強(qiáng)透水層深基坑施工對(duì)緊鄰地鐵車站影響分析*

方能榕,高 潔,余國(guó)梁,吳劍秋,林志龍,陳宇新

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 201200;2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,福建 福州 350108)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和建設(shè),城市高層和超高層建筑集中開發(fā)區(qū)域往往也是城市軌道交通線網(wǎng)密集地帶,基坑工程都在往深、大、長(zhǎng)的方向發(fā)展,由基坑工程施工誘發(fā)的周圍環(huán)境問題頻發(fā),其引起的鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形將會(huì)嚴(yán)重影響地鐵結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性[1]。

基坑工程是涉及諸多學(xué)科的系統(tǒng)工程,包含支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工、地下水控制、土方開挖與回填等多項(xiàng)內(nèi)容,這其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)對(duì)施工進(jìn)度、周邊環(huán)境甚至人員安全等造成影響[2]。針對(duì)基坑開挖施工對(duì)鄰近隧道的影響,學(xué)者們采用理論計(jì)算、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對(duì)此展開了研究,如張治國(guó)等[3]基于Pasternak地基模型提出雙基坑開挖引起鄰近既有隧道縱向變形的兩階段簡(jiǎn)化分析方法,該簡(jiǎn)化解析法精度較高且計(jì)算簡(jiǎn)便。閆旭麗等[4]推導(dǎo)了既有盾構(gòu)隧道在鄰近基坑開挖卸荷作用下周圍土體中各點(diǎn)應(yīng)力路徑演變規(guī)律,得到基坑施工對(duì)既有隧道周圍土體應(yīng)力的擾動(dòng)程度、擾動(dòng)范圍及安全程度。張玉偉等[5]設(shè)計(jì)了非對(duì)稱荷載作用下基坑卸載、再卸載對(duì)既有隧道影響的離心試驗(yàn),深入研究了基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響。基于前人的研究,基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道帶來的影響可以分為兩方面,一方面由于坑內(nèi)土體開挖卸載使圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體發(fā)生變形,進(jìn)而導(dǎo)致緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)隨土體發(fā)生變形;另一方面,由基坑的開挖直接引起緊鄰結(jié)構(gòu)的變形和破壞[6-7]。

基坑工程另一個(gè)重要內(nèi)容是地下水控制。基坑降水會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響,一方面是降水引起地層有效應(yīng)力的增加使地層發(fā)生固結(jié)沉降[8];另一方面是滲流作用,水體流動(dòng)帶動(dòng)土體細(xì)顆粒的運(yùn)移,使原有地層微觀孔隙和土骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而令局部地層發(fā)生變形[9-11]。針對(duì)基坑降水帶來的問題,周勇等[12]以蘭州地鐵1號(hào)線某車站基坑支護(hù)工程為背景,借助有限元軟件ADINA全面分析了基坑開挖降水過程中地下管道的位移,分析結(jié)果表明,車站深基坑開挖及降水對(duì)地下管道的位移有顯著影響。陳永才等[13]分析了基坑降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響的原因,尤其是對(duì)承壓水問題,著重分析了隔斷承壓水的設(shè)計(jì),并提出相應(yīng)問題的處理方案。對(duì)于基坑降水引起的滲流問題,孫文娟等[14]建立了三維有限元分析模型,充分研究了上海浦東新區(qū)某基坑工程開挖降水過程中地下水位、土體滲流場(chǎng)的變化及坑內(nèi)外地面沉降。趙明[15]利用FLAC3D有限差分分析程序,基于流固耦合功能模擬了基坑開挖降水的三維流固耦合作用,得到基坑周圍建筑物在不同工況下的相關(guān)沉降規(guī)律。

綜上所述,本文以福建省內(nèi)某防洪排澇深基坑工程為背景,利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維模型模擬基坑施工工況,分析該基坑工程施工全過程對(duì)鄰近已建地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響,針對(duì)基坑工程施工帶來的問題,提出針對(duì)性的技術(shù)控制措施,以期為福建省類似基坑工程施工提供工程經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某工程為新建防洪排澇深基坑工程,建設(shè)內(nèi)容包含涵洞豎井、排水箱涵、排澇泵站和水閘,項(xiàng)目位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》對(duì)工程外部作業(yè)影響等級(jí)的判定,新建1號(hào)排水箱涵和水閘基坑的施工對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響為特級(jí),因此,本文利用有限元軟件PLAXIS 3D,全面分析該防洪排澇深基坑工程施工對(duì)緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 基坑支護(hù)情況

該深基坑工程以既有地鐵排水箱涵作為銜接段,左側(cè)銜接新建1號(hào)排水箱涵,右側(cè)銜接新建水閘,銜接處采用水泥攪拌樁加固,樁底位于中砂層,與已建地鐵排水箱涵頂板的距離約0.5m,基坑具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地鐵箱涵銜接段基坑支護(hù)

