TOD模式少支撐基坑對(duì)緊貼地下車站變形影響研究

陳春強(qiáng)

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510600）

0 引言

當(dāng)前TOD 開發(fā)模式在軌道交通地下站點(diǎn)周邊城市建設(shè)中逐漸成為主流，而TOD 開發(fā)多受政策、規(guī)劃及投資等因素影響，難以達(dá)到與站點(diǎn)同步實(shí)施。當(dāng)站點(diǎn)建設(shè)在先，后期開發(fā)項(xiàng)目勢(shì)必會(huì)對(duì)車站產(chǎn)生不利影響。在TOD開發(fā)模式下，基坑需緊貼既有地下車站開挖，常規(guī)多采用大型混凝土桁架強(qiáng)支撐方案［1-3］，車站結(jié)構(gòu)變形可控制在5 mm 之內(nèi)，小于安全控制值較多。采用強(qiáng)支撐方案雖可取得較好變形控制效果，但也存在強(qiáng)支撐的工程投資大、對(duì)后續(xù)施工影響大、不環(huán)保等問題。目前鮮有針對(duì)緊貼地下車站開挖少支撐基坑的案例研究，在滿足車站變形控制要求前提下，少支撐開挖可實(shí)現(xiàn)快速施工，經(jīng)濟(jì)節(jié)能，具有較高研究?jī)r(jià)值。

1 TOD基坑與緊貼地下車站關(guān)系

1.1 平面關(guān)系分析

從TOD開發(fā)理念上來說，開發(fā)項(xiàng)目與軌道站點(diǎn)距離越近，土地利用及乘客出行效率越高，更利于項(xiàng)目吸引客流，故理想的TOD 開發(fā)模式是，城軌車站單側(cè)位于開發(fā)地塊內(nèi)，并預(yù)留上蓋開發(fā)條件，在安全條件下，采取盡量縮減二者距離的開發(fā)策略［4］，如圖1所示。

圖1 TOD模式基坑緊貼地下車站平面Fig.1 TOD Mode Foundation Pit Close to the Underground Station Plan

位于地塊內(nèi)的地下車站，TOD 項(xiàng)目開發(fā)受到城軌運(yùn)營(yíng)安全等因素影響，常需保持5 m安全作業(yè)距離，當(dāng)采用完全緊貼開挖（即距離為0），可實(shí)現(xiàn)最大化利用土地資源。本文研究的緊貼開挖，主要針對(duì)車站單側(cè)位于TOD開發(fā)地塊內(nèi)，基坑距離車站不大于5 m情況。

1.2 豎向關(guān)系分析

城軌地下車站常見有地鐵及城際鐵路兩種類型，多為地下二層鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，基坑支護(hù)采用地連墻+內(nèi)支撐，軌道層位于負(fù)二層，城際鐵路車站埋深略大與地鐵車站。TOD 項(xiàng)目2 層地下室主要功能為商業(yè)或車庫(kù)，基坑深度一般約為11 m［5］，與城際鐵路車站中板基本持平。本文以城際地下車站為研究對(duì)象。

2 少支撐基坑支護(hù)方案選擇

宏觀上，基坑開挖對(duì)車站負(fù)一層影響大，對(duì)負(fù)二層及線路軌道影響相對(duì)較小。考慮到車站多采用地連墻等剛度較大擋土結(jié)構(gòu)，緊貼基坑支護(hù)方案可充分利用原有地連墻，并應(yīng)處理好因退距產(chǎn)生的中間有限土體。經(jīng)研究，主要有以下3種少支撐基坑支護(hù)方案，如圖2所示。

⑴方案1（反壓土+中心島支護(hù)）：無(wú)論二者之間有無(wú)退距要求，均可在靠近城軌車站預(yù)留反壓土臺(tái)，以控制城軌車站結(jié)構(gòu)變形。如需完全緊貼開挖（反壓土需后挖除），可采用中心島式支護(hù)方案，在原有地連墻與地下室結(jié)構(gòu)上設(shè)置少量較短支撐，形成反壓土+中心島支護(hù)方案。方案剖面如圖2?所示。

