临江地铁车站的加固及沉降分析

廖 长 林

(海峡(福建)交通工程设计有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

地铁车站基坑开挖过程中虽然有围护结构及支撑支护但仍会造成周边地面沉降及水平位移。由于本站位靠闽江一侧在2007年发生过滑坡，采用抗滑桩加抗滑锚索进行加固，属于地质不利地带。因此分析研究临江地铁车站的沉降及水平位移对保证地铁车站基坑施工及运营的安全性具有重要实际意义。

地铁车站基坑开挖的分析研究主要集中在基坑稳定性研究[1]、对临近建(构)筑物的保护[2]、基底承压水处理[3]等，对于临江地铁车站基坑施工领域的分析研究较少，但工程中对于抗滑桩的相关研究较为丰富[4-8]。根据申永江、孙红月等对锚索双排桩与刚架双排桩的对比研究[9]，结果表明门架式双排桩前后两排桩内力分布差距较小，刚架双排桩能够更好地发挥抗滑效果，且具有抵抗力大桩顶位移小的特点。因此本工程对滑坡治理工程采用门架式双排桩进行加固设计。年廷凯等对双排抗滑桩加固边坡稳定性与荷载传递机制分析[10]，结果表明由于双排桩阴影效应的存在,导致后排桩的内力高于前排桩，因此本工程设计时对后排桩进行加长处理。另一方面则是要求施工时严格按照设计提供的施工步序图进行施工，严禁超挖。同时基坑开挖过程中加强对周边的监测，将施工对临近地层及靠江一侧的滑坡治理工程的扰动影响降到最低。

临江地铁车站基坑施工过程中存在的主要风险包括地面水平位移及沉降，原有滑坡治理工程的失效、江水与基坑连通等。本文以福州市轨道交通5号线一期工程(农林大学站)为背景在滑坡治理工程一侧的临江地铁车站基坑开挖建立数值模型，模拟分析了不加固及采用双排桩加固的方式对控制地表水平位移及沉降的作用。

1 工程概述

农林大学站位于上下店路道路下方，站中心沿上下店路跨福建农林大学校门口设置，为地下三层双柱三跨半盖挖岛式站台车站。外包总长168 m，标准段总宽22.1 m，车站埋深约23.4 m。车站西侧为福建农林大学及福建工业学校，东侧为闽江，闽江江堤距车站主体基坑线约17 m～36 m。车站主体基坑东侧存在往年滑坡治理工程。

本站采用半盖挖法施工。主体围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙+5道支撑的支撑体系，其中第一、三道支撑为800×1 000的混凝土支撑，间距6 m，第二、四、五道采用φ800(t=16)的钢支撑，间距3 m。

本站位东侧在2007年发生过滑坡，采用抗滑桩加抗滑锚索进行加固，治理后至今均处于稳定状态。抗滑桩为φ1 200@3 000，设计桩长15 m，桩底标高-7.5 m(罗零高程)；抗滑锚索总长25 m，锚固段长12 m，间距1.5 m，角度为30°，底标高-5 m，冠梁尺寸为1 200 mm×600 mm。抗滑桩中心距离车站主体基坑地下连续墙外皮23.3 m,抗滑锚索锚固端端底距离车站主体基坑地下连续墙2.25 m。

2 抗滑桩加固方案

借鉴杭州等城市采用双排桩进行滑坡加固处理的成功经验，本工程拟采用在原有抗滑桩与车站基坑之间新增一排抗滑桩然后与原有抗滑桩采用连梁连成整体形成抗双排桩的加固设计方案。新增抗滑桩采用φ1 200@3 000，设计桩长25 m，桩底标高-17.5 m(罗零高程)，新增抗滑桩冠梁尺寸为1 200 mm×1 000 mm，新增抗滑桩与原抗滑桩间距为4 m。为避开抗滑锚索，新增抗滑桩与原抗滑桩错开布置。

3 数值模拟计算建模

3.1 几何模型

计算模型底部约束竖直方向位移；模型两侧约束水平位移。

农林大学站与抗滑桩及抗滑锚索的位置关系计算模型见图1。

3.2 模拟方法

本工程加固为原有抗滑治理工程基础上进行加固，从治理至今已将近11年，期间未发生过二次滑坡，处于较稳定状态。因需要在抗滑桩工程西侧新建地铁车站，考虑到地铁车站基坑施工可能对抗滑桩治理工程产生扰动发生二次滑坡，因此采取提前加固的措施。在此前提下本文模型根据相关规范计算潜在滑裂面的滑坡力，将滑坡力等效成均布荷载加载于后排抗滑桩上进行模拟。