新建1號(hào)排水箱涵基坑支護(hù)橫斷面如圖3所示,基坑為長(zhǎng)條形,長(zhǎng)約50m,寬約14.0m,開挖高度約11.5m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+3道鋼支撐,坑底采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固,側(cè)壁設(shè)置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

圖3 新建1號(hào)排水箱涵基坑支護(hù)橫斷面(單位:cm)

新建水閘基坑支護(hù)橫斷面如圖4所示,基坑長(zhǎng)29.1m、寬19.2m,基坑開挖高度13.5m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+3道內(nèi)支撐,坑底用高壓旋噴樁進(jìn)行加固,側(cè)壁設(shè)置三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。

1.3 基坑降水設(shè)計(jì)情況

本工程地下水埋深0.3～3.0m,場(chǎng)地內(nèi)均分布透水性強(qiáng)的砂、砂卵石層,地下水水量較豐富,各砂土層為地基主要的含水層,因此,在基坑開挖過程中,為了防止失穩(wěn)、坑底隆起、管涌等問題,布置6口降水井使地下水位降至低于開挖面,同時(shí)設(shè)置9口回灌井,避免由于基坑內(nèi)水位不均勻下降引起周邊地基土不均勻沉降,具體布置如圖5所示。

圖5 基坑降水井及回灌井平面布置

2 分析模型建立

2.1 模型邊界條件及參數(shù)取值

模型邊界條件為:①本構(gòu)模型方面各土體均采用硬化土模型。其中,對(duì)應(yīng)硬化土模型,基于工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)于軟土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1.5∶8,對(duì)于黏土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶5,對(duì)于砂土取Es1-2∶Eoed∶E50∶Eur=1∶1∶1∶3;②計(jì)算中不考慮地層的次固結(jié)及蠕變沉降;③考慮到地鐵箱涵銜接段未完全封閉,且地層為透水的中砂層,數(shù)值模擬中考慮基坑內(nèi)一次性降水至坑底以下0.5m,水位最高下降7.1m,坑外水位下降2m;④根據(jù)工程實(shí)際需要,既有車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑開挖和回填同步進(jìn)行;⑤模型結(jié)構(gòu)中,基坑鉆孔灌注樁、鋼板樁及車站結(jié)構(gòu)等均采用板單元,角撐、內(nèi)支撐、立柱采用梁?jiǎn)卧?水泥攪拌樁采用實(shí)體單元,車站下方工程樁采用樁單元(見表1～3)。

表1 巖土參數(shù)取值

表2 材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及強(qiáng)度等級(jí)

2.2 建立模型

采用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行建模分析,模型如圖6所示,模型尺寸為212.0m×128.0m×64.3m。模型計(jì)算主要針對(duì)防洪排澇工程基坑降水、開挖、水位恢復(fù)及通水階段對(duì)緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 數(shù)值模型

2.3 施工工況

根據(jù)工程設(shè)計(jì),新建防洪排澇工程的施工工序如下:①初始工況 生成車站結(jié)構(gòu)、地鐵排水箱涵;②工況1 箱涵、水閘基坑側(cè)壁支護(hù)施工;③工況2 基坑內(nèi)降水7.1m,坑外水位下降2m;④工況3 箱涵、水閘基坑施加第1道內(nèi)支撐;⑤工況4 箱涵、水閘基坑開挖第1層土;⑥工況5 箱涵、水閘基坑施加第2道內(nèi)支撐;⑦工況6 箱涵、水閘基坑開挖第2層土;⑧工況7 箱涵、水閘基坑施加第3道內(nèi)支撐;⑨工況8 箱涵、水閘基坑開挖至坑底;⑩工況9 拆除第3道內(nèi)支撐;工況10 拆除第2道內(nèi)支撐;工況11 拆除第1道內(nèi)支撐;工況12 水位恢復(fù)至8.000m;工況13 箱涵、水閘通水。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 車站結(jié)構(gòu)位移變化

數(shù)值模擬的位移數(shù)據(jù)如表4所示。由于篇幅限值,提取工況2,4,6,8,12,13車站結(jié)構(gòu)z方向的位移云圖,如圖7所示。

表4 車站結(jié)構(gòu)位移累計(jì)值

圖7 車站結(jié)構(gòu)z方向位移變化

模擬結(jié)果表明:

1)對(duì)比分析所有施工工況車站結(jié)構(gòu)的位移變化情況可知,基坑施工過程中,基坑降水、開挖卸載及水位恢復(fù)對(duì)緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的位移影響較大。

