零距離“環(huán)抱”形基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車站軌向變形的影響分析

劉 書(shū)

上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200125

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷深入，城市地下空間得到廣泛的綜合開(kāi)發(fā)。為充分利用地下軌道交通的便利資源，地鐵車站越來(lái)越多地與周邊商業(yè)地下空間形成零距離相連，構(gòu)造出交通、商業(yè)交織的城市核心。而這些鄰近的基坑工程對(duì)地鐵車站的受力及變形影響是需要重點(diǎn)研究的。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于鄰近基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵影響的監(jiān)護(hù)及控制，包括數(shù)值模擬以及實(shí)測(cè)分析等方面的研究逐漸增多[1-7]。但主要集中在單個(gè)基坑或分坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵的影響，并且對(duì)地鐵車站的影響分析大多為二維橫向平面問(wèn)題，軌向變形特征的研究亦集中在地鐵區(qū)間隧道上。

地鐵車站寬度大多為20 m左右的軌向框架體系且體型細(xì)長(zhǎng)，其軌向不均勻變形嚴(yán)重影響到地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。零距離“環(huán)抱”基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車站軌向變形的影響分析則未見(jiàn)報(bào)道。

因此，本文以上海臨港新城軌道交通16號(hào)線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間）為背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究既有地下車站零距離“環(huán)抱”水平擴(kuò)建基坑開(kāi)挖過(guò)程中的豎向變形特性，并評(píng)估了工程實(shí)際中控制地鐵車站軌向不均勻變形措施的有效性。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海軌交16號(hào)線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間）位于臨港新城中心區(qū)一期建設(shè)區(qū)北部，北連臨港大道，南鄰滴水湖，環(huán)抱上海軌交16號(hào)線臨港新城站，基坑總平面約61 000 m2，如圖1所示。

圖1 基坑平面布置

軌交16號(hào)線臨港新城站為地下2層雙島式站臺(tái)車站，總凈長(zhǎng)324.80 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬36.38 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約18.60 m?！碍h(huán)抱”基坑開(kāi)挖深度約11 m，一側(cè)利用軌道交通車站的地下連續(xù)墻，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚600 mm地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置2道鋼筋混凝土支撐，明挖順筑法施工。

考慮到地鐵保護(hù)要求及地塊開(kāi)發(fā)計(jì)劃，采用分區(qū)對(duì)稱開(kāi)挖施工，運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)原理，化整為零，減小大基坑一次性大體量開(kāi)挖卸載對(duì)周邊環(huán)境造成的影響，如圖2所示。第一階段實(shí)施Ⅰ區(qū)基坑；第二階段同時(shí)實(shí)施Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)基坑；第三階段實(shí)施Ⅳ區(qū)基坑。

圖2 基坑開(kāi)挖分區(qū)

1.2 水位地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程擬建場(chǎng)地在所揭露的65.45 m深度范圍內(nèi)的地層主要由黏性土、粉性土、砂土組成，具體為：①填土、②3砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤3粉質(zhì)黏土、⑤4粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂，缺失上海地區(qū)常見(jiàn)的③、⑥層。其中⑦層中的承壓水為第一承壓含水層，承壓水位埋深為3.0～11.0 m。

2 三維數(shù)值模擬

三維有限元整體建模分析可較好地實(shí)現(xiàn)基坑分區(qū)開(kāi)挖的復(fù)雜工況模擬，也可求出地鐵車站的軌向變形等結(jié)果，彌補(bǔ)了常規(guī)桿系或二維有限元等分析方法的不足。

2.1 有限元模型

本計(jì)算中，在確定有限元模型尺寸時(shí)考慮了工程的影響范圍。模型模擬區(qū)域外擴(kuò)本工程場(chǎng)地200 m，土層厚度取100 m，共有44 030個(gè)單元。土體單元采用含有8個(gè)積分點(diǎn)的8節(jié)點(diǎn)六面體三維實(shí)體單元模擬，本構(gòu)采用修正摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則；車站梁、柱、抗拔樁以及混凝土支撐均采用一維梁?jiǎn)卧M；車站樓板及地下連續(xù)墻采用二維板單元模擬，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 工況模擬

