地鐵車站蓋挖施工對(duì)圍護(hù)樁及鄰近高架橋墩的影響

高文華

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 100000）

目前，地鐵車站的建設(shè)正與城市建設(shè)同步進(jìn)行中。車站基坑往往鄰近高層、超高層建筑以及高架橋等重要建筑物，基坑開(kāi)挖將影響地表以下既有管道的正常使用，阻礙交通正常運(yùn)行等問(wèn)題。所以，地鐵車站的開(kāi)挖施工將對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生重要影響。如何在車站基坑施工過(guò)程中保證周邊環(huán)境的安全以及公共基礎(chǔ)設(shè)備正常使用是整個(gè)建設(shè)工程的重要保證。

在車站開(kāi)挖引起鄰近建筑變形及控制研究方面，Peck[1]依據(jù)多個(gè)國(guó)家的基坑開(kāi)挖過(guò)程中的檢測(cè)資料提出了沉降范圍與地表沉降的關(guān)系曲線，并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。曾遠(yuǎn)等[2]對(duì)上海市某地鐵車站建立了有限元計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究2個(gè)車站之間的距離、變形、土的彈模等因素對(duì)既有車站的影響。楊敏等[3]對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近樁基的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，針對(duì)時(shí)間、開(kāi)挖深度、樁-基坑間距、樁的剛度及支護(hù)方式等不同條件下對(duì)變形的影響，并對(duì)不同工況條件下對(duì)土體變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析。姚燕明等[4]針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)方式進(jìn)行有限元計(jì)算分析，考慮到支護(hù)集度、剛度等對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，地下連續(xù)墻的變形有所減小，但當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到某一值時(shí)，變形減小不明顯，即存在某一支護(hù)強(qiáng)度使得支護(hù)效果最明顯。任建喜等[5]對(duì)公交車站基坑的開(kāi)挖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬驗(yàn)證了基坑破壞方式，分析了影響基坑穩(wěn)定性的重要因素，針對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)基坑的開(kāi)挖方式和支護(hù)情況進(jìn)行了優(yōu)化。林鵬[6]利用灰色理論對(duì)基坑開(kāi)挖引起的變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過(guò)數(shù)值模擬的計(jì)算方法驗(yàn)證了預(yù)測(cè)變形，類比分析了板樁墻支護(hù)方式對(duì)深基坑變形的影響程度和相應(yīng)的變形特點(diǎn)。趙延林等[7-8]等對(duì)樁錨支護(hù)條件下的深基坑開(kāi)挖進(jìn)行了有限元分析，應(yīng)用彈塑性大變形的相關(guān)理論分析了錨桿的數(shù)量、既有建筑物的間距、開(kāi)挖的不同工法等因素與地表周圍變形的關(guān)系曲線。劉杰、陳小巍等[9-11]結(jié)合實(shí)際地鐵車站基坑開(kāi)挖，類比分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的利弊，分析了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，建立了開(kāi)挖深度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，并通過(guò)有限元數(shù)值分析軟件對(duì)開(kāi)挖進(jìn)行模擬分析。

本文結(jié)合沈陽(yáng)地鐵北大營(yíng)街站基坑工程為例，結(jié)合工程特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)形式，研究了地鐵車站蓋挖施工對(duì)鄰近高架橋墩的影響，并結(jié)合ABAQUS巖土分析軟件進(jìn)行分析，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證依據(jù)，給出了變形的發(fā)展規(guī)律。

1 工程概況

1.1 北大營(yíng)街站地鐵車站概況

本工程為沈陽(yáng)市北大營(yíng)街站，地鐵車站為地鐵10號(hào)線與地鐵4號(hào)線的換乘站，2個(gè)車站的平面分布形式為L(zhǎng)型。車站全長(zhǎng)189.0 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.7 m，頂板覆土約3.9～4.4 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約18.25 m，西端頭盾構(gòu)井底板埋深19.404 m，東端頭底板埋深26.811 m。車站總建筑面積8 885.33 m2。車站主體采用局部蓋挖法施工，車站兩端盾構(gòu)接收部位采用標(biāo)準(zhǔn)蓋挖法施工，標(biāo)準(zhǔn)段K13+544.265～K13+592.815里程段采用南半幅明挖、北半幅蓋挖的方式施工，車站基坑采用坑外降水方案。車站基坑圍護(hù)樁采用C30水下混凝土，10號(hào)線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)φ800@1200 mm、φ1000@1200 mm（鄰近高架橋一側(cè)）采用旋挖鉆機(jī)成孔，鋼筋籠采用25 t吊車吊裝，水下混凝土導(dǎo)管法澆樁。

