軟弱土地區基坑工程對鄰近地鐵結構的影響分析

張 杰, 沈曉偉, 管珊珊

(1.華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.南京地鐵集團有限公司,江蘇 南京 210008)

近幾年,隨著城市建設的不斷推進,城市交通網絡建設發展迅速,地鐵沿線作為眾多開發項目首選的黃金地段,不乏與既有地鐵結構鄰近工程。南京有長江漫灘、滁河漫灘、秦淮河漫灘等軟弱土區域,軟土強度低、壓縮性高、靈敏度高,砂層深厚、承壓水頭高、滲透性大,南京有30%地鐵線路位于漫灘區范圍內,施工過程中極易引起臨近地鐵結構變形,誘發管片開裂、漏水等病害,影響地鐵結構安全和正常運營,如何有效控制基坑施工產生的變形影響研究顯得十分必要。

目前國內外學者對此已有相關研究,袁靜等[1]以杭州軟土地層條件下深基坑工程對地鐵隧道及車站變形影響分析為例,通過采取較高剛度的雙排樁等措施,有效地控制了地鐵結構變形;黃睿等[2]利用三維激光掃描技術分析軟土地區深基坑開挖對臨近地鐵結構的影響;楊東雷等[3]、郭典塔等[4]分析了基坑與地鐵區間隧道水平、豎向凈距變化對既有地鐵結構變形影響規律。

但目前針對施工各工況對地鐵結構變形發展趨勢的研究相對較少,本文以鄰近南京地鐵既有2號線魚嘴站-天保街站(含)明挖區間的基坑工程為例,研究基坑各工況對地鐵結構變形發展趨勢,以及在確保能滿足地鐵結構沉降變形標準時,采用選擇正確的懸掛式止水帷幕區域和長度,可有效合理節約項目投資,為類似項目工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

基坑工程位于地鐵2號線魚嘴站-天保街站(含)明挖區間北側,基坑長度約為251.8 m,寬度約為46.7～75.1 m,基坑分為一、二兩期,一期為地下一層,開挖深度約5.0～6.4 m;二期為地下二層,臨近地鐵側開挖深度約8.6～10.5 m?；又ёo與地鐵明挖區間、車站主體、5號出入口、6號出入口最小水平距離分別約為15.5、15.0、16.3和19.1 m,對應明挖區間、天保街站車站主體、5號出入口、6號出入口的埋深分別約為16.4、15.6、13.0和13.0 m,如圖1所示。

圖1 基坑工程與地鐵平面關系(單位:m)

1.1 地鐵結構概況

天保街站為地下兩層雙(三)跨箱形結構,車站共設置7個出入口和3組風道,車站圍護結構采用800 mm厚地連墻,墻底進入巖層,車站底板以下設置減沉樁,樁底位于中粗砂層。根據監測結果顯示,自運營以來,地鐵結構工后累計沉降量最大值為4.6 mm,百日變化速率最大值 0.021 mm/d,基本處于穩定狀態。

1.2 基坑工程概況

地塊上部為5棟主樓、3棟附屬用房,基坑地下1層支護采用三軸攪拌樁內插管樁,基坑地下2層采用鉆孔樁支護+TRD止水(入強風化巖深度不少于1.0 m),基坑支護結構詳見圖2。

圖2 基坑支護結構平面(單位:mm)

1.3 地質概況

擬建工程屬于長江漫灘地貌,基坑從上到下主要為1-1雜填土、1-2素填土,2-2淤泥質粉質黏土。承壓水主要為2-3層粉砂夾薄層淤泥質粉質黏土、2-4層粉土～粉砂、2-5層粉細砂、3層中粗砂、4層中粗砂含礫卵石,具體土體力學參數指標如表1所示。

表1 土體物理力學參數

2 MADIS數值影響分析

2.1 計算模型

本文采用MIDAS-GTS軟件建立數值模型,模型尺寸為610 m(長)×240 m(寬)×65 m(深),共劃分118 314個網格單元,86 238個節點,如圖3所示。模型在垂直于隧道延伸方向兩側邊界約束其x方向位移、隧道延伸方向兩側邊界約束其y方向位移,底部邊界約束其z方向位移,地表為自由邊界,臨時立柱樁根據實際情況約束其旋轉。

圖3 基坑支護模型

在模型中,土體采用實體單元混合網格模擬,計算分析土層采用修正M-C模型,圍護結構、盾構管片、基坑外擋土墻(攪拌樁加固)采用2D板單元(shell element)模擬,具體詳見表2所示;模型結構參數如表3所示。

表2 分析單元類型與本構模型

表3 結構材料參數

為真實反映基坑開挖施工過程對鄰近地鐵結構的影響,模擬步驟與實際開挖步驟一致,具體步驟見表4,開挖分區具體如圖4所示。

表4 施工分析步序

圖4 基坑施工分區

2.2 結果分析

由表5和圖5可知,對地鐵車站、明挖區間產生x方向(東西向)最大水平位移為0.73 mm,位于工況13即基坑⑧開挖,對地鐵車站、明挖區間產生x方向最大水平位移隨基坑工序推進基本呈現線性增加,增量約為0.03～0.06 mm/步,在工況13達到峰值,工況14、15的x方向最大水平位移數值基本與工況13持平;對地鐵車站、明挖區間產生y方向最大水平位移為2.86 mm,同樣位于工況13即基坑⑧開挖,但與x方向最大水平位移線性增加不同,y方向(南北向)最大水平位移變化曲線上有3個轉折點,分別為工況3、工況9、工況11,轉折點前后y方向最大水平位移增幅明顯出現不一樣,且隨著基坑工序發展增幅呈變大趨勢,在工況13達到峰值,工況14、15的y方向最大水平位移數值開始下降;對地鐵車站、明挖區間產生z方向(豎向)最大豎向位移為-0.63 mm,位于工況15即上部荷載施作,其變化趨勢與x方向最大水平位移較為類似,整體數值相對于x方向最大水平偏小。