根據(jù)工程實(shí)際工序，對(duì)計(jì)算工況和步驟的定義如下：

1）初始階段，地鐵車站已建（位移清零）。

2）Ⅰ區(qū)基坑地下連續(xù)墻、樁基施工，第一步開(kāi)挖。

3）Ⅰ區(qū)基坑架設(shè)第1道混凝土撐，第二步開(kāi)挖。

4）Ⅰ區(qū)基坑架設(shè)第2道混凝土撐，開(kāi)挖至坑底。

5）Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)基坑地下連續(xù)墻、樁基施工，第一步開(kāi)挖。

6）Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)基坑架設(shè)第1道混凝土撐，第二步開(kāi)挖。

7）Ⅱ區(qū)以及Ⅲ區(qū)基坑架設(shè)第2道混凝土撐，開(kāi)挖至坑底。

8）Ⅳ區(qū)基坑地下連續(xù)墻、樁基施工，第一步開(kāi)挖。

9）Ⅳ區(qū)基坑架設(shè)第1道混凝土撐，第二步開(kāi)挖。

10）Ⅳ區(qū)基坑架設(shè)第2道混凝土撐，開(kāi)挖至坑底。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 既有地鐵車站變形分析

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)由于分區(qū)分塊對(duì)稱開(kāi)挖，車站結(jié)構(gòu)的水平位移相比豎向位移可以忽略不計(jì)。豎向位移，特別是其軌向差異變形，嚴(yán)重影響到地鐵的正常運(yùn)營(yíng)及車站結(jié)構(gòu)的安全性能。各區(qū)基坑開(kāi)挖完成后車站底板隆起變形如圖4所示。

圖4 各區(qū)基坑開(kāi)挖完成后車站底板隆起變形

對(duì)圖4進(jìn)行分析，可以看出：

1）車站底板最大隆起值發(fā)生在與開(kāi)挖基坑緊連區(qū)域，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域則隆起值較小。一方面是因?yàn)橄噙B基坑的開(kāi)挖使該區(qū)域車站的地下連續(xù)墻喪失了部分側(cè)摩阻力，車站在地下水作用下有上浮趨勢(shì)；另一方面是因?yàn)榛拥拈_(kāi)挖引起土體位移場(chǎng)的改變是不均勻的，有隨與基坑的距離增大而減小的趨勢(shì)。這種不均勻變形也是車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力的直接原因。

2）雖然Ⅰ區(qū)基坑開(kāi)挖引起車站兩側(cè)區(qū)域的隆起值增量很大，但全部基坑開(kāi)挖完成后車站最大的隆起值卻發(fā)生在端部。這主要是由于地鐵車站的軌向框架體系以及體型細(xì)長(zhǎng)的尺寸效應(yīng)所引起的，無(wú)疑也是零距離“環(huán)抱”形基坑開(kāi)挖所引起車站豎向變形的獨(dú)特特征。

圖5為各工況下車站底板的隆起變形，可以看出：Ⅰ區(qū)基坑開(kāi)挖完成后，與基坑相連區(qū)域的最大隆起值為70.3 mm，沿線路中心線的最大隆起值為61.6 mm，最小隆起值為18.1 mm，最大差異變形為43.5 mm。Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)基坑同時(shí)開(kāi)挖完成后，與Ⅱ區(qū)基坑相連區(qū)域的最大隆起值由48.6 mm增加至95.1 mm，與Ⅲ區(qū)基坑相連區(qū)域的最大隆起值由18.1 mm增加至70.2 mm，沿線路中心線的最大隆起值為95.1 mm，最小隆起值為35.3 mm，最大差異變形為59.8 mm；Ⅳ區(qū)基坑開(kāi)挖完成后，由于Ⅰ區(qū)基坑的阻隔效應(yīng)，整個(gè)車站豎向隆起值僅有少量增加，沿線路中心線的最大隆起值增加至97.0 mm，最小隆起值為35.8 mm，最大差異變形為61.2 mm。

