地鐵站間臨近聯(lián)絡線基坑施工過程變形力學特性數(shù)值模擬

芮勇勤,于曉莎

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

伴隨著我國城市化進程的日益加快,地下空間的擁擠造成新建多層地下結構的安全性隱患越來越嚴重,可能造成基坑踢腳隆起、圍護變形、整體失穩(wěn)等問題,最終導致基坑塌陷、地表建筑物坍塌等事故[1-2],因此對鄰近既有地下建筑的基坑工程穩(wěn)定性研究已經(jīng)迫在眉睫[3-5]。

地鐵作為最常見地下建筑物,其基坑穩(wěn)定性正成為的一個重要研究課題[6],國內(nèi)外學者對此進行了廣泛研究:Y.S.SHEN等[7]通過分析地鐵車站施工因素,提出可以利用基坑綜合評價體系來進行地鐵站基坑施工安全指標性分析;L.Li等[8]考慮地鐵站附屬結構基坑開挖的施工風險,提出一種消除風險的控制方法并進行驗證;王立忠等[9]對地鐵深基坑倒塌機制進行了研究,證明采用MMSD上限分析法對于基坑安全分析是真實有效的;王志杰等[10]、馬乾瑛等[11]分析了基坑施工對鄰近既有地鐵站的影響,研究成果可應用于地下?lián)頂D區(qū)域基坑開挖問題的處理。

地鐵聯(lián)絡線是將樞紐內(nèi)的兩車站間相互銜接的線路,一般在車站基坑回填完成后開挖建設[12-13],是地鐵工程的重要組成部分。王彥洋等[14]通過考慮溫度梯度對使用凍結法施工的聯(lián)絡線工程進行研究,確定了相應的力學性能規(guī)律;何家成等[15]針對聯(lián)絡線開挖順序所造成的影響進行研究,得到了其最佳開挖工序。

綜上所述,國內(nèi)外對于地鐵基坑穩(wěn)定性研究主要集中在風險評估、溫度效應等方面,大部分以地鐵站基坑為研究對象,少數(shù)存在關于地鐵聯(lián)絡線的研究也是以溫度場及施工技術為主,而鮮有以聯(lián)絡線為研究主體對其力學性能展開分析?；诖?筆者通過模擬車站臨近地鐵聯(lián)絡線施工的全過程,定量地給出新建聯(lián)絡線工程各個安全性參數(shù),確定基坑最危險區(qū)域;筆者所得研究成果可為地鐵站附近配套工程的后續(xù)開發(fā)提供指導性建議。

1 工程背景及施工組織設計

1.1 工程概況

某地鐵站實際工程計劃在東北角設聯(lián)絡線將一、二號線連接,聯(lián)絡線長171.209 m,基坑工程長約171.2 m,寬約6.9 m,深約24～30 m,聯(lián)絡線選擇明挖順作法進行施工,選用多層矩形框架式車站主體,支撐體系為4道外徑600 mm、壁厚14 mm的鋼管和1道截面長×寬為1 000 mm×1 000 mm的鋼筋混凝土協(xié)同構成。為了確定多層車站的存在對臨近聯(lián)絡線穩(wěn)定性的影響,筆者選擇既有二號線車站與該聯(lián)絡線工程的東端連接區(qū)域(見圖1)作為研究對象進行分析,此區(qū)域地下空間較為擁擠,是本工程中受力最復雜且最易出現(xiàn)安全事故的位置。

圖1 地鐵站平面布置與聯(lián)絡線工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of the subway station and the connecting line project

1.2 工程施工設計

(1)施工安排

首先進行二號線基坑及主體結構的施工,施工完畢后再進行聯(lián)絡線工程施工。

(2)圍護結構施工

本聯(lián)絡線基坑通過沿基坑軸線設置1 000 mm厚地下連續(xù)墻進行圍護,豎向依次設置5道支撐保證基坑穩(wěn)定,選用剛性連續(xù)墻接頭使得相鄰槽段共同承受上部荷載,采用旋噴樁止水帷幕減少地下水滲入。

