近接基坑开挖对既有地铁结构影响的数值模拟分析

张保存 ,董秀竹 ,郑 刚

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142； 2.天津大学，天津 300072)

随着城市轨道交通工程的建设发展,在既有地铁线附近进行其他工程施工的情况将越来越多,且距离越来越近。为保证基坑施工期间的安全及既有结构的正常使用,必须对其相互影响进行分析并根据结果采取针对性措施。目前,国内一些学者对某些城市的地铁近接工程施工影响进行了一定的研究[1～3],但对天津地区此类问题的分析尚不多见,以天津西站交通枢纽南广场基坑工程为依托,研究天津地区近接基坑施工对既有地铁结构的影响。

1 工程概况

天津西站交通枢纽南广场地下工程位于天津西站主站房的南侧,既有地铁1号线西站站的西侧,与西站站毗邻。南广场地面为景观广场,地下工程大部分为单层结构,局部二层、三层。根据天津市的总体规划,在南广场地下,地铁1、4、6号线呈H形换乘,其中地铁1号线为既有线,4、6号线为新建线。6号线西站站位于南广场地下二层,呈东西走向,建成后与既有1号线结构打通；4号线西站站位于南广场地下三层,呈南北走向,距1号线结构约150 m。南广场地下结构建成后将与既有1号线西站站结构打通。

1号线西站站为地下一层结构,呈南北走向,2004年建设时为地铁6号线预留了103 m结构,呈东西走向,与1号线呈十字交叉,为地下二层结构。1号线(单层结构)的围护为φ800 mm@1 000 mm钻孔灌注桩外加搅拌桩止水帷幕,长度约20 m；6号线(双层结构)的围护采用800 mm厚地下连续墙,深度约30 m,墙底处于地层⑥3粉土层,为承压水含水层。

天津西站交通枢纽南广场基坑工程变形保护等级为一级,根据建筑布置特点和结构埋深,设计为三阶基坑。一阶基坑深9.7 m,主体工程为南广场地下停车场及公共换乘区工程,面积约6万m2,采用明挖法施工,围护结构为重力坝与地下连续墙组合；二阶基坑主体工程为天津地铁6号线西站站,呈条形,东西走向,基坑深8.8 m,总深18.5 m,宽21.3 m,采用明挖法施工,围护结构为地下连续墙；三阶基坑主体工程为地铁4号线西站站,亦为条形,南北走向,基坑深16.5 m,总坑深26.2 m,基坑宽25.3 m,采用盖挖逆作法施工,围护结构为地下连续墙。

2 地质概况

本工程位于天津市红桥区,子牙河与南运河之间,原地形为河流冲积平原,局部地势低洼地段为洼淀,现经人工改造,场地地势较平坦。本场地埋深约80.00 m以上,土层主要为填土层、粉土、粉砂、黏质粉土和粉质黏土。

天津地区地下水丰富,根据天津西站南、北广场抽水试验结果,本场地地下水主要分为潜水层和承压水层。潜水含水层主要为人工填土层、全新统中组海相层(Q42m)砂性大粉质黏土(力学分层号④),以全新统下组陆相冲积层(Q41al)粉质黏土(力学分层号⑤)为相对隔水底板,初见水位埋深一般在1.40～2.50 m,静止水位埋深一般在0.50～3.00 m。

第一层承压水层力学分层号⑥1、⑥3,顶板分布尚稳定,一般位于埋深21.00 m左右,底板埋深有一定起伏,一般介于31.00～33.50 m,厚度一般9.00～11.00 m,根据现场抽水试验观测结果,该微承压水静止水位高程为0.00 m,以上更新统第三组陆相冲积层(Q3cal)黏土、粉质黏土(力学分层号⑦1)为相对隔水层。

第二层承压水层力学分层号⑦2,顶板高程在-40 m左右,厚度一般为1.50～4.50 m,该承压水静止水位高程为-1.00 m,以⑦3层(粉质黏土和黏土)为相对隔水层。

3 南广场基坑开挖对1号线车站的影响数值模拟分析

3.1 计算软件

本文采用Plaxis对南广场基坑开挖过程进行了二维模拟。

Plaxis是用于岩土工程的变形、稳定性以及地下水渗流等问题的通用有限元系列软件。它计算功能强大、运算稳定、界面友好,是解决现在与未来复杂岩土工程问题的专业计算分析工具。

3.2 本构模型

本报告所采用的土体本构模型为高级双曲线模型,即硬化土模型(Hardening-Soil Model)。该模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型[4]。在主偏量加载下,土体的刚度下降,同时产生了不可逆的塑性应变。在一个排水三轴试验的特殊情况下,观察到轴向应变与偏差应力之间的关系可以很好地由双曲线来逼近。这种模型使用的是塑性理论,而不是弹性理论；其次它考虑了土体的剪胀性；再次,它引入了屈服帽盖。

