兩側(cè)腰部且值為2.64 mm,此時(shí)隧道施工收斂位移值為5.22 mm。

3.3.2 地鐵車站開挖應(yīng)力分析

圖5表達(dá)了隧道開挖進(jìn)行到第五個(gè)循環(huán)第9步時(shí)的最大、最小主應(yīng)力分布圖,圖6為開挖完成后計(jì)算區(qū)域圍巖塑性區(qū)發(fā)展圖,表7為不同開挖時(shí)步下各代表性斷面的最大、最小主應(yīng)力及剪切應(yīng)力量值。

圖3 斷面Y=20 m、Y=11 m、Y=2 m處豎向位移隨施工時(shí)步變化圖

圖4 第五循環(huán)y=11 m施工9步豎向(左)、水平(右)位移圖

圖5 第五循環(huán)y=11 m施工9步最大主應(yīng)力(左)、最小主應(yīng)力(右)示意圖

如圖5、表6所示,隧道開挖至第五循環(huán)第9時(shí)步時(shí)最大主應(yīng)力中最大受壓主應(yīng)力主要分布在隧道的拱腰位置,在隧道拱底位置產(chǎn)生了一小塊拉應(yīng)力區(qū)域。當(dāng)車站建成后該斷面位置的最大、最小主應(yīng)力分布與最不利狀態(tài)時(shí)發(fā)生了較大的變化,最大受壓大主應(yīng)力仍主要集中于隧道結(jié)構(gòu)拱腰位置,但其值有所增長(從1.0 MPa增長到1.11 MPa),最大受拉大主應(yīng)力主要分布于隧道拱頂及拱腳結(jié)構(gòu)外側(cè),但其值亦有所增長(從0.7 MPa增長到1.2 MPa);從最小主應(yīng)力圖來看,最小主應(yīng)力有明顯的向隧道襯砌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的趨勢,這樣的增長與二襯混凝土施作有直接關(guān)系,這是由于二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剛度與承載力足以支撐大部分荷載。

圖6顯示地下結(jié)構(gòu)開挖施工結(jié)束后,計(jì)算模型整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)兩大部分塑性區(qū)域,第一處位于隧道拱腰兩側(cè)正上方區(qū)域,尺寸大致為高7 m、寬10 m;第二處位于隧道拱底下方并呈條狀分布,其高度約為8 m。這兩塊塑性區(qū)幾乎是分部開挖進(jìn)行中產(chǎn)生屈服的,而在施工結(jié)束后整個(gè)區(qū)域幾乎沒有產(chǎn)生塑性屈服,僅在隧道拱腳位置出現(xiàn)一小塊面積的塑性區(qū)。由此可見,隧道在掘進(jìn)過程中對附近巖體的擾動(dòng)影響很小,整個(gè)巖體處于安全可控范圍中。

表6 典型挖掘時(shí)步下的圍巖特征值表

圖6 開挖結(jié)束后計(jì)算區(qū)域塑性分布圖

3.4 路面及立交樁基變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.4.1 變形控制指標(biāo)

綜合考慮本工程施工特點(diǎn)以及周邊道路通行要求,本文依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2012)、《公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)以及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1-2005)相關(guān)規(guī)定,選用變形控制指標(biāo)如下:開洞地基基礎(chǔ)附加沉降值限制取15 mm,傾斜控制仍采用基礎(chǔ)規(guī)范相關(guān)規(guī)定,為相鄰基礎(chǔ)沉降差0.002L,基礎(chǔ)沉降差控制量為5 mm;橋梁墩臺均勻總沉降值不大于2.0L,相鄰墩臺的不均勻沉降差不大于1‰。(注:L 為相鄰墩臺間最小跨徑長度,以m計(jì)?？鐝叫∮?5時(shí)仍以25計(jì)算。)

3.4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為觀測隧道掘進(jìn)對上方路面、立交的安全影響針對關(guān)鍵部位進(jìn)行了變形監(jiān)測。圖7為路面、立交橋樁基監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖,圖8、圖9分別為路面、立交橋樁基監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化圖,表7為路面、立交橋關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)豎向位移值。

圖7 路面、立交橋樁基主要監(jiān)控點(diǎn)布置圖

圖8 路面監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化圖

圖9 立交橋樁基監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化圖

圖8 、表7顯示,每次開挖后豎向位移都會(huì)出現(xiàn)突變,這與實(shí)際開挖卸荷后導(dǎo)致圍巖的變形相一致。隧道施工完畢后處于隧洞正上方路面形成的最終下沉值為3.15 mm,路面的沉降量大小與距離隧道遠(yuǎn)近成正比,距離隧道較遠(yuǎn)兩側(cè)路面的沉降差為0.07 mm,相對不均勻沉降比為0.01‰。圖9、表7顯示,隧道開挖完成后,立交橋樁基的最大沉降值為1.5 mm,位移沉降值相對較大的樁基有h23、h24、h13、h27,分別離車站開挖比較近?？傮w來說,車站施工時(shí)對臨近立交橋樁基的影響比較小,立交橋總體處于安全狀態(tài)。車站隧道拱頂部位變形最大且最大變形沉降值為5.73 mm,拱腰兩側(cè)位移上升但上升值不足1 mm,而隧道拱頂位置正上方路面為路面最大變形沉降處且變形值為3.15 mm,說明結(jié)構(gòu)整體沉降變形小,結(jié)構(gòu)以及上方路面處于安全范圍內(nèi)。

表7 路面、立交橋樁基監(jiān)測點(diǎn)豎向位移值

4 結(jié)論

本文依托工程實(shí)例并利用數(shù)值分析及現(xiàn)場檢測兩種手段針對車站施工過程中主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行安全影響分析,分析結(jié)果顯示,地鐵車站隧道掘進(jìn)施工對地表路面及附近立交等構(gòu)筑物安全影響較小,由于開挖施工所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移均在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍內(nèi),表明該工程在現(xiàn)設(shè)計(jì)施工方法、施工工藝、支護(hù)參數(shù)條件下進(jìn)行施工,以及后期建成運(yùn)營對地表周邊環(huán)境的影響較小,道路結(jié)構(gòu)和路面處于安全范圍內(nèi)。為降低地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)保證車站與周圍環(huán)境的安全與使用功能,應(yīng)提高地鐵車站施工安全標(biāo)準(zhǔn),針對既有通道、橋梁結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)編制專項(xiàng)施工組織方案,制訂監(jiān)控量測方案和應(yīng)急預(yù)案,保證地鐵結(jié)構(gòu)及基坑的安全。