(3)聯(lián)絡線工程施工工藝

第一步:圍護結構施工,如圖2(a)所示。首先進行管線遷改及工程場平,并進行聯(lián)絡線基坑地下連續(xù)墻的設置及施工。

第二步:基坑開挖及支護施工,如圖2(b)所示。施工進行至第1道支撐設計標高下0.2 m時,進行第一道鋼筋混凝土支撐,之后開挖至第2～5道支撐下0.5 m時,依次架設剩余4道φ600鋼管支撐,最后開挖至離基坑底3 m處時,開始進行基底加固,隨即繼續(xù)開挖直至最終基坑面。

第三步:基坑底板及底部側墻施工,如圖2(c)所示。依次澆注聯(lián)絡線主體的基礎底板和下部側墻,同時拆除第5道支撐。

第四步:上部側墻及頂板施工,如圖2(d)所示。

第五步:基坑回填及道路恢復,如圖2(e)所示。逐步進行基坑的回填,并依次拆除4道支撐,進行道路鋪設后恢復路面交通。

圖2 聯(lián)絡線工程施工工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the construction process of the connecting line project

2 有限元建模及施工過程

運用Midas GTS3D軟件,建立地鐵站及聯(lián)絡線三維模型,對其力學特性進行數(shù)值模擬分析。假定模型中為均質材料,不考慮材料各向異性,各土層假定為線性均勻分布[18-19],考慮基坑降水引起滲流作用影響,不考慮基坑圍護施工對土體擾動影響,由勘測得出各土層深度及力學參數(shù)如表1所示。

2.1 建立有限元模型

地鐵車站聯(lián)絡線工程模型長×寬×高為126 m×28 m×44 m,選擇的本構模型為:線彈性模型(LE)混凝土結構、Mohr-Coulomb(MC)模型中砂和圓礫、節(jié)理巖石模型(JR)中風化泥質粉砂巖和微風化灰?guī)r、土體硬化模型(HS)雜填土和粉質黏土,由于本模擬需考慮小應變土體剛度,而HSS模型滿足上述條件并繼承HS模型的所有特性,故采用精度更高的HSS模型,具體參數(shù)見表2。

表1 各土層深度及力學參數(shù)表Table 1 Table of soil depth and mechanical parameters

表2 HSS模型本構參數(shù)表Table 2 The constitutive parameters of HSS model

有限元模型假設基坑周圍土體為變形連續(xù)體,基坑周圍土體單元設置為實體,聯(lián)絡線、車站框架及連續(xù)墻選用板單元進行模擬,利用梁單元模擬結構框架柱及設置在基坑內(nèi)的5道支撐。經(jīng)分析,可將此聯(lián)絡線模型周圍土體邊界條件設置為:頂面自由,底面完全固定,側面定義為各自方向的法向約束[9]。

2.2 施工過程模擬

根據(jù)二號線地鐵站實際施工工序,對地鐵站聯(lián)絡線的施工過程進行模擬,具體步驟如下。

工況1:進行二號線地鐵站深基坑土方開挖及基坑支護等工序的施工。

工況2:開展車站多層框架主體結構施工。

工況3:二號線地鐵站深基坑進行分層土方回填。

工況4:進行聯(lián)絡線深基坑開挖、支護結構及地下連續(xù)墻的施工。

工況5:聯(lián)絡線框架主體結構施工。

工況6:聯(lián)絡線基坑土體回填,基坑回填的同時逐次拆除各道支撐。

3 聯(lián)絡線工程力學特性分析

筆者研究既有車站對聯(lián)絡線施工的影響,選擇從聯(lián)絡線工程土體開挖支護到回填完成的施工過程(見工況4～6),具體研究分為的滲流特征和力學特性兩部分。