3.3 计算模型

由南广场基坑与地铁1、6号线的相对位置关系图,本文的相互影响分析主要针对下图中的断面1和断面2。

断面1截取位置如图1所示,取基坑与地铁1号线距离为25.0 m,基坑开挖深度9.7 m,地下连续墙厚度800 mm,连续墙深度为18.5 m,施工过程采用反压土加钢管撑方案。采取分步计算,结合实际施工工序,模拟分为5步：步骤1,建模并平衡地应力；步骤2,施作地下连续墙；步骤3,第一步开挖至坑底,并预留反压土；步骤4,施作钢管撑；步骤5,开挖反压土。

图1 断面位置示意

断面2截取位置如图1所示,基坑与既有1号线紧邻,基坑开挖总深度为18.5 m,加深处地下连续墙厚度为800 mm,连续墙深度为31.0 m,切断⑥层承压水层。施工过程采用反压土加钢管撑方案。结合具体施工工序,计算模拟分为7步：步骤1,建模并平衡地应力；步骤2,施作地连墙；步骤3,开挖至一级基坑坑底,并预留反压土；步骤4,施作第1道钢管撑；步骤5,开挖反压土；步骤6,施作第2道钢管撑；步骤7,开挖土体至二级基坑底。

3.4 计算结果与分析

本文对计算结果中的地层位移、围护结构变形和1号线既有结构变形进行了提取分析,结果如下。

3.4.1 断面1计算结果分析(图2～图7)

图2 基坑开挖完成后地层水平位移云图

图3 基坑开挖完成后地层竖向位移云图

图4 地下连续墙水平位移曲线(max=65.5 mm)

图5 坑外地表沉降曲线(max=49.7 mm)

图6 地铁1号线结构水平位移(max=3.7 mm)

图7 地铁1号线结构竖向位移(max=0.8 mm)

在断面1处,基坑开挖边界与既有1号线结构相距约25.0 m,由图2、图3可以看出,基坑开挖过程中,基坑外侧地表水平位移由近及远逐渐减小。地下连续墙最大水平位移为65.5 mm,至地铁1号线结构处减小至3.7 mm；坑外土体沉降最大值发生在距地下连续墙4～8 m处,地表最大沉降值约5 cm,在地铁1号线结构处最大竖向位移为0.8 mm。可见,基坑开挖对地铁1号线的影响主要表现在水平位移,由于土体的开挖卸荷,使地铁1号线的结构发生了整体的水平位移,其中最大的水平位移为3.7 mm,而开挖导致的地铁1号线的竖向位移很小,可以忽略。

3.4.2 断面2计算结果分析(图8～图14)

图8 基坑开挖完成后水平位移云图

图9 基坑开挖完成后竖向位移云图

图10 地下连续墙水平位移曲线(max=20.5 mm)

图11 地铁6号线结构水平位移(max=14.8 mm)

图13 地铁1号线结构水平位移(max=14.6 mm)

图14 地铁1号线结构竖向位移(max=0.7 mm)

图12 地铁6号线结构竖向位移(max=7.3 mm)

由图8～图14可见,同断面1的计算结果类似,基坑开挖对地铁结构的影响也是主要表现在整体的水平移动,其最大的水平位移为14.8 mm,而开挖导致的地铁6号线的竖向位移主要发生在紧邻基坑的位置,并随着与基坑距离的增大而迅速减小。

相比断面1的计算结果,断面2的地铁1号线部分水平位移明显大于前者,最大水平位移为14.6 mm,主要的原因在于断面2 的基坑开挖深度大于断面1的开挖深度,再者地铁1号线结构与基坑紧邻,使得基坑开挖导致的坑外土体的变形明显大于前者,但由于本文采用的是平面应变分析,故断面2的计算结果比实际工程要保守,夸大了地铁6号线线路局部加深开挖对整个结构的影响。

4 结论

从上面计算结果可以看出,基坑开挖对既有地铁1号线存在不利影响,其影响主要表现为水平位移,竖向位移很小,可以忽略。即严格按照设计进行施工,可以控制住既有地铁1号线的变形,进而保证既有地铁线的结构安全和运营安全。从现场施工监测数据看,计算结果与实际监测结果较吻合,进一步说明天津地区地铁工程近接施工在措施得当情况下可以保证既有地铁线的结构安全和运营安全。

[1] 孔庆凯,刘化图.新建隧道穿越施工对既有双线地铁隧道的影响[J].地下空间与工程学报,2010,6(增刊):1448-1451,1460.

[2] 孔祥鹏,刘国彬,廖少明.明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响[J].岩石力学与工程学报,2001,23(5):821-825.

[3] 肖 宇,刘 庆,文 勇.南水北调工程下穿五棵松车站近接施工数值模拟[J].中国水运,2008,8(1):160-162

[4] 郑向红.北京地铁深基坑工程对周围环境的影响分析[J].铁道标准设计，2008(12).

[5] 袁 竹，仇文革，龚 伦.小龙坎隧道受下穿区间隧道近接施工影响研究[J].铁道标准设计，2009(12)：99-101.

[6] SCHANZ T, VERMEER P A, BONNIER P G. The Hardening Soil Modell-Formulation and Verification[C]∥Prodeedings Plaxis Symposium “Beyond 2000 in Comprtational Geotechnics”, Amsterdam. Rotterdam: Balkema, 1999：281-296.