1.2 工程環(huán)境條件概況

北大營(yíng)街站位于北海街和合作街十字路口以西，北海街中有高架橋，站點(diǎn)周邊以居民區(qū)為主，人、車流均較密集。10號(hào)線車站與東一環(huán)高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 10號(hào)線車站與東一環(huán)高架橋位置關(guān)系

通過(guò)分析確定，該車站施工過(guò)程中共計(jì)確定12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)工程，5個(gè)自身風(fēng)險(xiǎn)工程，7個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程，其中一級(jí)自身風(fēng)險(xiǎn)源1個(gè)；一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源4個(gè)，見(jiàn)表1。

表1 北大營(yíng)街地鐵站風(fēng)險(xiǎn)源表

2 基坑施工引起鄰近橋墩變形數(shù)值分析

車站基坑與東一環(huán)高架橋橋樁距離3.3 m，橋樁深度28 m，依據(jù)上述的沈陽(yáng)10號(hào)線北大營(yíng)街站的地質(zhì)情況和車站及橋墩的剖面尺寸建立ABAQUS二維數(shù)值計(jì)算模型。在以往的有限元數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，科研工作人員一般針對(duì)所研究的工作主體擴(kuò)大模型的計(jì)算尺寸。將模擬計(jì)算模型的尺寸擴(kuò)大3～5倍作為數(shù)值模擬計(jì)算的對(duì)象。簡(jiǎn)化的整體分析模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的整體分析模型

基于圖2的模型基本尺寸，長(zhǎng)度方向?yàn)?9 m，深度方向?yàn)?8 m，將ABAQUS數(shù)值模擬計(jì)算模型擴(kuò)大為長(zhǎng)度方向和深度方向的5倍，總模型尺寸長(zhǎng)度方向?yàn)?95 m，深度方向?yàn)?40 m。依據(jù)前文所述，模型基坑寬度為25.2 m，靠近橋墩一側(cè)維護(hù)樁直徑為1 000 mm，另一側(cè)圍護(hù)樁直徑為800 mm，第一道混凝土支撐尺寸為800 mm×800 mm，第二、三道鋼支撐直徑為609 mm。基坑開(kāi)挖深度為18.08 m，圍護(hù)樁入土深度為24.73 m，埋深跨越6個(gè)自然土層。橋墩承臺(tái)尺寸為10.5 m×2 m，承臺(tái)下鋼筋混凝土樁長(zhǎng)為28 m。承臺(tái)距離圍護(hù)樁外邊緣距離為3.3 m。所建立的數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 ABAQUS二維計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算速度以及保證計(jì)算精度，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用開(kāi)挖面和橋墩位置處網(wǎng)格加密處理，其他遠(yuǎn)端土體網(wǎng)格設(shè)置較為稀疏。二維計(jì)算模型總體尺寸為195 m×140 m，模型總計(jì)包含了1 580個(gè)單元，單元類型設(shè)置為CPE4R（四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元）。

依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，模型沿深度方向共涉及6個(gè)自然土層，自上而下分別為：雜填土、礫砂、圓礫、中粗砂、礫砂、圓礫。其計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土層的力學(xué)參數(shù)

橋墩樁基、承臺(tái)、鋼筋混凝土圍護(hù)樁、鋼支撐以及混凝土支撐均視為線彈性體，主要研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中構(gòu)件的變形情況，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

在ABAQUS數(shù)值分析軟件模擬計(jì)算時(shí)，在模型建立完成，進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，對(duì)不同材料賦予不同的材料屬性。對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，所采用的為二維數(shù)值模型，深度方向?yàn)閥軸方向，寬度方向?yàn)閤軸方向。本次計(jì)算模型邊界條件為：設(shè)置遠(yuǎn)端沿深度方向的橫向變形以及底面兩個(gè)方向的變形。模型頂面為自由面，不限制位移[12]。

依據(jù)沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線北大營(yíng)街站基坑的基本順序和開(kāi)挖順序，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，將其簡(jiǎn)化為以下幾個(gè)基本工況：

工況1：開(kāi)挖至第一道混凝土深度處，約為2.93 m；

工況2：開(kāi)挖至第一道鋼支撐深度處，約8.83 m；

工況3：開(kāi)挖至第二道鋼支撐深度處，約13.33 m；

工況4：開(kāi)挖至基坑設(shè)計(jì)基底表面處，約18.087 m。

ABAQUS求解分析步驟為：（1）計(jì)算模型的自重應(yīng)力場(chǎng)；（2）鈍化第一部分土體單元，激活第一道混凝土支撐單元；（3）鈍化第二部分土體單元，激活第一道鋼支撐單元；（4）鈍化基坑中第三部分土體單元，激活基坑中第二道鋼支撐單元；（5）鈍化第三部分土體單元至基坑底部；（6）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，進(jìn)行分析。

