新建控制中心基坑臨近既有地鐵區間施工安全性分析

孫東媛

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

基坑施工臨近既有地鐵區間,工程風險高、難度大[1],不僅需要制定周密的圍護及施工方案,還應進行數值模擬分析來驗證相關措施的可行性、安全性[2]。沈陽市地鐵十號線工程滂江街控制中心用地位于已開通運營一號線滂黎區間兩側,控制中心基坑分為A區基坑、B區基坑。A區、B區基坑距離一號線區間結構分別約為6.2m、6.4m,為一級環境風險工程。

控制中心A區基坑臨近一號線滂黎區間側深約為12.25m,采用灌注樁+鋼支撐的支護形式;B區基坑深約為7.75m,采用灌注樁+鋼支撐的支護形式。一號線區間兩側部分圍護樁與區間上部筏板的支承樁共用。

一號線滂黎區間起訖里程為DK20+537.15～DK21+710.630,區間總長1176.233m(左線)、1173.480m(右線)。與控制中心近鄰段為馬蹄形斷面,線間距為13m。區間初支采用C25早強網噴混凝土,襯砌厚度為300mm;二襯采用C30防水鋼筋混凝土,襯砌厚度為300mm,主受力鋼筋采用HRB335鋼筋。滂江街控制中心圍護結構平面示意圖見圖1,橫剖面圖見圖2。

圖1 滂江街控制中心圍護結構平面示意圖

圖2 滂江街控制中心圍護結構橫剖面圖(長度單位:mm,高程單位:m)

2 地質概況

3 安全分析工作要點

3.1 安全分析目的

結合十號線滂江街控制中心勘察設計文件、既有一號線滂黎區間圖紙和綜合調研等相關資料,對沈陽市地鐵十號線滂江街控制中心A區、B區基坑施工臨近一號線滂黎區間風險源進行評估。從既有區間變形情況、內力變化情況進行分析,對既有結構受影響程度、范圍進行評估,對既有結構提出安全保護措施建議,為工程安全建設提供指導。

3.2 安全分析方法

以地勘資料、設計資料為基礎資料,采用Midas GTS NX有限元分析軟件建立1:1有限元模型,利用數值分析方法,綜合考慮地層條件、空間效應、開挖方法等影響因素,模擬分析隧道開挖力學行為,評價新建地鐵結構對周邊既有結構的影響。

3.3 安全分析控制指標

既有結構豎向位移:沉降小于6mm,隆起小于4mm;既有結構水平位移小于3mm;既有結構襯砌及配筋滿足受力要求[3-4]。

4 基坑施工工序

控制中心基坑施工時,首先施工上跨一號線區間的筏板及其支承樁,待筏板達到設計強度后進行A區基坑施工,待A區逐步拆撐,并施工主體結構至地面標高后,進行B區基坑施工。控制中心A區、B區基坑具體施工工序如下:

(1)筏板及控制中心A區基坑施工具體順序為:

施工步1:施作上跨區間筏板及其支承樁。

施工步2:控制中心A區一期基坑施工。

施工步3:控制中心A區二期基坑開挖,并在臨近區間結構6m范圍內預留反壓土。

施工步4:控制中心A區二期基坑進行剩余反壓土體開挖,挖至第一道支撐0.5m處,架設第一道支撐。

施工步5:控制中心A區二期基坑開挖至第二道支撐0.5m處并架設第二道支撐。

施工步6:控制中心A區二期基坑開挖至設計標高。

施工步7:控制中心A區二期基坑施作地下二層側墻、立柱及架設豎向斜撐。

施工步8:控制中心A區二期基坑拆除第二道支撐,施作地下二層立柱、中板并進行回填。

施工步9:控制中心A區二期基坑拆除第一道支撐,施作地下一層立柱、中板,拆除豎向倒撐并進行回填。

(2)控制中心B區基坑施工具體順序為:

