王呼佳 許煒萍 趙楚軒 楊 朋 肖支飛

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610031,成都； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，610031,成都//第一作者，高級工程師)

針對目前大中城市有限的土地供給資源和高昂的地價，地鐵上蓋物業(yè)的合理開發(fā)已成為發(fā)展趨勢，對于上蓋物業(yè)與地鐵車站相互影響的研究亦逐漸得到關(guān)注。

近年來，眾多學(xué)者對處于復(fù)雜地層的車站安全性問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]就砂土及黏土地層基坑開挖支護(hù)特性對深基坑施工的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-6]針對軟土地層基坑施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及施工所造成鄰近結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7-9]通過數(shù)值分析方法對深基坑施工過程中土體及支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

針對地表建筑物與車站之間的相互影響關(guān)系，諸多學(xué)者也進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[10]以建筑物抵抗變形的能力作為衡量基坑外建筑物安全的指標(biāo)，提出城市軌道交通深基坑周邊建筑物安全的評估方法。文獻(xiàn)[11]以三維有限元數(shù)值分析的手段驗證了基礎(chǔ)托換的技術(shù)方法能夠有效地減小基坑開挖對地表建筑物的影響。

綜上所述，地鐵車站的施工安全已成為業(yè)界的研究熱點，并取得了諸多成果，但對于復(fù)雜地層，尤其是溶蝕風(fēng)化凹槽區(qū)的地鐵車站修建技術(shù)和上蓋物業(yè)的影響與預(yù)測分析尚不多見。本文以廣州地鐵8號線鵝掌坦站為工程依托，采用數(shù)值分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對復(fù)雜地層地鐵車站的安全評價和上蓋物業(yè)效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測分析。

1 工程概況

1. 1 依托工程概況

鵝掌坦站屬于廣州地鐵8號線，全長294 m，位于雙向四車道的西槎路東側(cè)。該站為地下3層的島式站臺車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.5 m，加寬段寬度為24 m，基坑開挖深度達(dá)到24 m。

1. 2 車站施工方案

車站采用明挖順筑法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1 m厚的地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐采用豎向4道支撐。第1道支撐為C30鋼筋混凝土支撐，截面為800 mm×1 000 mm，水平間距為9 m；第2道支撐為C30混凝土支撐，截面為800 mm×1 100 mm，水平間距為9 m；第3、4道鋼支撐為φ600 mm、壁厚16 mm的Q235鋼管，并施加預(yù)應(yīng)力。

車站結(jié)構(gòu)形式為地下三層兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂板、中板、底板與中柱、內(nèi)襯墻形成閉合框架，頂板、中板和底板設(shè)計為梁板體系。主要構(gòu)件尺寸如下：頂板厚900 mm，中板厚400 mm，底板厚1 100 mm，車站邊墻的厚度取900 mm。頂板、中板和底板均采用C35混凝土，中柱采用C50混凝土。鵝掌坦站地層剖面如圖1所示。

1. 3 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況及報告，站址區(qū)地層主要包括雜填土、淤泥、礫砂、可塑狀的粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化的碳質(zhì)灰?guī)r和中風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1. 4 現(xiàn)場監(jiān)測

在施工過程中，為保證車站施工安全，對周邊道路沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂面水平位移、墻體變形、墻體后土體側(cè)向變形和支撐軸力等項目進(jìn)行了全方位監(jiān)控。本文僅選取部分地表沉降及混凝土支撐軸力的測點作為分析對象，從中發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律并與后續(xù)的數(shù)值分析進(jìn)行驗證。共選擇12個地表沉降測點(分別為D1、D2、D6、D9、D13、D17、D20、D23、D27、D31、D34、D38)以及9個支撐軸力測點(分別為Z16、Z15、Z14、Z10、Z8、Z6、Z3、Z2、Z1)進(jìn)行分析。具體測點布置見圖2。