3.1 橋墩樁位移分析

3.1.1 橋墩水平位移分析

通過(guò)對(duì)不同工況條件下進(jìn)行逐步求解，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的提取，得到不同工況條件下鄰近高架橋橋墩下3根鋼筋混凝土樁的水平位移曲線。3根鋼筋混凝土樁的變形曲線如圖4-6所示。

1號(hào)鋼筋混凝土樁在4種不同工況下的變形曲線,如圖4所示。由圖4可知，隨著開(kāi)挖深度的不斷增加，其水平變形幅值逐漸增大，工況1-工況4樁頂最大水平位移量分別為0.15 mm、0.2 mm、0.27 mm和0.33 mm。由于樁端產(chǎn)生的水平位移，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生彎曲，樁身最大彎曲變形量為0.28 mm，總體變形量較小。

圖4 1號(hào)樁水平變形曲線

2號(hào)樁的水平變形曲線如圖5所示。由其變化曲線可知，其變形量與變化趨勢(shì)與1號(hào)樁相似。隨著基坑沿深度方向的不斷開(kāi)挖，其水平累計(jì)變形量逐漸增大。工況1-工況4模擬施工過(guò)程中，2號(hào)樁頂?shù)乃阶冃沃捣謩e為0.145 mm、0.19 mm、0.265 mm和0.3 mm。其樁端水平位移量小于1號(hào)樁，最大彎曲變形為0.25 mm。

圖5 2號(hào)樁水平變形曲線

3號(hào)樁的水平位移變化曲線如圖6所示。同樣，其變形趨勢(shì)較1號(hào)和2號(hào)樁相似，在工況1-工況4的模擬施工過(guò)程中，樁頂?shù)淖畲笏轿灰谱兓糠謩e為0.05 mm、0.1 mm、0.17 mm和0.23 mm。其最大彎曲變形量為0.29 mm。其樁頂水平位移量較1號(hào)與2號(hào)樁較小，但其彎曲位移量較其他兩個(gè)鋼筋混凝土樁較大一點(diǎn)。

圖6 3號(hào)樁水平變形曲線

3.1.2 橋墩沉降位移分析

通過(guò)不同工況下數(shù)值分析，針對(duì)計(jì)算結(jié)果的豎向沉降位移量的提取，分別得到橋墩在設(shè)定的4種工況下的累計(jì)沉降位移值。4種不同工況下高架橋橋墩模型下1-3號(hào)鋼筋混凝土樁的累計(jì)豎向沉降值，如圖7所示。

圖7 不同工況下橋樁的累計(jì)沉降變化曲線

由圖7的變化曲線知，3號(hào)樁的豎向沉降對(duì)基坑的開(kāi)挖較為敏感，在不同工況下，3號(hào)樁的沉降值均較大于1號(hào)與2號(hào)樁，最大模擬沉降值為4.2 mm。1號(hào)樁與2號(hào)樁的最終累計(jì)沉降值分別為4.17 mm和4.18 mm。三者最終累計(jì)沉降值相差較小，不會(huì)導(dǎo)致由于不均勻沉降產(chǎn)生過(guò)大的彎曲變形。開(kāi)挖結(jié)束后橋墩模型的整體沉降位移變化矢量圖，如圖8所示。

圖8 橋墩模型的整體沉降位移矢量圖

3.2 周邊土體位移分析

由于基坑土體的開(kāi)挖，導(dǎo)致基坑周邊的土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，鄰近基坑周邊的土體產(chǎn)生一定的應(yīng)力釋放，產(chǎn)生土體變形，導(dǎo)致地表產(chǎn)生一定的沉降。基坑開(kāi)挖后土體的水平變形位移云圖，如圖9所示。

由圖9所示的計(jì)算結(jié)果可知，由于基坑的開(kāi)挖擾動(dòng)作用，導(dǎo)致基坑周邊的土體向基坑方向產(chǎn)生一定的變形。從整體變形云圖可知，基坑上部周邊的土體呈現(xiàn)向基坑方向移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖9 土體的水平位移云圖

計(jì)算結(jié)果選取基坑附近土體的變形云圖，如圖10所示。由結(jié)算結(jié)果可知，由于基坑擾動(dòng)開(kāi)挖作用，導(dǎo)致基坑底部土體失去了原有的受力狀態(tài)，對(duì)于基坑底面裸露的土體而言，上覆土體的開(kāi)挖相當(dāng)于下部土體的應(yīng)力釋放作用，導(dǎo)致基坑底面產(chǎn)生一定基坑回彈變形。