施工步10:控制中心B區基坑開挖至第一道支撐以下0.5m處,架設鋼支撐。

施工步11:控制中心B區基坑開挖至設計標高。

施工步12:控制中心B區基坑拆除鋼支撐,施作側墻及頂板至自然地面。

(3)筏板上施加樓荷載(施工步13)。

5 模型建立

5.1 模型假定

(1)采用彈塑性計算模型;(2)采用均一地層,巖土體的變形是各向同性的;(3)初始地應力的計算只考慮初始自重應力,未考慮構造應力;(4)隧道開挖后土體應力瞬間釋放;(5)隧道的受力和變形是平面應變問題;(6)不考慮地下水影響。

5.2 力學參數

(1)巖土層力學參數

表1 巖土層力學參數表

滂江街控制中心A區、B區基坑及筏板所處地層如圖3所示。

圖3 控制中心A區基坑、筏板及控制中心B區地層剖面圖(單位:m)

(2)結構參數

表2 結構參數表

圍護樁尺寸需按照抗彎剛度轉化為均質板,各種形式圍護樁等效板厚度見表3。

表3 圍護樁簡化板厚表

(3)設計荷載

作用在筏板上的樓荷載為53.46kPa。

5.3 計算模型

模型由控制中心A區基坑、B區基坑、筏板結構、既有隧道結構及周圍地層組成。控制中心A區基坑分兩期開挖,一期基坑占地面積較大,模型中僅考慮距離隧道50m范圍內的部分。模型寬度105m,高度30m,縱向長度90m,網格劃分采用四面體單元,單元總數為79131個。在模型底部施加豎向約束,模型四個側面分別施加垂直于側面方向的水平位移約束,如圖4所示。

圖4 計算模型

5.4 監測點的設置

選取既有隧道6個斷面(①～⑥)進行結構變形分析,每個斷面設置4個監測點(拱頂,左、右邊墻,仰拱)。

6 結構變形計算結果及分析

既有結構二次襯砌各監測斷面位移隨施工步的變化規律如圖5、圖6所示。

圖5 左邊墻、右邊墻水平位移變化規律

圖6 拱頂、仰拱豎向位移變化規律

(1)襯砌水平位移

監測點在各施工階段的水平位移見表4。

表4 各施工階段水平位移統計表 單位:mm

當控制中心A區二期基坑開挖至設計標高(S6)時,既有結構各監測點水平位移達到峰值,其中:④號斷面右邊墻的水平位移最大,為1.81mm。控制中心基坑施工,既有結構各監測點水平位移的方向均朝向控制中心A區基坑。既有隧道右線監測點水平位移均大于左線,監測點各施工階段水平位移均未超過安全評估控制標準數值。

(2)襯砌豎向位移

拱頂、仰拱豎向位移變化規律見圖6。

監測點在各施工階段的豎向位移如表5所示。

表5 各施工階段豎向位移統計表 單位:mm

控制中心基坑開挖,既有結構監測點豎向位移均為下沉,當在筏板上施加樓荷載時,既有結構各監測點下沉量達到最大值。各施工階段,既有結構監測點豎向位移最大沉降值為0.67mm,均未超過安全評估控制標準數值。

7 結構內力計算結果及分析

各施工步既有結構彎矩最大值對應的軸力值及結構所需配筋情況如表6所示。

表6 既有結構內力統計表

控制中心基坑施工,既有結構彎矩最大值在0.55～1.28kN·m,根據計算結果進行配筋驗算,既有結構原設計配筋情況滿足正常使用要求。

8 結論

(1)控制中心基坑施工,既有結構左線水平位移最大值為1.41mm,右線水平位移最大值為1.89mm;既有結構左線沉降最大值為0.67mm,右線沉降最大值為0.66mm,右線隆起最大值為0.07mm。既有結構的水平位移和豎向位移均未超過安全評估控制標準數值。

(2)控制中心基坑施工,既有結構原設計配筋情況滿足正常使用要求。

(3)滂江街控制中心基坑施工須嚴格按照設計圖紙進行,基坑開挖一層支護一層,及時施作坑內支撐。施工期間需加強對新建基坑和既有結構的監測,確保地鐵運營及施工安全。