圖1 鵝掌坦站地層剖面圖

土層密度/(g/cm3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)變形模量/MPa泊松比雜填土1.659.45.78.00.33淤泥1.565.44.72.50.45礫砂2.03032.020.00.21粉質(zhì)黏土2.0215.69.815.00.33強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r2.0528.025.035.00.28中風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r2.40400.025.01 500.00.25

圖2 基坑測點布置圖

基坑各測點處的最終地表沉降如圖3所示。由圖3可以看出，基坑?xùn)|西側(cè)的地表沉降呈非對稱分布，其中基坑西側(cè)的沉降值略大于相同斷面處基坑?xùn)|側(cè)的沉降值，分析其原因是由基坑周邊施工物品堆放及車輛荷載導(dǎo)致；從整體來看，基坑中部的沉降要大于兩端的沉降量，最大沉降發(fā)生于基坑西側(cè)距離基坑北端部270 m處，為20.5 mm，未達(dá)到施工控制的330 mm的預(yù)警值。各測點的實測軸力如圖4所示。從圖4可以看出，在基坑深度方向上支撐軸力呈現(xiàn)增長態(tài)勢，在平面上支撐軸力分布呈現(xiàn)中間軸力大、兩端頭軸力小的特點，整體軸力均小于本工程混凝土支撐軸力設(shè)計值10 802 kN。

圖3 基坑各測點處實測地表沉降圖

圖4 基坑各測點實測軸力圖

2 數(shù)值分析

2. 1 計算方法

采用三維快速拉格朗日計算方法[12]進(jìn)行數(shù)值仿真。該方法為顯式有限差分法，可以有效模擬巖土體的屈服、軟化乃至大變形，在彈塑性、大變形及施工過程仿真等領(lǐng)域有顯著優(yōu)勢。巖土體是一種復(fù)雜的各向異性體，在外力作用下，不僅產(chǎn)生彈性變形，亦會產(chǎn)生塑性變形。因此，本文采用莫爾-庫倫彈塑性準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，其屈服準(zhǔn)則為：

(1)

(2)

式中：

c——黏聚力；

φ——內(nèi)摩擦角；

σ1——第一主應(yīng)力；

σ3——第三主應(yīng)力。

巖土體屈服后的變形是彈性和塑性的復(fù)合結(jié)果，任意應(yīng)力增量所對應(yīng)的應(yīng)變dεi,j均由彈性分量dεi,j,e和塑性分量dεi,j,p兩部分組成，即：

dεi,j=dεi,j,e+dεi,j,p

(3)

其中，dεi，j，e容易求得，dεi,j，p與塑性勢函數(shù)Q存在如下關(guān)系：

(4)

式中：

dλ——非負(fù)的瞬時比例系數(shù)；

σi，j——應(yīng)力張量。

FLAC3D軟件分別對剪、拉塑性流動進(jìn)行了定義，且對應(yīng)不同的流動法則。其中，剪塑性流動對應(yīng)非關(guān)聯(lián)流動法則，其勢函數(shù)為：

Qs=σ1-σ3Nψ

(5)

(6)

式中：

ψ——剪脹角。

拉塑性流動對應(yīng)關(guān)聯(lián)流動法則，其勢函數(shù)為：

Qt=σ3

(7)

2. 2 計算模型與參數(shù)

圖5 鵝掌坦站Flac3D計算模型圖

鵝掌坦站實際長度為294 m，基于論文的研究對象，考慮計算能力和效率，依據(jù)對稱原理對其進(jìn)行簡化，僅選取了南側(cè)長度為133 m的一段進(jìn)行分析，最終確定的計算模型如圖5所示。模型整體尺寸為193 m×146 m×54 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.5 m，擴(kuò)大段寬度為24 m，基坑開挖深度為24 m。計算模型的上邊界為自由邊界，底部以及左右前后邊界為法向約束。同時，在模型頂部結(jié)合道路分布考慮20 kN/m2的路面荷載。站址區(qū)的具體地層分布以地勘報告為準(zhǔn)，典型地質(zhì)橫剖面如圖6所示。在計算模型中，土體采用莫爾-庫倫模型，地下連續(xù)墻、車站主體結(jié)構(gòu)及上蓋建筑物均采取彈性實體模型，鋼筋混凝土內(nèi)支撐采取beam單元，鋼支撐采取cable單元。

