雙基坑施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

許勝寒 呂凱 楊振宇

1.無錫市軌道建設(shè)設(shè)計咨詢有限公司 江蘇 無錫 214000

2.無錫地鐵集團有限公司 江蘇 無錫 214000

近年來，隨著城市的發(fā)展和地鐵運營里程的不斷增加，建設(shè)項目緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的情況日益增多。基坑施工引起的地應(yīng)力場的變化及土層位移，將會對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，給地鐵的安全運營帶來安全隱患。胡恒等[1]采用FLAC軟件模擬了地鐵結(jié)構(gòu)在埋深大于或小于鄰近開挖深度兩種情況下的位移及應(yīng)力變化情況；郭曉歡[2]利用ANSYS建立了北京某緊鄰既有地鐵換乘車站的深大基坑模型，分析了基坑開挖對車站主體及軌道的變形影響；李俊[3]提出了針對旁側(cè)基坑施工影響分析的兩階段計算方法；陳賀欣[4]通過數(shù)值模擬分析了基坑不同開挖方式對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的實測值進行了對比；張向軍等[5]以杭州某基坑項目為研究背景，采用有限元法分析了基坑開挖對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響因素。

上述研究主要是關(guān)于單個基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析，而對于雙基坑施工對鄰近地鐵車站及隧道的影響卻鮮有研究。本文以無錫市某緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的雙基坑工程為背景，采用Midas GTS有限元軟件，根據(jù)地質(zhì)條件及施工工況對基坑施工的全過程進行了數(shù)值模擬，計算分析了在各工況下地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

某工程位于江蘇省無錫市，分為A地塊和B地塊，項目緊鄰已投入運營的無錫地鐵4號線吳都路站及區(qū)間隧道。該項目圍護結(jié)構(gòu)與鄰近的地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 項目圍護結(jié)構(gòu)與4號線平面關(guān)系圖

A地塊基坑開挖深度9.85～10.70m，采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐（一道砼支撐+一道鋼支撐）的支護體系，隧道一側(cè)的鉆孔樁采用Φ1000@1200mm，A地塊的其余鉆孔樁為Φ800@1000mm，止水帷幕采用Φ850@600mm三軸攪拌樁。A地塊圍護結(jié)構(gòu)與吳都路站9號出入口的剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 A地塊基坑與9號出入口剖面關(guān)系圖

B地塊基坑開挖深度14.80～16.00m，采用800mm地連墻+三道砼支撐的支護體系，地連墻墻深為27m。鄰近區(qū)間隧道一側(cè)開挖深度為14.80m，預(yù)留寬度10m、坡比1:1.5的土坡。B地塊圍護結(jié)構(gòu)與地鐵4號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系如圖3所示。

圖3 B地塊基坑與地鐵區(qū)間隧道剖面關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)概況

擬建場地范圍內(nèi)地層主要由人工填土、黏性土、粉土及粉砂等組成。本工程相關(guān)范圍內(nèi)的土層包括①雜填土、③1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉質(zhì)黏土夾粉土、④1粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2粉質(zhì)黏土和⑦1粉質(zhì)黏土。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

2 地鐵結(jié)構(gòu)變形控制標準

依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）及無錫地方對地鐵保護技術(shù)標準的有關(guān)文件，考慮到項目鄰近的地鐵4號線已處在運營階段，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，提出對地鐵結(jié)構(gòu)安全的控制指標如下：

（1）施工引起區(qū)間隧道豎向位移≤8mm、水平位移≤10mm；

（2）施工引起的地鐵車站結(jié)構(gòu)豎向及水平位移≤10mm。

3 雙基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

3.1 有限元模型

為全面、系統(tǒng)地反映該項目B基坑和A基坑施工對鄰近地鐵4號線吳都路站及區(qū)間隧道的影響，建立基于Midas GTS的三維模型進行數(shù)值計算。

計算模型的尺寸大小根據(jù)項目場地及周邊環(huán)境條件共同決定。考慮消除邊界效應(yīng)的影響，建立模型尺寸為X方向?qū)?92m，Y方向235m，Z方向65m，如圖4所示。計算采用了板單元、桁架單元和植入式梁單元。

圖4 有限元模型

3.2 分析主要步驟

根據(jù)項目雙基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和施工工序，模型中計算的主要步驟如表2所示。

表2 計算工況表

3.3 計算結(jié)果分析

A基坑開挖到底時的地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移計算結(jié)果如圖5所示。開挖期間由于周邊的土方卸載導(dǎo)致鄰近的9號出入口、車站主體及區(qū)間隧道均有不同程度的上浮。9號出入口累計最大上浮量為8.31mm，車站主體累計最大上浮量為2.73mm，區(qū)間隧道累計最大上浮量為4.9mm。

圖5 地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（STEP4）

A基坑開挖到底時的地鐵結(jié)構(gòu)水平位移計算結(jié)果如圖6所示。由于基坑內(nèi)側(cè)土方開挖，基坑內(nèi)外側(cè)不平衡的土壓導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生向基坑內(nèi)的位移。 A基坑開挖期間區(qū)間隧道累計最大水平位移為4.38mm，車站主體最大水平位移為1.47mm，9號出入口累計最大水平位移為2.43mm。

圖6 地鐵結(jié)構(gòu)水平位移云圖（STEP4）

B基坑開挖到底時的地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移計算結(jié)果如圖7所示。B基坑距離車站主體和9號出入口較遠，開挖期間對車站結(jié)構(gòu)影響較小。B基坑開挖深度較深，但地層條件良好，區(qū)間隧道因累計最大上浮量為4.91mm。

圖7 地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（STEP7）

B基坑開挖到底時的地鐵結(jié)構(gòu)水平位移計算結(jié)果如圖8所示。由于基坑內(nèi)側(cè)土方開挖，外側(cè)的土壓導(dǎo)致B地塊外的區(qū)間隧道累計最大水平位移為5.94mm，9號出入口最大水平位移為2.01mm。

4 結(jié)論

通過建立三維有限元模型計算了雙基坑施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響，綜合分析結(jié)果，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）9號出入口與A基坑距離較近，A基坑開挖期間9號出入口受周邊土體卸載影響較為明顯，在A基坑開挖到底后9號出入口累計上浮量達到8.31mm，最大水平位移為2.43mm，但后期受B基坑施工影響較小。

（2）吳都路站主體結(jié)構(gòu)自身剛度較大，受基坑開挖擾動較小，施工期累計最大豎向位移為2.73mm，最大水平位移為1.51mm。

（3）區(qū)間隧道自身剛度較小，受基坑開挖卸載影響明顯，區(qū)間隧道累計最大上浮量為4.91mm，在基坑開挖及回筑期間坑外地層向基坑方向變形，帶動區(qū)間隧道向基坑方向最大水平位移為6.43mm。

（4）車站及隧道結(jié)構(gòu)水平豎向變形可滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形控制指標，該項目施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響總體可控，通過加強現(xiàn)場的施工質(zhì)量管理，結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)專項監(jiān)測指導(dǎo)現(xiàn)場施工，可有效保障既有地鐵結(jié)構(gòu)及運營安全。