表5 基坑各工況對地鐵結構及出入口影響 mm

圖5 基坑工況對地鐵結構變形影響

由表5和圖6可知,對地鐵5號出入口結構產生x方向最大水平位移為-4.98 mm,位于工況15即上部結構施作,對地鐵5號出入口產生x方向最大水平位移隨基坑工序推進呈現增幅逐漸變緩趨勢,工況7之前x方向最大水平位移增幅均值約為25%左右,工況7之后x方向最大水平位移增幅約為2.7%,主要由于工況7之后基坑開挖面距離地鐵5號出入口距離較遠,影響程度降低,引起增量較小;對地鐵5號出入口產生y方向最大水平位移為1.09 mm,位于工況13即基坑⑧開挖,與x方向最大水平位移變化相似,y方向最大水平位移增幅呈逐漸變緩趨勢,其在工況5之前y方向最大水平位移增幅均值約為66%左右,工況5之后y方向最大水平位移增幅約為2%～9%,可以看出,y方向最大水平位移比x方向最大水平位移對基坑開挖面與地鐵5號出入口水平距離敏感,但變形位移數值僅為x方向最大水平位移的1/5;對地鐵5號出入口產生z方向最大豎向位移為-2.49 mm,位于工況15即上部荷載施作,其變化趨勢呈現線性緩慢增加,增幅約為3%。

圖6 基坑工況對5號出入口變形影響

與5號出入口不同,6號出入口位于基坑正投影范圍,其布局與地鐵車站、結構同方向。由表5和圖7發現,地鐵6號出入口變形結果與表5和圖5較為類似,但變形數值上,6號出入口明顯大于地鐵結構,6號出入口的x方向最大水平位移是地鐵結構的3.3倍,6號出入口的y方向最大水平位移是地鐵結構的1.4倍,6號出入口的z方向最大豎向位移是地鐵結構的5.5倍。主要由于出入口深度相對地鐵結構較淺,與基坑深度較接近,影響更為強烈。

圖7 基坑工況對6號出入口變形影響

從上述分析可知,基本工況13是最為關鍵工序,也基本是變形最大點。根據規范要求[5],地鐵結構水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm,可知地鐵變形可控。

3 降水對地鐵的影響分析

3.1 降水設計

基坑承壓含水層為2-3層粉砂夾薄層淤泥質粉質黏土、2-4層粉土～粉砂、2-5層粉細砂、2-6層粉細砂、3層中粗砂、4層中粗砂含卵礫石。經計算,地下一層地下室抗突涌穩定性滿足要求,無須減壓降水,采用三軸攪拌樁全封閉止水。地下二層地下室區域抗突涌穩定性不滿足要求,需減壓降水。

地下水抽排危害已有很多研究[6-8],為掌握地鐵結構隨地下水位變形情況,利用PLAXIS軟件將地下水位分別降低0.5 m、1.0 m、2.0 m,引起地鐵結構變形如表6所示。

根據規范要求[5],地鐵結構水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm。由此可知,地鐵結構周邊最大水位變化約為1.0 m。

3.2 分析結果

為確保地鐵結構安全,近地鐵側止水帷幕采用TRD(55 m)進入下部巖層;遠地鐵側角部基于影響范圍和經濟角度,止水帷幕采用三軸攪拌樁懸掛方式,并通過設置不同長度(30 m、35 m和40 m)的止水帷幕(具體布置見圖8),對地鐵區域的水位降深和地層沉降進行計算,對滿足地鐵保護要求的止水帷幕長度進行分析。采用Modflow分析軟件,模型尺寸約為870 m×700 m,四周均按定水頭邊界處理,將基坑坑內水頭降至坑底以下0.5～1.0 m。

圖8 基坑止水帷幕分布

由圖9可知,止水帷幕深度30 m時,降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.097 m、0.293 m;止水帷幕深度35 m時,降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.079 m、0.264 m;止水帷幕深度40 m時,降水引起的地鐵5#、6#出入口處水位降低0.069 m、0.249 m。根據允許值和降深影響值,止水帷幕深度可按30 m考慮,水位降深趨于平緩,繼續增加止水帷幕長度意義不大。因此在確保能滿足地鐵結構沉降變形標準時,采用選擇正確的懸掛式止水帷幕區域和長度,能有效合理控制項目投資。

圖9 不同止水帷幕深度下地下水位變化

4 結論與建議

(1)相鄰地鐵車站、明挖區間最大水平位移(x方向)隨基坑開挖呈線性增加,增量約為0.03～0.06 mm/步;y方向最大水平位移出現階段性增長;最大豎向位移(z方向)與最大水平位移(x方向)類似,但數值相對其較小。

(2)當地鐵結構位于基坑端部一側時,地鐵結構最大水平位移y方向比x方向小,僅為其1/5。

(3)當地鐵結構位于基坑中部一側時,重點關注出入口變形,其數值明顯大于地鐵車站和區間結構。

(4)地鐵結構可承受最大水位變化約為1.0 m,據此確定最為經濟的止水帷幕長度。