近接基坑開挖對既有地鐵結構影響的數值模擬分析

張保存 ,董秀竹 ,鄭 剛

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142； 2.天津大學，天津 300072)

隨著城市軌道交通工程的建設發展,在既有地鐵線附近進行其他工程施工的情況將越來越多,且距離越來越近。為保證基坑施工期間的安全及既有結構的正常使用,必須對其相互影響進行分析并根據結果采取針對性措施。目前,國內一些學者對某些城市的地鐵近接工程施工影響進行了一定的研究[1～3],但對天津地區此類問題的分析尚不多見,以天津西站交通樞紐南廣場基坑工程為依托,研究天津地區近接基坑施工對既有地鐵結構的影響。

1 工程概況

天津西站交通樞紐南廣場地下工程位于天津西站主站房的南側,既有地鐵1號線西站站的西側,與西站站毗鄰。南廣場地面為景觀廣場,地下工程大部分為單層結構,局部二層、三層。根據天津市的總體規劃,在南廣場地下,地鐵1、4、6號線呈H形換乘,其中地鐵1號線為既有線,4、6號線為新建線。6號線西站站位于南廣場地下二層,呈東西走向,建成后與既有1號線結構打通；4號線西站站位于南廣場地下三層,呈南北走向,距1號線結構約150 m。南廣場地下結構建成后將與既有1號線西站站結構打通。

1號線西站站為地下一層結構,呈南北走向,2004年建設時為地鐵6號線預留了103 m結構,呈東西走向,與1號線呈十字交叉,為地下二層結構。1號線(單層結構)的圍護為φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁外加攪拌樁止水帷幕,長度約20 m；6號線(雙層結構)的圍護采用800 mm厚地下連續墻,深度約30 m,墻底處于地層⑥3粉土層,為承壓水含水層。

天津西站交通樞紐南廣場基坑工程變形保護等級為一級,根據建筑布置特點和結構埋深,設計為三階基坑。一階基坑深9.7 m,主體工程為南廣場地下停車場及公共換乘區工程,面積約6萬m2,采用明挖法施工,圍護結構為重力壩與地下連續墻組合；二階基坑主體工程為天津地鐵6號線西站站,呈條形,東西走向,基坑深8.8 m,總深18.5 m,寬21.3 m,采用明挖法施工,圍護結構為地下連續墻；三階基坑主體工程為地鐵4號線西站站,亦為條形,南北走向,基坑深16.5 m,總坑深26.2 m,基坑寬25.3 m,采用蓋挖逆作法施工,圍護結構為地下連續墻。

2 地質概況

本工程位于天津市紅橋區,子牙河與南運河之間,原地形為河流沖積平原,局部地勢低洼地段為洼淀,現經人工改造,場地地勢較平坦。本場地埋深約80.00 m以上,土層主要為填土層、粉土、粉砂、黏質粉土和粉質黏土。

天津地區地下水豐富,根據天津西站南、北廣場抽水試驗結果,本場地地下水主要分為潛水層和承壓水層。潛水含水層主要為人工填土層、全新統中組海相層(Q42m)砂性大粉質黏土(力學分層號④),以全新統下組陸相沖積層(Q41al)粉質黏土(力學分層號⑤)為相對隔水底板,初見水位埋深一般在1.40～2.50 m,靜止水位埋深一般在0.50～3.00 m。

第一層承壓水層力學分層號⑥1、⑥3,頂板分布尚穩定,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,根據現場抽水試驗觀測結果,該微承壓水靜止水位高程為0.00 m,以上更新統第三組陸相沖積層(Q3cal)黏土、粉質黏土(力學分層號⑦1)為相對隔水層。

第二層承壓水層力學分層號⑦2,頂板高程在-40 m左右,厚度一般為1.50～4.50 m,該承壓水靜止水位高程為-1.00 m,以⑦3層(粉質黏土和黏土)為相對隔水層。

3 南廣場基坑開挖對1號線車站的影響數值模擬分析

3.1 計算軟件

本文采用Plaxis對南廣場基坑開挖過程進行了二維模擬。

Plaxis是用于巖土工程的變形、穩定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。它計算功能強大、運算穩定、界面友好,是解決現在與未來復雜巖土工程問題的專業計算分析工具。

3.2 本構模型

本報告所采用的土體本構模型為高級雙曲線模型,即硬化土模型(Hardening-Soil Model)。該模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為的先進模型[4]。在主偏量加載下,土體的剛度下降,同時產生了不可逆的塑性應變。在一個排水三軸試驗的特殊情況下,觀察到軸向應變與偏差應力之間的關系可以很好地由雙曲線來逼近。這種模型使用的是塑性理論,而不是彈性理論；其次它考慮了土體的剪脹性；再次,它引入了屈服帽蓋。

