新建基坑對鄰近在建地鐵車站結構的影響研究

邢崴崴

(南京地鐵建設有限責任公司， 江蘇 南京 210000)

目前，大多數(shù)淺埋地下工程采用明挖法施工，開挖中會對周邊土體的初始應力場產(chǎn)生擾動，當該擾動傳遞到鄰近地下結構時，可能誘發(fā)鄰近地下結構變形。針對基坑施工對坑外既有隧道產(chǎn)生的變形影響，鄭剛等利用土體小應變剛度特性有限元法，得到了基坑開挖過程中不同圍護結構變形模式和最大水平位移條件下鄰近既有隧道變形的影響區(qū)域。賈夫子等針對基坑開挖過程中鄰近既有地鐵車站與隧道區(qū)間不均勻沉降開展研究，得到了基坑開挖引起的地鐵車站和區(qū)間隧道沉降差與水平位移差的比值。胡海英等通過研究基坑開挖誘發(fā)的地層變形在周邊巖土體內(nèi)的傳遞路徑，得出了基坑開挖對鄰近隧道的作用并不是單一的卸載作用，有時會增加隧道圍壓的結論。左殿軍等通過數(shù)值模擬研究了基坑開挖對鄰近盾構隧道位移的影響，得出地表沉降、隧道位移隨基坑開挖深度增大而變大，且在基坑內(nèi)支撐間距離較大時，沉降與位移增加速率較大。魏綱研究了基坑開挖對下臥既有隧道豎向變形的影響，得到了計算隧道最大隆起值的經(jīng)驗公式。為分析基坑開挖對周圍管線的影響，謝雄耀等結合有限元數(shù)值分析方法和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出使用MJS工法進行土體加固具有良好效果。針對目前基坑開挖對鄰近隧道影響研究中存在的三維有限元建模復雜、耗時長的缺陷，張治國等提出了可用于基坑開挖對鄰近地鐵隧道縱向變形影響分析的理論方法。黃宏偉等采用有限元軟件對基坑開挖誘發(fā)下臥隧道變形開展研究，得出基坑開挖對下臥隧道影響區(qū)域約為6倍基坑寬度。文獻[9-11]研究了基坑開挖過程中鄰近既有隧道的變形和應力分布特征。上述研究主要針對新建基坑對已建成地鐵結構的影響，對新建基坑對在建地鐵車站影響的研究較少。該文以南京地鐵7號線在建永初路車站附近某新建基坑開挖工程為例，采用數(shù)值模擬技術，對基坑開挖過程中在建地鐵車站的變形進行模擬，分析基坑開挖對在建地鐵車站變形的影響。

1 工程概況

擬建阿里巴巴江蘇總部暨產(chǎn)業(yè)社區(qū)項目由A、B、C、D 4個地塊組成，其中擬建B1、C1基坑位于在建地鐵7號線永初路站—雨潤路站區(qū)間隧道兩側的地塊內(nèi)。永初路站為7號線第4座車站，位于友誼街北側，垂直于寧和城際永初路站布置。車站主體為地下3層島式車站，主體為三柱四跨箱形框架結構，西側附屬為單層箱形結構，主體與附屬之間不設變形縫。擬建B1基坑距離7號線永初路站北端頭井地下連續(xù)墻21.5 m，距離標準段地下連續(xù)墻25 m，距離7號出入口52 m，距離8號出入口15.2 m；擬建C1基坑距離7號線永初路站地下連續(xù)墻14.3 m，距離7號出入口16 m，距離8號出入口53 m。B1基坑標準段地下2層基坑深12.85 m，基坑面積27 228.6 m2，采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為基坑圍護結構；C1基坑標準段地下3層基坑深16.45 m，基坑面積18 870.3 m2，采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為基坑圍護結構。擬建B1、C1基坑與7號線永初路站及7號線永初路站—雨潤路站區(qū)間隧道的平面關系見圖1。

圖1 擬建B1、C1基坑與7號線車站的平面位置關系(單位：m)

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，擬建場地屬于長江漫灘地貌單元。根據(jù)地層成因及物理力學性質(zhì)差異，揭露的巖、土體自上而下劃分為5個大層、10個亞層：1)1雜填土，硬質(zhì)含量分布不均；素填土，稍密，以黏性土為主。2) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，以流塑為主，局部軟塑，具層理高壓縮性；粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉土，以稍密為主，局部中密，中等壓縮性；粉質(zhì)黏土夾粉砂，軟塑～流塑，呈千層餅狀，層理清晰，中等偏低干強度，中等偏低韌性，中高壓縮性。3) 粉細砂，以中密為主，中等壓縮性；粉細砂，以密實為主，中等偏低壓縮性。4) 中粗砂混卵礫石，密實，顆粒級配差，分選性差。5) 強風化粉砂質(zhì)泥巖，密實，巖芯風化嚴重，風化裂隙發(fā)育，巖芯質(zhì)量等級為Ⅴ級；中風化粉砂質(zhì)泥巖，巖芯風化層呈長短柱狀，巖體完整程度分類以較完整為主，巖石堅硬程度分類為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