3.3 力学模型及参数选取

计算时，地层采用强化土模型；地下连续墙、抗滑桩、支撑采用弹性模型。

土层参数及荷载按以下原则选取：

1)粘聚力、内摩擦角、重度按岩土详勘报告中的物理力学指标进行设置；

土层参数力学参数如表1所示。

表1 土体力学参数

2)弹性模量按过往工程经验，按岩土详勘报告中土的压缩模量的两倍进行取值；

3)地面超载取20 kPa。

3.4 计算工况

模型中忽略构造应力将初始应力场视为土体自重应力场，只施加自重荷载、附加荷载、抗滑力荷载，在地下连续墙施工完土体处于平衡状态后位移清零。并假定在车站基坑开挖前，土体自重及相关荷载作用下的上覆土层固结沉降已完成。

为分析车站基坑在开挖与支护过程中抗滑桩一侧地面的沉降及水平位移的变化规律，在分析时，选取6个典型施工步。其中第1步施工步序为土方开挖至一道支撑中心线以下0.5 m，然后架设第一道支撑；第2步施工步序为土方开挖至第二道支撑中心线以下0.5 m，然后架设第二道支撑；依次类推，详见表2。计算在正常的施工条件下，车站基坑施工引起抗滑桩一侧地面沉降及水平位移的变形特征。

表2 数值模拟典型施工步一览表

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

4.1.1基坑开挖至坑底时水平及竖向位移

图2，图3为不采取加固措施基坑开挖时的水平及竖向位移云图；图4，图5为采取加固措施基坑开挖时的水平及竖向位移云图。

由图2和图3可以看出：不采取加固措施车站基坑开挖至基底后，基坑靠抗滑桩一侧竖向最大位移值为22.2 mm，水平最大位移值25.2 mm；由图4和图5可以看出：采取加固措施车站基坑开挖至基底后，基坑靠抗滑桩一侧竖向最大位移值为14.7 mm左右，水平最大位移值8.5 mm。由以上计算结果对比表可知：新增一排抗滑桩在打桩变形稳定后抗滑治理区域的水平及竖向位移比不新增抗滑桩的变形大为减小，由此可知新增一排抗滑桩能有效减小基坑开挖过程中原有抗滑桩区域的水平及竖向位移。采用双排桩加固增大了基坑的安全性。

4.1.2施工过程中水平及竖向位移特征

图6，图7为未采取加固措施和采取加固措施后车站基坑开挖水平及竖向位移曲线。

4.2 计算结果分析

根据图6，图7可知，不采取加固措施车站基坑开挖过程中，基坑靠抗滑桩一侧竖向最大位移值为45.1 mm，水平最大位移值25.7 mm；采取加固措施车站基坑开挖过程中，基坑靠抗滑桩一侧竖向最大位移值为29.9 mm左右，水平最大位移值8.8 mm。采用双排桩加固后基坑开挖满足车站基坑开挖时的变形要求。

根据基坑开挖地面水平及竖向位移变化曲线可知，基坑开挖在一次开挖机第二次开挖时水平位移变化量较大，然后逐渐稳定，主要是由于第一次及第二次开挖均在潜在滑裂面以上，土层性能较差，基坑开挖扰动对其影响较大，基底隆起较为明显；第三次开挖之后水平位移变化趋缓，竖向位移变小，竖向位移变小的原因主要是由于基坑内较差土层被挖除坑底隆起变小。

4.3 施工建议

根据以上数值分析结果，提出如下施工建议：

1)根据双排桩的特点，其自身具有一定的稳定性能够抵挡住一部分土的水平推力，原有抗滑锚索不截断，作为安全储备。

2)新增抗滑桩与原有抗滑桩连接应可靠。

3)施工前，检测验证原有滑坡治理工程是否有损坏，如有存在损坏情况，应及时进行加固处理。

5 结语

1)双排桩自身结构刚度大能有效控制地表的水平及竖向位移。

2)在原有滑坡治理工程处不采取加固措施时地铁车站基坑开挖对其影响较大，水平及竖向位移均较大，不满足一级基坑开挖时变形控制要求，基坑开挖风险大。

3)在原有抗滑桩基础上新增一排抗滑桩并与之连成整体形成双排桩加固后基坑开挖过程中的变形明显改善，地表变形控制在一级基坑变形允许范围之内，基坑开挖更安全。

4)潜在滑裂面以上基坑开挖时地表及基坑内水平及竖向位移变化较大，坑底隆起较明显，开挖至潜在滑裂面以下时土层条件变化坑底隆起较小，竖向及水平位移变化均趋缓。