3.1 地下水滲流特征

為減少外界水體滲入,本聯(lián)絡線工程降水方案采用旋噴樁止水帷幕,根據(jù)勘查測得地下水位埋深為2.90～8.20 m,通過考慮最高地下水位埋深(2.90 m)來分析聯(lián)絡線基坑內(nèi)側降深引起的基坑滲流作用,繪制聯(lián)絡線基坑開挖至第1、3、5道支撐時降水示意圖如圖3所示。

圖3 地下水降水示意圖Fig.3 Schematic diagram of groundwater precipitation

由圖3可知,基坑開挖至第5道支撐時,地下水滲流達到最大值0.175 m·d-1,滲流效果不明顯,不影響工程施工過程中的安全性及穩(wěn)定性,說明該降水方案合理有效,在具體施工過程中可忽略地下水的滲流作用。

3.2 整體變形分析

聯(lián)絡線基坑土體回填完成時的總位移云如圖4所示。由圖可知:聯(lián)絡線背向車站方向連續(xù)墻附近土體位移變化較為明顯,最大值達到25.7 mm,接近規(guī)范位移限值,說明聯(lián)絡線工程施工對附近土體擾動影響較大,在施工過程中應增加此區(qū)域的變形監(jiān)測頻率及基坑監(jiān)測點位的布設。

圖4 聯(lián)絡線回填完成時的總位移云圖Fig.4 Cloud diagram of total displacement when backfilling of the connecting line is completed

分析圖4中土體位移矢量方向可以得出:車站周圍土體由于自重呈現(xiàn)下沉趨勢,并往聯(lián)絡線基坑中部方向擠壓;圍護結構根部也出現(xiàn)不可逆?zhèn)纫萍八苄宰冃?這是由于基坑開挖過程中產(chǎn)生懸空面,應力得到釋放,支護結構的周圍產(chǎn)生卸荷作用導致的,以上兩點最終導致車站周圍地表的沉降以及基坑中部土體的隆起。從豎向角度觀察車站周圍土體,發(fā)現(xiàn)在其地表處總位移最大,且隨著標高的降低,基坑周圍土體變形逐漸減小,這是由于車站和聯(lián)絡線地下連續(xù)墻的阻隔作用,導致土體位移無法有效傳遞,也使得地鐵站一側的土體變形相對較小,而聯(lián)絡線與二號線車站之間土體變形更加不明顯,由此說明二號線地鐵站的存在對臨近聯(lián)絡線工程的施工產(chǎn)生了有利的影響。

3.3 垂直位移分析

分析工況4～6完成時的車站周圍土體垂直位移特征,如圖5～圖7所示。由圖可知,三種工況施工完成時的地表沉降最大值分別為23.1、22.9和25.7 mm,規(guī)范要求聯(lián)絡線基坑最大沉降值為30 mm,本工程滿足設計要求。

圖5 聯(lián)絡線基坑開挖及圍護結構完成時的垂直位移云圖Fig.5 Cloud diagram of vertical displacement when the connecting line foundation pit excavation and construction of enclosure structure is completed

圖6 聯(lián)絡線主體施工完成時的垂直位移云圖Fig.6 Cloud diagram of vertical displacement when the main construction of the connecting line is completed

圖7 聯(lián)絡線回填完成時的垂直位移云圖Fig.7 Cloud diagram of vertical displacement when backfilling of the connecting line is completed

工況4完成時在車站及聯(lián)絡線相對背側位置地表附近土體沉降量較大,需要適當增加監(jiān)測頻率,并要著重對此區(qū)域的淺埋地下管線、地上建筑位移及傾斜度進行監(jiān)測。當聯(lián)絡線主體結構施工完成時,相比上一工況土體垂直位移變化較小,分布情況也基本一致;而當聯(lián)絡線頂部土體回填后,車站附近土體垂直位移明顯減小,而在聯(lián)絡線背離車站方向的土體沉降有小幅度增加,最多增加3 mm左右,進一步接近限值,因此在聯(lián)絡線施工完成時要繼續(xù)進行地表沉降的監(jiān)測直至土體達到穩(wěn)定狀態(tài)。