⑵方案2（多排墻支護(hù)）：當(dāng)城軌運(yùn)營(yíng)單位嚴(yán)格按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ T 202—2013》［6］外部作業(yè)凈距要求控制時(shí)，緊貼基坑一般需退距5 m，基坑需沿退距設(shè)地連墻等擋土結(jié)構(gòu)，可在車站地連墻與新增地連墻間設(shè)置連系梁形成雙排墻；當(dāng)貫通連系梁，則形成剛度更大的三排墻支擋結(jié)構(gòu)。方案剖面如圖2?所示。

⑶方案3（復(fù)合空間支護(hù)）：當(dāng)無(wú)退距要求，采用完全緊貼開挖時(shí)，利用原有城軌車站地連墻，并在墻頂設(shè)置連系梁。考慮到城軌地下車站為箱型框架結(jié)構(gòu)，具備較好抗側(cè)能力，最終二者疊加成為整體上厚度較大的復(fù)合空間支護(hù)結(jié)構(gòu)。方案剖面如圖2?所示。

3 城軌車站變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 車站結(jié)構(gòu)與軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

地鐵車站變形控制應(yīng)滿足《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-120—2017》［7］規(guī)定要求。城際鐵路車站變形控制應(yīng)滿足《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程：TB 10314—2021》［8］規(guī)定要求，軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)按高鐵標(biāo)準(zhǔn)，變形控制值如表1 所示，對(duì)比可見城際鐵路車站控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于地鐵車站。

3.2 車站結(jié)構(gòu)層間位移角控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑緊貼開挖造成車站結(jié)構(gòu)層間側(cè)向變形明顯，為保證車站結(jié)構(gòu)變形處于彈性階段，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）：GB 50011—2010》［9］對(duì)于框架結(jié)構(gòu)彈性位移角限值控制要求，增加車站結(jié)構(gòu)層間位移角θ≤［θe］=1/550 作為層間變形控制值。層間位移角可按式⑴計(jì)算：

式中：Ui為第i層樓層最大水平位移；Ui-1為第i-1 層樓層最大水平位移；h為樓層層高。

4 變形影響分析

4.1 分析模型

針對(duì)3 種基坑支護(hù)方案，根據(jù)支撐或連系梁的設(shè)置、考慮地層條件較好及較差兩種情況，形成12 個(gè)分析模型，基坑支護(hù)方案及模型分類見如表2所示。

表2 基坑支護(hù)方案及分析模型分類情況Tab.2 Classification of Foundation Pit Support Schemes and Analysis Models

主要結(jié)構(gòu)尺寸為：地連墻厚度1.0 m、側(cè)墻厚1.0 m、頂板厚0.8 m、底板厚1.0 m、中板厚0.4 m。多排墻方案，中間土體寬5.0 m。地層條件較差時(shí)，對(duì)反壓土、裙邊土及墻間土體采用攪拌樁加固處理，連系梁截面為0.8 m×1.0 m@6.0 m，地連墻嵌固深度為9.0 m。有限元分析模型及土層分布總體情況如圖3 所示，巖土本構(gòu)采用修正摩爾-庫(kù)倫模型?？紤]車站基坑施工地連墻變形開裂，造成剛度退化，將其彈性剛度按0.8折減［10］。受篇幅所限，土體參數(shù)省略。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite Element Models

4.2 變形影響分析結(jié)果

4.2.1 車站變形特性

車站結(jié)構(gòu)變形特性如圖4 所示。方案1 車站結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為弓形變形特性，最大變形發(fā)生在車站中板部位；方案2 和方案3 車站結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為典型的單側(cè)水平力作用下框架結(jié)構(gòu)剪切變形特性，最大變形位置發(fā)生在車站頂板部位，均表現(xiàn)為近基坑變形大、遠(yuǎn)離基坑變形?。卉囌镜装遑Q向變形近基坑表現(xiàn)為隆起、遠(yuǎn)離基坑表現(xiàn)為沉降特性。