圖6 鵝掌坦站地質(zhì)橫剖面圖

2. 3 計算工況

根據(jù)設(shè)計圖紙及勘察報告，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，數(shù)值計算分為14個工況,如表2所示。

表2 數(shù)值計算工況

2. 4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計算結(jié)果對比

圖7 地表沉降數(shù)據(jù)對比圖

本文在基坑端頭、中部以及尾部各選取部分測點的沉降值和支撐軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證分析，如圖7～8所示。從圖7可以看出，計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的吻合度較高，所有測點的相對誤差均不超過20%；從圖8混凝土支撐軸力對比來看，整體吻合度較好，僅測點Z12的相對誤差超過了20%，但考慮支撐軸力監(jiān)測設(shè)備受天氣溫度等環(huán)境因素影響較大，故數(shù)值分析方法依然具有較好的可行性。

圖8 混凝土支撐軸力對比圖

2. 5 計算結(jié)果

2. 5. 1 位移空間效應(yīng)

為了更好地表現(xiàn)基坑地表沉降及水平位移深度方向的分布規(guī)律，提取工況5的基坑標(biāo)準(zhǔn)段斷面1～3沉降橫向分布以及基坑中部水平位移云圖，具體如圖9～10所示。從圖9可以看出：距離基坑側(cè)邊緣10 m處有沉降槽出現(xiàn)，其中基坑?xùn)|側(cè)最大沉降為11 mm，基坑西側(cè)最大沉降為12 mm；在基坑兩側(cè)1 m范圍內(nèi)存在隆起現(xiàn)象，最大值為2 mm。從圖10可以看出，基坑整體均發(fā)生向開挖方向的位移，頂部及底部水平位移小，中下方位移大，整體呈現(xiàn)勺型，水平側(cè)移最大值為11.6 mm，小于《基坑工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的一級基坑開挖水平位移允許值30 mm。

圖9 基坑標(biāo)準(zhǔn)段兩側(cè)沉降分布圖

圖10 基坑中部水平位移云圖

2. 5. 2 支撐軸力隨開挖步變化

基坑開挖過程中的內(nèi)支撐軸力對基坑安全和變形控制至關(guān)重要。本文提取基坑加寬段斜撐軸力測點Z15、橫撐軸力測點Z14及基坑標(biāo)準(zhǔn)段軸力測點Z11、Z12、Z13的數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖11 支撐軸力隨開挖步變化圖

從圖11可以發(fā)現(xiàn)：支撐軸力隨著開挖的進(jìn)行呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，第1道支撐軸力變化幅度小于第2道支撐；下部支撐軸力大于上部支撐軸力，且總體軸力值均未超過施工所布置的軸力預(yù)警值 9 800 kN。

3 上蓋物業(yè)對地鐵車站的影響效應(yīng)預(yù)測

3. 1 計算模型參數(shù)

采用上述經(jīng)過校驗的計算方法和參數(shù)，在鵝掌坦站原有模型的基礎(chǔ)上修建多層建筑物，以預(yù)測上蓋物業(yè)與車站的相互影響。結(jié)合上蓋物業(yè)規(guī)劃，確定其平面尺寸為25 m×35 m，高度為21 m，采用板加側(cè)墻、中隔墻的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真，基礎(chǔ)采用1 m深的淺基礎(chǔ)，其剖面示意見圖12。