3.3 計算模型

由南廣場基坑與地鐵1、6號線的相對位置關系圖,本文的相互影響分析主要針對下圖中的斷面1和斷面2。

斷面1截取位置如圖1所示,取基坑與地鐵1號線距離為25.0 m,基坑開挖深度9.7 m,地下連續墻厚度800 mm,連續墻深度為18.5 m,施工過程采用反壓土加鋼管撐方案。采取分步計算,結合實際施工工序,模擬分為5步：步驟1,建模并平衡地應力；步驟2,施作地下連續墻；步驟3,第一步開挖至坑底,并預留反壓土；步驟4,施作鋼管撐；步驟5,開挖反壓土。

圖1 斷面位置示意

斷面2截取位置如圖1所示,基坑與既有1號線緊鄰,基坑開挖總深度為18.5 m,加深處地下連續墻厚度為800 mm,連續墻深度為31.0 m,切斷⑥層承壓水層。施工過程采用反壓土加鋼管撐方案。結合具體施工工序,計算模擬分為7步：步驟1,建模并平衡地應力；步驟2,施作地連墻；步驟3,開挖至一級基坑坑底,并預留反壓土；步驟4,施作第1道鋼管撐；步驟5,開挖反壓土；步驟6,施作第2道鋼管撐；步驟7,開挖土體至二級基坑底。

3.4 計算結果與分析

本文對計算結果中的地層位移、圍護結構變形和1號線既有結構變形進行了提取分析,結果如下。

3.4.1 斷面1計算結果分析(圖2～圖7)

圖2 基坑開挖完成后地層水平位移云圖

圖3 基坑開挖完成后地層豎向位移云圖

圖4 地下連續墻水平位移曲線(max=65.5 mm)

圖5 坑外地表沉降曲線(max=49.7 mm)

圖6 地鐵1號線結構水平位移(max=3.7 mm)

圖7 地鐵1號線結構豎向位移(max=0.8 mm)

在斷面1處,基坑開挖邊界與既有1號線結構相距約25.0 m,由圖2、圖3可以看出,基坑開挖過程中,基坑外側地表水平位移由近及遠逐漸減小。地下連續墻最大水平位移為65.5 mm,至地鐵1號線結構處減小至3.7 mm；坑外土體沉降最大值發生在距地下連續墻4～8 m處,地表最大沉降值約5 cm,在地鐵1號線結構處最大豎向位移為0.8 mm。可見,基坑開挖對地鐵1號線的影響主要表現在水平位移,由于土體的開挖卸荷,使地鐵1號線的結構發生了整體的水平位移,其中最大的水平位移為3.7 mm,而開挖導致的地鐵1號線的豎向位移很小,可以忽略。

3.4.2 斷面2計算結果分析(圖8～圖14)

圖8 基坑開挖完成后水平位移云圖

圖9 基坑開挖完成后豎向位移云圖

圖10 地下連續墻水平位移曲線(max=20.5 mm)

圖11 地鐵6號線結構水平位移(max=14.8 mm)

圖13 地鐵1號線結構水平位移(max=14.6 mm)

圖14 地鐵1號線結構豎向位移(max=0.7 mm)

圖12 地鐵6號線結構豎向位移(max=7.3 mm)

由圖8～圖14可見,同斷面1的計算結果類似,基坑開挖對地鐵結構的影響也是主要表現在整體的水平移動,其最大的水平位移為14.8 mm,而開挖導致的地鐵6號線的豎向位移主要發生在緊鄰基坑的位置,并隨著與基坑距離的增大而迅速減小。

相比斷面1的計算結果,斷面2的地鐵1號線部分水平位移明顯大于前者,最大水平位移為14.6 mm,主要的原因在于斷面2 的基坑開挖深度大于斷面1的開挖深度,再者地鐵1號線結構與基坑緊鄰,使得基坑開挖導致的坑外土體的變形明顯大于前者,但由于本文采用的是平面應變分析,故斷面2的計算結果比實際工程要保守,夸大了地鐵6號線線路局部加深開挖對整個結構的影響。

4 結論

從上面計算結果可以看出,基坑開挖對既有地鐵1號線存在不利影響,其影響主要表現為水平位移,豎向位移很小,可以忽略。即嚴格按照設計進行施工,可以控制住既有地鐵1號線的變形,進而保證既有地鐵線的結構安全和運營安全。從現場施工監測數據看,計算結果與實際監測結果較吻合,進一步說明天津地區地鐵工程近接施工在措施得當情況下可以保證既有地鐵線的結構安全和運營安全。

[1] 孔慶凱,劉化圖.新建隧道穿越施工對既有雙線地鐵隧道的影響[J].地下空間與工程學報,2010,6(增刊):1448-1451,1460.

[2] 孔祥鵬,劉國彬,廖少明.明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響[J].巖石力學與工程學報,2001,23(5):821-825.

[3] 肖 宇,劉 慶,文 勇.南水北調工程下穿五棵松車站近接施工數值模擬[J].中國水運,2008,8(1):160-162

[4] 鄭向紅.北京地鐵深基坑工程對周圍環境的影響分析[J].鐵道標準設計，2008(12).

[5] 袁 竹，仇文革，龔 倫.小龍坎隧道受下穿區間隧道近接施工影響研究[J].鐵道標準設計，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.