基坑施工对紧邻地铁出入口影响分析

李瑞超

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

随着城市化进程的不断加快,地铁作为解决城市交通拥堵的主要手段也随着迅猛发展,不少城市地铁线网逐渐成型,在地铁线网的存在下,后续民建、市政等新建工程不可避免与地铁存在邻近和穿越关系,其中基坑邻近地铁结构便是其中最为普遍的一种。基坑施工对周围土体造成扰动,从而会引起邻近的地铁车站或隧道结构的位移和变形,给地铁安全产生影响[1-2]。因此,在基坑施工时要采取各种手段,综合评估基坑施工对地铁结构的影响,采取针对性的施工控制措施,保证地铁安全。目前针对基坑施工对地铁出入口的影响研究,近年来主要有:唐鹏军[3]以数值分析手段对邻近地铁出入口深基坑支护方案进行了研究及优化,作者认为深基坑施工应遵循分层、限时和先支护后开挖原则,同时以合理的施工组织和严格的现场监测,保证地铁出入口结构安全;宫本福[4]采用数值手段分析了是否考虑既有地铁围护结构的2种工况下新建基坑对既有地铁出入口结构的变形影响,认为围护结构对于出入口变形控制有利;张鹏[5]分析了基坑开挖施工中临近车站出入口结构的位移变化规律,研究认为出入口水平位移随开挖深度的增加逐渐变大,竖向位移在结构顶部远离和靠近基坑侧变化情况不同,靠近基坑侧出入口顶部随着基坑开挖持续增大,远离基坑侧出入口顶部位移有先上升后下降的变化趋势;闫磊[6]以数值手段分析基坑施工过程对地铁出入口结构的变形及内力影响,研究显示出入口变形主要集中于结构临近基坑侧出地面位置。

本文依托合肥某邻近地铁的商业中心基坑工程,建立了基坑与地铁出入口结构的三维有限元模型,分析了基坑开挖、地下室施工及上部建筑物施工3个主要施工阶段下出入口结构位移情况。

1 工程概况

合肥市蜀山区长江西路634号地块项目位于长江西路与怀宁路交叉口(东北角)。项目地块总体呈长方形,外围周长约558 m,长约187.0 m,宽约96.0 m,项目占地面积约17 842 m2。项目与轨道交通2号线十里庙站及A号出入口临近。拟建地下室外墙轮廓线与A出入口结构外边缘线最近处为1.91 m,部分地下室进入轨道交通10 m严格保护区内。

地块里主要包含两栋塔楼及裙房:地块南侧塔楼为酒店,共22F—23F,高95.10 m～98.80 m;北侧塔楼为公寓,共18F—19F,高81.80 m～85.70 m;裙房为酒店大堂及宴会厅,5F—6F,高度约28.10 m～33.82 m。建筑物采用筏板基础,基础在⑩3中等风化岩上,天然地基。

2 基坑围护结构设计

基坑整体采用排桩+内支撑支护方案,支护具体形式如下:

A-C/D-E段:基坑上部结合原有挡墙采用格构框架梁+钢管斜撑方案开挖至标高约28.0 m处,下部采用钻孔灌注桩+两道混凝土内支撑方案,钻孔桩φ1 000@1 600 mm,桩长约22.0 m。

J-A/C-D段:基坑上部利用原有挡墙开挖至标高约28.0 m处,下部采用钻孔灌注桩+两道混凝土内支撑方案,钻孔桩φ1 000@1 600 mm,桩长约22.0 m。

邻近地铁侧的基坑支护断面(E-G段和G-J段)如图1所示。

E-G段:基坑上部采用一级放坡,放坡至26.5 m左右,坡比为1∶1.0。下部采用钻孔灌注桩+两道混凝土内支撑方案,钻孔桩φ1 000@1 600 mm/1 400 mm,桩长约19.5 m～22.0 m。

G-J段:基坑上部采用一级放坡,开挖至25.5 m左右,坡比为1∶1.0,并设置钢管土钉φ48×3.0@1 300 mm,土钉长度约4.5 m。下部采用钻孔灌注桩+两道混凝土内支撑方案,钻孔桩φ1 000@1 800 mm,桩长约18.5 m。

3 数值计算

3.1 模型概况

三维数值计算模型如图2所示,模型中基坑与地铁出入口相对位置关系如图3所示。模型的计算范围为202 m×121 m×38 m,模型单元数93 251,节点数81 531。其中,土体模型采用三维块体单元模拟,楼板、侧墙、围护桩等采用板单元模拟;梁、柱、支撑等采用梁单元模拟。模型地基两侧约束水平位移,底部约束竖向位移。

模型中主要采用C30,C35两种混凝土模拟基坑及地铁出入口结构,其中钻孔灌注桩(围护)、冠梁、腰梁、支撑采用C30混凝土模拟,A出入口敞开段结构(顶板、底板、侧墙)、暗挖1段结构、暗挖2段结构、地下室底板、-1层板、-2层板、地下室顶板及外墙等均采用C35混凝土模拟,其中敞开段、暗挖1段、暗挖2段的示意图如图4所示,岩土体计算参数列于表1中。