由前文分析可知,當工況6施工完成時,土體沉降已達25.7 mm,最接近規(guī)范限值,繪制此時各層土體的垂直位移曲線如圖8所示。首先從橫向上,發(fā)現(xiàn)土體垂直位移大致呈拋物線分布,在臨近基坑處由于墻體的阻隔使得沉降量較小,遠離基坑后土體沉降逐漸增大并在一定距離處達到最大值,而后繼續(xù)減小直至土體平穩(wěn);從縱向上看,下層土體垂直位移較小而上層土體位移較大,這是由于上層土體松軟受到擾動時易發(fā)生較大的沉降,在基坑設計施工時要充分考慮土體沉降規(guī)律,防止出現(xiàn)安全性事故。

圖8 聯(lián)絡線回填完成時各層土體垂直位移曲線Fig.8 Vertical displacement curve of each layer when backfilling of the connecting line is completed

3.4 水平位移分析

工況4～6完成時基坑周圍土體水平位移分布如圖9～圖11所示。發(fā)現(xiàn)三者的位移最大值分別為6.5 mm、6.1 mm和7.0 mm,均小于規(guī)范限值,不易產(chǎn)生明顯的地面裂縫。當聯(lián)絡線頂部土體回填完成后,聯(lián)絡線基坑一側土體水平位移較緊前工況有小幅增長,而在車站附近土體的水平位移卻有明顯減小,而水平位移峰值發(fā)生在與車站相連的聯(lián)絡線最外側連續(xù)墻附近處,施工時應特別加強此部位土體水平位移的監(jiān)測。

圖9 聯(lián)絡線基坑開挖及圍護結構完成時的水平位移云圖Fig.9 Cloud diagram of horizontal displacement when the connecting line foundation pit excavation and construction of enclosure structure is completed

圖10 聯(lián)絡線主體施工完成時的水平位移云圖Fig.10 Cloud diagram of horizontal displacement when the main construction of the connecting line is completed

圖11 聯(lián)絡線回填完成時的水平位移云圖Fig.11 Cloud diagram of horizontal displacement when backfilling of the connecting line is completed

繪制聯(lián)絡線基坑回填完成時各層土體的水平位移曲線如圖12所示。發(fā)現(xiàn)土體水平位移分布大致呈波浪狀,由地表至基坑底部各層土體的最大水平位移依次為4.6 mm、3.6 mm、1.9 mm、1.6 mm,從上到下逐漸減小,這與基坑土層垂直位移分布規(guī)律相同。

圖12 聯(lián)絡線回填完成時各層土體水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curve of each layer when backfilling of the connecting line is completed

3.5 樓板應力分析

聯(lián)絡線土體回填完成時樓板的應力特征云圖如圖13所示。將應力最危險區(qū)域截面定為截面2,著重對截面2處應力分布進行研究,并繪制此截面應力分布曲線圖,見圖14。

圖13 聯(lián)絡線回填完成時樓板最大主應力云圖Fig.13 Cloud diagram of floor maximum principal stress when backfilling of the connecting line is completed

圖14 截面2應力分布曲線Fig.14 Stress distribution curve of section 2

由圖13可知,聯(lián)絡線與二號線車站交界轉角處因土體壓力造成的應力集中較明顯,應通過改變配筋形式等方法改善此區(qū)域應力分布情況。由圖14可知，危險截面2處的頂板應力曲線分布呈波浪形,應力峰值產(chǎn)生在距左側壁3.5 m位置處,為1.3 MPa;截面2底板應力分布大致呈拋物線形,兩端應力較小而在中部區(qū)域應力較大,在跨中處應力達到峰值,為1.4 MPa。