2)車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑及周邊地表降水時(shí)(工況3),車站結(jié)構(gòu)位移發(fā)生較大變化,其中z方向沉降值達(dá)到-10.53mm,與上一工況相比,增量達(dá)9.41mm。這說明基坑及周邊地表降水后,土中的孔隙水壓力減小,土體的有效應(yīng)力增大,使得土體產(chǎn)生固結(jié)壓密現(xiàn)象,進(jìn)而加大對(duì)緊鄰車站結(jié)構(gòu)的豎向作用,因此降水主要引起緊鄰車站結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向沉降,對(duì)水平位移的影響較小。

3)對(duì)比工況4,6,8的位移數(shù)值可知,基坑在逐步開挖過程中,緊鄰的地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移較小,z方向的位移值從-8.57mm到-5.69mm,車站結(jié)構(gòu)呈隆起趨勢(shì),說明基坑開挖卸載,基坑土體發(fā)生回彈變形,銜接處的車站結(jié)構(gòu)由于土壓力的卸荷作用,產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。

4)工況12為基坑通過回灌水位恢復(fù)至8.000m的模擬結(jié)果,相比于工況11,車站結(jié)構(gòu)沉降值減小4.02mm,說明基坑回灌可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降。

5)工況13模擬了防洪排澇深基坑工程施工完成后,新建排水箱涵、水閘及既有地鐵箱涵通水運(yùn)營(yíng)情況,模擬結(jié)果表明,加上水壓力后,車站結(jié)構(gòu)的位移變化量在1mm內(nèi),說明防洪排澇工程運(yùn)營(yíng)期間對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響較小。

3.2 軌道高差分析

提取車站軌道豎向位移(見圖8),計(jì)算結(jié)果如表5所示。既有左、右線軌道高差(矢度值)最大值發(fā)生在地鐵箱涵銜接段,最大值分別為1.85,1.11mm,均小于CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的4mm;既有左、右線軌道橫向高差分別為1.06,1.03mm,小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的4mm。

表5 分析計(jì)算變形量

圖8 軌道豎向位移

4 基坑施工控制措施

本防洪排澇深基坑工程緊鄰既有地鐵車站,施工作業(yè)條件和施工工序復(fù)雜,由數(shù)值模擬得到該工程施工時(shí)基坑降水、開挖卸載及水位恢復(fù)對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響較大,建議施工過程中采取以下措施。

1)大面積的基坑降水使周圍土體產(chǎn)生固結(jié)壓密現(xiàn)象,引起緊鄰車站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大豎向沉降,基坑降水應(yīng)按需進(jìn)行分步降水。施工過程中需加強(qiáng)坑外水位監(jiān)測(cè),控制坑外水位變化≤1m,必要時(shí)增設(shè)回灌井。回灌井應(yīng)根據(jù)降水影響范圍和周邊建(構(gòu))筑物的位置進(jìn)行布置,對(duì)于變形敏感或重要性等級(jí)較高的建(構(gòu))筑物應(yīng)增設(shè)回灌井。

2)項(xiàng)目基坑為長(zhǎng)條形,基坑深度較大,基坑開挖卸載時(shí)引起土體發(fā)生回彈變形,銜接處的車站結(jié)構(gòu)由于土壓力的卸荷作用,產(chǎn)生隆起現(xiàn)象,為了避免大面積卸荷和大面積降水引起地鐵設(shè)施變形過大,建議基坑開挖時(shí)分段實(shí)施和間隔開挖,建議分段開挖長(zhǎng)度≤30m。

3)防洪排澇深基坑工程與地鐵排水箱涵銜接處采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固,并設(shè)置注漿導(dǎo)管對(duì)箱涵頂板上方進(jìn)行封閉,該處地層為中砂層,建議基坑施工前進(jìn)行注漿試驗(yàn),基坑開挖前應(yīng)試降水,測(cè)試基坑封閉情況。

4)既有車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑應(yīng)嚴(yán)格按同期實(shí)施的要求,基坑開挖和回填同步進(jìn)行,且兩側(cè)土體開挖、回填高差建議控制在2m內(nèi)。

5 結(jié)語

1)基坑施工全過程中,大面積的基坑降水會(huì)使土中的孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力增大,緊鄰車站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大豎向沉降。通過回灌井使水位恢復(fù)可一定程度上減小由于基坑降水引起的周邊地基土及結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降。

2)基坑在逐步開挖過程中,緊鄰的地鐵車站結(jié)構(gòu)由于土壓力卸荷作用,車站結(jié)構(gòu)豎向位移呈隆起趨勢(shì),產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。基坑開挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)的水平位移影響較小。

3)根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料,基于數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)合基坑施工過程中可能遇到的問題,建議采取相應(yīng)的技術(shù)措施以控制基坑施工對(duì)緊鄰地鐵車站的影響,確保既有結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營(yíng)。