圖12 上蓋物業(yè)剖面示意圖

3. 2 地表沉降

上蓋物業(yè)的修建勢必會引起地表沉降，為了研究上蓋物業(yè)對地表沉降的影響規(guī)律，提取上蓋物業(yè)影響范圍內(nèi)的沉降等值線，具體如圖13所示。

圖13 上蓋建筑物地表沉降等值線圖

從圖13可以看出，沉降具有明顯的不均勻性，上蓋物業(yè)沿基坑橫斷面方向的不均勻沉降較為明顯，車站上方的沉降很小(大部分小于5 mm)，靠近車站側(cè)沉降為5 mm，遠(yuǎn)離車站側(cè)沉降為40 mm。根據(jù)《建筑物糾傾標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的房屋傾斜值計算公式計算得到建筑物傾斜值為0.001,小于規(guī)范中的允許傾斜標(biāo)準(zhǔn)0.006。但上蓋物業(yè)沿基坑縱斷面方向呈現(xiàn)均勻沉降態(tài)勢，究其原因是車站結(jié)構(gòu)剛度大及抵抗變形能力強(qiáng)，所以靠近基坑側(cè)沉降??；但是遠(yuǎn)離基坑側(cè)的下方為天然土體，變形較大，由此造成兩側(cè)沉降不一致。所以在實際工程中，建議對遠(yuǎn)離基坑側(cè)的地基進(jìn)行強(qiáng)化處理，或采取合理的基礎(chǔ)形式來抑制不均勻沉降?；觽?cè)的沉降較小，對周邊環(huán)境的位移影響不大，但在實際施工中尚應(yīng)對車站的受力狀態(tài)進(jìn)行關(guān)注，避免上蓋物業(yè)的附加荷載超過車站結(jié)構(gòu)的承載能力。

3. 3 中柱受力

中柱作為車站承載體系的重要一環(huán)，其應(yīng)力變化可以用來評價上蓋物業(yè)對車站受力的影響。提取車站中柱(柱號從南至北以1～16排列)的應(yīng)力數(shù)據(jù)與未施作前的中柱應(yīng)力值進(jìn)行對比，見圖14。

圖14 上蓋物業(yè)對車站中柱應(yīng)力影響曲線圖

從圖14可以看出，施作上蓋物業(yè)會造成中柱應(yīng)力增加，最大增幅位于中柱12，為3.6 MPa，并于中柱12兩側(cè)應(yīng)力逐漸遞減。施作上蓋物業(yè)后車站中柱軸力最大為6 280 kN，中柱極限承載力按不利的偏心受壓構(gòu)件計算，其承載力為15 246 kN，故施作上蓋建筑物對車站結(jié)構(gòu)影響不大。

4 結(jié)論

1) 構(gòu)建了鵝掌坦站數(shù)值分析簡化模型，通過與現(xiàn)場多項實測數(shù)據(jù)對比分析，對計算模型、方法和參數(shù)的合理性進(jìn)行了驗證，可為上蓋物業(yè)效應(yīng)預(yù)測和類似工程提供技術(shù)支持。

2) 地表沉降最大值為20.5 mm，且在基坑兩側(cè)沉降呈槽型，沉降槽出現(xiàn)位置在基坑兩側(cè)0.5H(H為開挖深度)處附近。受支撐作用的影響，基坑頂部位移小，底部位移大，整體呈現(xiàn)“勺型”；最大位移為11 mm，位于2/3H處，沉降與水平側(cè)移均小于允許值。

3) 在基坑深度方向上，下層混凝土支撐軸力大于上層支撐；在基坑長邊方向上，支撐軸力則呈現(xiàn)中間大、兩邊小的態(tài)勢。

4) 上蓋物業(yè)在車站橫斷面方向上呈現(xiàn)明顯的不均勻沉降特性，建筑物傾斜值為0.001。實際施工時可對遠(yuǎn)離車站側(cè)的土體進(jìn)行加固處理；車站中柱所受荷載小于柱承載力，表明上蓋物業(yè)的附加荷載影響不大，車站主體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。