圖10 開(kāi)挖基坑周邊土體的變形云圖

由于基坑模擬開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)樁及橋墩的剛度遠(yuǎn)大于周邊土體的剛度，在較大程度上阻礙了基坑邊緣土體的變形，導(dǎo)致最大變形產(chǎn)生于距離基坑較遠(yuǎn)處的底邊，土體呈現(xiàn)出下凹的分布狀態(tài)，最大變形量為4.365 mm，與基坑周邊的地表沉降監(jiān)測(cè)值的大小相近。

3.3 圍護(hù)樁位移分析

3.3.1 圍護(hù)樁水平位移分析

圍護(hù)樁是保證基坑安全的重要安全措施，對(duì)模擬結(jié)果圍護(hù)樁數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，1號(hào)圍護(hù)樁的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線，如圖11所示。

由圖11的變化曲線知，隨著基坑沿深度方向的不斷開(kāi)挖，圍護(hù)樁的水平位移逐漸增大。1號(hào)圍護(hù)樁直徑為800 mm，最大水平位移值為6.15 mm。樁頂處的最大水平位移為5.81 mm，實(shí)測(cè)值為5.34 mm。計(jì)算值較實(shí)際監(jiān)測(cè)值較大，兩者相差較小，誤差為0.47 mm，導(dǎo)致誤差的主要原因?yàn)椋簩?shí)際土層的參數(shù)與數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)的差異性以及計(jì)算過(guò)程中的簡(jiǎn)化等。

圖11 1號(hào)圍護(hù)樁的水平位移對(duì)比曲線

2號(hào)圍護(hù)樁的水平位移變化曲線，如圖12所示，其曲線變化趨勢(shì)較1號(hào)樁相似，但位移方向相反，兩者均向基坑內(nèi)發(fā)生位移。

由圖12的變化曲線可知，整體的圍護(hù)樁變形值較1號(hào)樁小得多，其原因在于為了減小對(duì)鄰近東一環(huán)高架橋的影響，加大了2號(hào)圍護(hù)樁的直徑，由原來(lái)的800 mm增加至1 000 mm，導(dǎo)致水平變形量較小。2號(hào)樁的最大水平位移量為3.65 mm，樁頂處的最大水平位移量為3.31 mm，與實(shí)測(cè)結(jié)果2.88 mm相差0.43 mm，兩者相差較小。

圖12 2號(hào)圍護(hù)樁的水平位移對(duì)比曲線

3.3.2 圍護(hù)樁沉降位移分析

通過(guò)不同工況下數(shù)值分析，針對(duì)計(jì)算結(jié)果的豎向沉降位移量的提取，分別得到圍護(hù)樁在設(shè)定的4種工況下的累計(jì)沉降位移值。4種不同工況下圍護(hù)樁1號(hào)和2號(hào)的累計(jì)豎向沉降值，如圖13所示。

圖13 不同工況下圍護(hù)樁的累計(jì)豎向沉降曲線

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，基坑開(kāi)挖兩側(cè)的圍護(hù)樁沉降曲線十分接近，1號(hào)圍護(hù)樁的沉降值較2號(hào)的沉降值大一點(diǎn)，但兩者相差很小，兩者的計(jì)算沉降值分別為4.18 mm和4.20 mm，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)北大營(yíng)街站的實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，將其簡(jiǎn)化為4種基本的施工工況，基于ABAQUS巖土分析軟件，建立二維數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)擬定的4個(gè)車站的基本施工工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到如下結(jié)論。

（1）基坑的開(kāi)挖擾動(dòng)作用對(duì)鄰近高架橋基坑產(chǎn)生影響，通過(guò)對(duì)橋墩下3根橋樁的數(shù)據(jù)提取發(fā)現(xiàn)，3號(hào)橋樁的水平位移較1號(hào)與2號(hào)明顯。橋樁的累計(jì)水平位移變形值隨開(kāi)挖深度而不斷增加。

（2）由于基坑的開(kāi)挖，導(dǎo)致周邊土體應(yīng)力釋放，產(chǎn)生土體變形，坑底回彈變形較明顯，基坑邊緣處由于圍護(hù)樁的支撐作用，變形較小。基坑周邊地表變形呈下凹型分布，且地表沉降最大值接近于實(shí)測(cè)值。

（3）基坑圍護(hù)樁變形一致，垂直變形較水平變形大，數(shù)值計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合程度較好。