圖4 車站結(jié)構(gòu)變形特性Fig.4 Deformation Characteristics of Station Structure

4.2.2 水平變形

車站結(jié)構(gòu)與軌道最大水平位移統(tǒng)計(jì)如圖5所示。軌道水平變形結(jié)果：方案1 與方案2 兩種地層的軌道水平變形均小于城際限值；方案3 因僅靠車站結(jié)構(gòu)自身剛度，整體偏弱，地層A時(shí)為2.05 mm，地層B時(shí)為2.42 mm，略超2 mm 城際變形控制值，但均小于地鐵軌道變形控制值。結(jié)構(gòu)水平變形結(jié)果：方案1 均可滿足要求；方案2、方案3 地層A 時(shí)，均可滿足要求，其中3-1A 模型最大值為9.86 mm，接近城際結(jié)構(gòu)控制值。方案2、方案3 地層B 時(shí)，最大水平變形均超過城際控制值，其中方案2 為14.07 mm（模型2-1B），接近地鐵結(jié)構(gòu)變形控制值要求；方案3 為26.07 mm（模型3-1B），遠(yuǎn)超城際與地鐵結(jié)構(gòu)變形控制值。

圖5 最大水平位移統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics on Maximum Horizontal Displacement

設(shè)置連系梁后，地層A 時(shí)，變形降幅較?。坏貙覤時(shí)，軌道變形有小幅減小，結(jié)構(gòu)變形降幅較明顯，最大減少3 mm（降幅12%）。

4.2.3 豎向變形

豎向變形最大值統(tǒng)計(jì)如圖6所示。軌道豎向變形結(jié)果：各方案的軌道沉降值處于0.3～1 mm范圍，均可滿足要求；方案1、方案2 軌道隆起變形最大值為1.9 mm（模型1-2B，出現(xiàn)在挖除反壓土臺(tái)工況），均小于控制值。方案3軌道隆起變形較大，超過城際控制值，但小于地鐵控制值。車站結(jié)構(gòu)變形結(jié)果：各方案變形均較小，遠(yuǎn)小于控制值要求。

圖6 最大豎向位移統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics on Maximum Vertical Displacement

4.2.4 層間位移角

最大層間位移角如圖7 所示。方案1 對(duì)結(jié)構(gòu)最大層間位移角控制效果最好，其次為方案2。地層較差時(shí)，方案3 最大層間位移角1/725＜1/550，結(jié)構(gòu)均處于彈性階段。

綜上所述，方案1設(shè)置反壓土對(duì)變形控制效果好，方案2 因TOD 基坑地連墻起隔離作用，效果次之；方案3變形控制效果較差。設(shè)置連系梁后變形均有不同程度減小，其中水平變形降幅大于豎向變形，較差地層時(shí)效果更明顯。水平變形由結(jié)構(gòu)變形控制，豎向變形由軌道變形控制，各方案適用情況統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 基坑支護(hù)方案適用情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on the Applicability of Foundation Pit Support Schemes

5 結(jié)論與建議

⑴整體變形控制效果，方案1＞方案2＞方案3，其中方案1 能適用于兩種地層條件，方案2 在地層較差時(shí)不適用于城際車站，方案3整體支護(hù)剛度偏弱，僅基本適用于地層條件較好的地鐵車站。

⑵方案1（模型1-2）挖除反壓土臺(tái)時(shí)，造成軌道隆起變形陡增，建議采取分層分塊挖除，以控制變形。

⑶設(shè)置連系梁能一定程度上提高整體剛度，減小水平變形，地層較差時(shí)效果更明顯。車站基坑第一道混凝土支撐建議保留，作為貫通連系梁使用，必要時(shí)可加強(qiáng)連系梁剛度。

⑷地層較差時(shí)，方案3車站結(jié)構(gòu)水平變形雖遠(yuǎn)超規(guī)范控制值，但其結(jié)構(gòu)層間位移角仍小于彈性位移角限值，基坑回填后，變形基本可恢復(fù)，車站結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。

⑸建議提前對(duì)反壓土、墻間土及裙邊土采用攪拌樁等加固措施，有利于車站基坑開挖，降低后期施工近接作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和加快TOD開發(fā)項(xiàng)目工期。