表1 土体计算参数表

3.2 施工步设置

模拟施工步共有10步,具体设置如下:1)初始地应力场分析,位移清零;2)A出入口施工,位移清零;3)围护桩及立柱桩施工;4)基坑开挖至第一道支撑底;5)施工第一道支撑,基坑开挖至第二道支撑底;6)施工第二道支撑,基坑开挖至坑底;7)施工地下室3层,拆除第二道支撑;8)施工地下室2层,拆除第一道支撑;9)施工地下室1层;10)施加上部建筑物荷载。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 敞开段位移

当上部建筑荷载施加完成后,出入口结构敞开段水平位移及竖向位移云图如图5所示。结合施工过程中出入口结构敞开段位移变化情况可知:1)基坑施工至坑底时,敞开段X向水平位移、Y向水平位移、竖向位移最大值分别为0.5 mm,4.3 mm,-0.8 mm,敞开段位移随着基坑开挖深度的增加逐渐增大,Y向水平位移远大于其他方向位移,即主要向基坑方向移动;2)地下室施工完成后,敞开段X向水平位移、Y向水平位移、竖向位移最大值分别为0.6 mm,6.1 mm,-1.3 mm,相对于开挖阶段,Y向水平位移增幅大于其他方向位移,即地下室施工对敞开段Y向水平位移影响仍然较大;3)施加上部建筑物荷载后,敞开段三向位移有所增大,但变化幅度很小,上部建筑物施工对出入口敞开段产生的影响小。

3.3.2 暗挖段位移

由于空间位置关系,暗挖2段距离基坑比暗挖1段远,受基坑开挖影响小,数值分析结果也验证了这一结果。当上部建筑荷载施加完成后,出入口结构暗挖1段水平位移及竖向位移云图如图6所示。

结合施工过程中出入口结构暗挖1段位移变化情况可知:1)基坑施工至坑底时,暗挖1段的X向水平位移、Y向水平位移、竖向位移最大值分别为0.4 mm,0.6 mm,0.5 mm,三向位移差异较小。其中暗挖1段Y向水平位移远小于敞开段,原因是距离基坑较远,施工效应影响小;2)地下室施工完成后,暗挖1段X向水平位移、Y向水平位移、竖向位移最大值分别为0.5 mm,0.8 mm,0.5 mm,相对于基坑开挖阶段位移变化不明显;3)施加上部建筑物荷载后,暗挖1段三向位移在0.1 mm内变化,上部建筑物施工对出入口结构暗挖段非常小。

3.4 位移控制效果

综合考虑项目实际情况,根据《合肥市轨道交通条例》要求,参考《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中的要求,提出基坑工程对轨道交通影响安全性评价报告的计算分析控制标准,A出入口结构水平位移、竖向位移的控制值为10 mm。

不同工况下出入口结构位移计算结果列于表2中,基坑及结构施工过程中,出入口结构最大水平位移为6.3 mm,最大竖向位移为1.5 mm,出入口结构位移均在控制标准内,但已超控制值的60%,因此,在实际施工过程中,需要对水平位移加强监测,及时进行施工调整,从而达到信息化控制的目的。

表2 不同工况下出入口结构位移计算结果 mm

3.5 裂缝验算

对于明挖段,各工况最大弯矩184×1.5 kN·m,配筋E25@250,配筋面积3 273 mm2,最大裂缝宽度0.054 mm;对于暗挖1段,各工况最大弯矩81.3×1.5 kN·m,配筋E22@100,配筋面积3 801 mm2,最大裂缝宽度0.062 mm;对于暗挖2段,各工况最大弯矩190.1×1.5 kN·m,配筋E25@100,配筋面积为4 909 mm2,最大裂缝宽度0.061 mm。根据结构抗裂验算结果,基坑及结构施工对出入口结构影响较小,各工况下裂缝控制均满足规范要求。

4 结语

建立了临近地铁出入口的深基坑施工的三维有限元模型,基于数值分析结果,分析了不同位置处出入口位移变化规律,研究结论如下:

1)地铁出入口结构敞开段和暗挖段水平位移和竖向位移及裂缝均满足控制标准,表明紧贴的基坑及结构施工对地铁的影响处于可控状态,但安全余量不足,因此需加强信息化监测,并及时反馈现场施工。2)敞开段受基坑及结构施工影响最为明显,基坑开挖、地下室施工引起的出入口敞开段Y向水平位移占总位移的68.25%和28.57%,基坑开挖是出入口位移控制的关键阶段。3)出入口敞开段位移呈现层状分布状态,越靠近地表的位置上位移越大。因此敞开段的位移监测布置建议结合位移分布特征适当加密测点。