擬建鉆探深度范圍內(nèi)，地下水類型主要為孔隙潛水、承壓水。其中孔隙潛水賦存于填土層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層淺土層中；承壓水主要賦存于粉砂類粉質(zhì)黏土和粉土層、中密粉細砂層、密實粉細砂層、中粗砂混卵礫石層中，富水性較好，這4層含水層的地下水相互連通，具有承壓性，設計時應考慮地下水的影響。B1、C1所在位置的土層參數(shù)見表1。

表1 土層力學參數(shù)

3 施工方案

基坑施工方案：基坑內(nèi)整體采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護形式；地段臨近地鐵側采用加厚地下連續(xù)墻；地段內(nèi)外側采用φ850@1 200三軸攪拌樁進行槽壁加固；基地采用三軸攪拌樁裙邊加固；C1地段地下連續(xù)墻的止水帷幕墻底進入強風化巖層不小于1.5 m。

地鐵車站及盾構區(qū)間施工方案：車站主體為地下3層島式車站，主體為三柱四跨箱形框架結構，西側附屬為單層箱形結構，主體與附屬之間不設變形縫；車站采用明挖順作法施工，車站附屬出口采用明挖順作法施工，區(qū)間采用外徑6.6 m、內(nèi)徑5.9 m的圓形單層襯砌斷面形式。

由于永初路站正在進行圍護結構施工，且地下連續(xù)墻已施工完畢，正在進行土方和支撐架設，結合其施工進度，綜合考慮B1、C1的建設時間節(jié)點，擬訂以下6種B1、C1基坑工況：工況1為施工B1、C1基坑150 m范圍外地下連續(xù)墻；永初路站標準段開挖1個月(開挖至第4道支撐)，北端頭井回筑完負二層板，南端頭井施工完成(初始狀態(tài)，位移置零)。工況2為施工B1、C1基坑150 m范圍內(nèi)第一部分地下連續(xù)墻；永初路站標準段開挖至坑底，北端頭井拆完支撐，還未澆筑頂板，南端頭井施工完成，施工區(qū)間兩側隔離樁、西側附屬及7、8號口圍護。工況3為施工B1、C1基坑1 150 m范圍內(nèi)第二部分地下連續(xù)墻；永初路站標準段回筑底板，南、北端頭井施工完成，7、8號口附屬開挖完成。工況4為B1、C1第1次開挖，架設第1道支撐；永初路站標準段回筑完負二層板，南、北端頭井施工完成，7、8號口拆除完支撐，施工完成底板側墻，頂板還未施工，左線盾構第1次掘進。工況5為B1、C1第2次開挖，架設第2道支撐；永初路站標準段拆完第4、5道支撐，一層中板還未回筑，7、8號口施工完成，西側附屬開挖到第2道支撐以下，架設第2道支撐，左線盾構第2次掘進，右線盾構第1次掘進。工況6為B1開挖至坑底設計標高，C1第3次開挖，架設第3道支撐；永初路站標準段拆除第2、3道支撐，頂板未回筑，西側附屬開挖至坑底設計標高，左線盾構第3次掘進，右線盾構第2次掘進。工況7為C1開挖至坑底設計標高；永初路站標準段施工完成，西側附屬底板澆筑完成，拆除支撐，頂板未澆筑，右線盾構第3次掘進。

4 新建基坑對地鐵結構影響的數(shù)值模擬

4.1 新建基坑周邊存在在建地鐵的三維數(shù)值模型

采用有限元軟件MIDAS GTS-NX分析B1、C1基坑各施工工況對在建地鐵7號線永初路站的影響。三維數(shù)值模型見圖2和圖3。

圖2 三維數(shù)值模型整體圖

圖3 擬建基坑與在建地鐵車站支護結構的三維數(shù)值模型

根據(jù)土體參數(shù)、地鐵施工設計方案和基坑開挖尺寸，建立長406 m×寬529 m×深74 m模型，其中寬為沿隧道延伸方向的長度；隧道管片采用外徑6.2 m、壁厚0.35 m的C50砼模擬；土體采用Mohr-Coulomb模型，模型中板、墻和圍護采用殼單元模擬，梁柱等采用梁單元模擬，臨時立柱和樁采用梁單元模擬?；娱_挖過程及結構施工過程中需進出各種施工機械，根據(jù)小型機械等參數(shù)及超載設計取值，選取超載值為20 kN/m2。永初路站—雨潤路站區(qū)間盾構掘進掌子面支護力為100 kN/m2。地鐵結構的材料參數(shù)見表2。