聯(lián)絡線樓板混凝土等級為C35,根據(jù)計算樓板的主應力限值為18.72 MPa,而聯(lián)絡線頂板及底板最大主應力均小于此數(shù)值,因此本聯(lián)絡線工程樓板應力滿足要求。

3.6 樓板撓度分析

聯(lián)絡線土體回填完成時樓板的垂直位移如圖15所示,繪制聯(lián)絡線頂板及底板截面2處的撓度分布曲線見圖16,撓度值以向上為正。

圖15 聯(lián)絡線回填完成時樓板撓度云圖Fig.15 Cloud diagram of floor deflection when backfilling of the connecting line is completed

圖16 截面2撓度分布曲線Fig.16 Deflection distribution curve of section 2

由圖15、圖16可以得出:聯(lián)絡線頂板及底板跨中區(qū)域撓度值較大,與側壁的距離越近,樓板的撓度越小,在兩側壁處撓度值接近為0,在跨中處頂板及底板撓度達到最大值,分別為2.8 mm和7.5 mm。本工程樓板的計算跨度約為15.5 m,根據(jù)結構設計規(guī)范要求,計算跨度大于9 m的樓板撓度限值為l0/300,經(jīng)計算本聯(lián)絡線樓板撓度限值為51.7 mm,可看出聯(lián)絡線樓板實際撓度小于此值,因此聯(lián)絡線樓板撓度滿足規(guī)范要求。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為驗證模擬結論的可靠性,在聯(lián)絡線施工過程中進行實時監(jiān)測,監(jiān)測其地表沉降,分別設置24個監(jiān)測點,代號為DJ;監(jiān)測其墻體水平位移,分別設置24個監(jiān)測點,代號為QW。監(jiān)測點布置情況如圖17所示。

圖17 監(jiān)測點布置圖Fig.17 Layout drawing of monitoring points

4.1 地表沉降量

在地鐵站聯(lián)絡線兩側交錯選點用以驗證結論,每個監(jiān)測斷面選取最大地表沉降值,結果如圖18所示。由圖可以看出，地表的沉降隨時間的推移而逐漸趨于穩(wěn)定,而最大地表沉降值出現(xiàn)在監(jiān)測點DJ15的位置,為23.75 mm,與模擬結果相差小于10%。

圖18 地表沉降量Fig.18 Surface settlement

4.2 墻體水平位移

經(jīng)統(tǒng)計,本工程側壁墻體最大水平位移出現(xiàn)在QW18測點,繪制其監(jiān)測結果如圖19所示。由圖可以看出，在聯(lián)絡線基坑開挖前,墻體水平位移很小,而隨著開挖深度的逐漸增加,墻體的最大水平位移也逐漸增大,在5月達到最大值7.15 mm,與模擬結果7 mm相差小于5%。

圖19 QW18測點水平位移-深度關系Fig.19 Relationship between horizontal displacement and depth of QW18 measuring point

綜上所述,地鐵站聯(lián)絡線工程監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果相近,驗證了筆者所做研究模擬的可靠性,也為類似工程提供借鑒。

5 結 論

(1)由于二號線和聯(lián)絡線地下連續(xù)墻的阻隔作用,使得二號線地鐵站一側土體的變形相對較小,因此基坑監(jiān)測重心應放在聯(lián)絡線背向車站方向的連續(xù)墻附近土體上。

(2)隨著深度的增加,聯(lián)絡線基坑周圍土體的垂直和水平位移逐漸減小,地表附近土體受深基坑工程擾動影響最大。

(3)聯(lián)絡線與二號線地鐵站之間的土體變形很小,在聯(lián)絡線施工時,既有地鐵站可阻隔土體傳遞位移,并在一定程度上提高其在施工過程中的穩(wěn)定性。

(4)本聯(lián)絡線工程降水及施工方案合理,聯(lián)絡線施工過程中地表沉降、水平位移、樓板最大主應力和最大撓度指標滿足規(guī)范限值要求,能夠為類似工程提供參考價值。