圖5 各工況車站底板隆起變形

而地鐵對(duì)運(yùn)營(yíng)、在建線路及結(jié)構(gòu)保護(hù)要求極其嚴(yán)格，最終絕對(duì)沉降（或隆起）值和水平位移值小于20 mm，軌向差異變形小于10 mm。因此，如不采取控制地鐵車站軌向不均勻變形的措施，則無(wú)法滿足對(duì)地鐵車站的保護(hù)要求。

3.2 控制軌向不均勻變形措施評(píng)估

為控制車站豎向位移及軌向差異變形，考慮采取如下措施：

1）僅在三處車站局部抬高區(qū)域設(shè)置抗拔工程樁。

2）沿車站軌向全長(zhǎng)設(shè)置抗拔工程樁，如圖6所示。

圖6 車站軌向抗拔工程樁方案

因此，本節(jié)針對(duì)不設(shè)樁、抬高區(qū)局部設(shè)樁、全長(zhǎng)設(shè)樁3種方案進(jìn)行對(duì)比分析。由上一節(jié)分析可知，車站最大豎向隆起及差異變形發(fā)生在Ⅳ區(qū)基坑開(kāi)挖完成后，故該階段3種方案的車站底板隆起變形如圖7所示。

圖7 3種方案的最終底板隆起變形

由圖可以看出：相比于不設(shè)樁方案的車站最大隆起值97.0 mm，沿線路中心線最大差異變形為61.2 mm，只在局部抬高區(qū)域設(shè)樁方案的車站最大隆起值減少至19.8 mm，沿線路中心線最大差異變形減少至9.7 mm。而全長(zhǎng)設(shè)樁方案的最大隆起值減少至18.4 mm，沿線路中心線最大差異變形減少至9.4 mm。即抬高區(qū)局部設(shè)樁和全長(zhǎng)設(shè)樁2種控制措施均可使車站滿足相鄰基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車站的保護(hù)要求，但綜合考慮到控制效果、施工造價(jià)及工期因素，最終工程實(shí)踐選擇了只在車站抬高區(qū)域局部設(shè)樁。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合上海軌交16號(hào)線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間），采用數(shù)值模擬方法對(duì)既有地下車站零距離“環(huán)抱”水平擴(kuò)建基坑開(kāi)挖過(guò)程中的軌向變形特性進(jìn)行了分析，并評(píng)估了工程實(shí)際中控制地鐵車站軌向不均勻變形措施的有效性，得到如下結(jié)論：

1）由于采用合理的分區(qū)分塊對(duì)稱開(kāi)挖方式，車站結(jié)構(gòu)的豎向位移明顯大于水平位移。因此，車站豎向位移，特別是其軌向差異變形可作為這類“環(huán)抱”形基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)之一。

2）基坑開(kāi)挖過(guò)程中，車站底板最大隆起值始終發(fā)生在與開(kāi)挖基坑緊密相連的區(qū)域，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域則隆起值較小。因此，建議在以后類似基坑的設(shè)計(jì)中可在與基坑緊密相連的區(qū)域增加設(shè)置與既有地下連續(xù)墻剛性連接的綁樁，以控制車站底板的最大隆起值及差異變形[7]。其次，全部基坑開(kāi)挖完成后，車站最大的隆起值卻發(fā)生在端部，這也是零距離“環(huán)抱”形基坑開(kāi)挖所引起的車站豎向變形的獨(dú)特特征。

3）隨著各工況基坑開(kāi)挖，車站豎向隆起及軌向差異變形均不斷增大，但Ⅳ區(qū)基坑開(kāi)挖時(shí)，由于Ⅰ區(qū)基坑的阻隔效應(yīng)，整個(gè)車站豎向隆起值僅有少量增加。這也驗(yàn)證了通過(guò)在緊連區(qū)域設(shè)置小基坑以隔離大基坑開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響的分隔式開(kāi)挖的有效性[8]。

4）通過(guò)對(duì)比分析不設(shè)樁、抬高區(qū)局部設(shè)樁、全長(zhǎng)設(shè)樁3種控制措施方案，可知僅在本工程車站抬高區(qū)局部設(shè)樁即可滿足地鐵車站的保護(hù)要求，驗(yàn)證了工程實(shí)踐中采用的技術(shù)措施的合理性。