表2 地鐵結構的材料屬性

4.2 基坑開挖對在建地鐵結構影響分析

根據(jù)基坑開挖工序及地鐵開挖設計方案，模擬各工況下地鐵車站結構的變形，分析基坑開挖對在建地鐵結構的影響。限于篇幅，主要列出工況7下已施工完畢永初路站側墻的水平位移、豎向位移、彎矩和周邊地層豎向位移云圖(見圖4～7)。各工況下該站變形和彎矩見表3～5，地表沉降數(shù)值模擬結果與實測結果對比見表6。

表6 B1、C1基坑開挖誘發(fā)的地層變形模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比 mm

圖4 工況7下已施工完畢永初路站側墻的水平位移云圖(單位：m)

圖5 工況7下已施工完畢永初路站的豎向位移云圖(單位：m)

從表3～5可看出：1) B1、C1基坑開挖對永初路站變形影響較大。為確?；娱_挖過程中地鐵車站的施工安全，根據(jù)DGJ32/J 195-2015《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》中城市軌道結構安全控制指標，制定該項目施工過程中變形控制標準并與數(shù)值模擬結果進行對比。主體側墻最大水平位移增量為1.92 mm，7、8號口側墻最大水平位移增量分別為2.21、2.32 mm，西側附屬側墻最大水平位移增量為1.54 mm，均小于5 mm，滿足規(guī)范要求。此外，基坑開挖過程中永初路站底板豎向位移發(fā)生變化，其中7號口底板最大隆起增量最大，約為4.69mm，也小于5 mm，滿足規(guī)范要求。2) 基坑施工期間，車站主體側墻最大彎矩出現(xiàn)在南端頭井側墻處，且受基坑開挖的影響較小，各工況最大彎矩準永久值最大為1 843 kN·m。由于7號口爬坡段埋深較淺，側墻彎矩較小，最大彎矩為73.70 kN·m；8號口側墻最大彎矩為285.87 kN·m，西側附屬側墻彎矩為152.87 kN·m。各部位側墻尺寸和配筋均滿足要求。

圖6 工況7下已施工完畢永初路站標準段側墻的彎矩云圖(單位：kN·m)

圖7 工況7下永初路站周邊地層豎向位移云圖(單位：m)

表3 B1、C1基坑開挖誘發(fā)的永初路站側墻水平位移 mm

表4 B1、C1基坑開挖誘發(fā)的永初路站底板豎向位移 mm

表5 B1、C1基坑開挖誘發(fā)的永初路站側墻彎矩 kN·m

從表6可看出：4個測點沉降的數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果較接近，最大差值為19%。說明數(shù)值模擬結果可信，可為基坑開挖過程中地鐵車站變形規(guī)律研究提供可靠數(shù)據(jù)支持。

為更好地分析基坑開挖對地鐵車站的影響，構建不考慮基坑開挖情況下車站模型，分析不考慮基坑開挖情況下地鐵車站的位移并與考慮基坑開挖情況進行對比，結果見表7。

表7 考慮和不考慮B1、C1基坑開挖情況下地鐵車站變形對比 mm

從表7可看出：1) 不考慮基坑開挖情況下，車站最大水平位移為10.65 mm；考慮基坑開挖情況下，車站最大水平位移為3.85 mm。 B1、C1基坑開挖對在建地鐵車站水平變形的影響較大。這是因為B1、C1基坑正好位于車站兩側，基坑開挖相當于在車站兩側同時進行土壓力卸載。在水平土壓力減小的情況下，車站水平位移大幅減小。因此，基坑開挖情況下車站水平位移遠小于不考慮基坑開挖情況。2) 考慮與不考慮基坑開挖情況下，車站的豎向位移相差不大，基坑開挖對車站豎向位移的影響不大。

5 結論

(1) 在基坑開挖過程中，在建車站最大水平位移、車站底板最大豎向位移和車站主體側墻最大彎矩分別出現(xiàn)在8號口側墻、7號口底板和南端頭井側墻處。采用現(xiàn)有施工方案，基坑開挖過程中，在建地鐵車站關鍵控制點的變形均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)有施工方案可確保地鐵7號線永初路站的施工安全。

(2) 基坑開挖對在建地鐵車站水平位移的影響大于對豎向位移的影響。

(3) 為減小基坑開挖和地鐵施工之間的交互影響，建議在7號線區(qū)間隧道施工和B1、C1基坑地下連續(xù)墻開始施工前完成B1、C1基坑圍護結構與臨近7號線區(qū)間隧道兩側隔離樁施工。