劉 盼

(武漢地鐵股份有限公司,湖北 武漢 430000)

城市軌道交通建設(shè)在很大程度上緩和了城市交通堵塞現(xiàn)象,為公眾出行提供了便利,提高了人民的生活質(zhì)量,但隨著軌道交通線路的發(fā)展,交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越密集,致使很多線路相互交叉或緊鄰。因此,新車站的建設(shè)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致既有車站的安全問(wèn)題,需要重點(diǎn)研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在已有的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)上,給出了很多研究方法。任亞亮[1]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算鄰近基坑開(kāi)挖引起的既有車站圍護(hù)立柱樁差異變形,徐騰飛[2]對(duì)相鄰基坑開(kāi)挖的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,陳濤等[3]采用PLAXIS 3D 模擬鄰近基坑開(kāi)挖過(guò)程,分析了基坑施工對(duì)既有線路隧道的變形影響。在此采用midas GTS 數(shù)值模擬分析淺基坑開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

中一路站為8號(hào)線、12號(hào)線、21號(hào)線三線換乘車站,位于江岸區(qū)后湖大道與中一路—塔子湖東路十字路口處。8號(hào)線車站沿中一路—塔子湖東路南北向設(shè)置,已于2017年12月通車運(yùn)營(yíng),本次設(shè)計(jì)的12號(hào)線和21號(hào)線車站平行、合建,沿后湖大道東西向設(shè)置在中一路西側(cè)。12號(hào)線與21號(hào)線雙島四線同臺(tái)換乘,12號(hào)線、21號(hào)線與8號(hào)線通道換乘,其中12號(hào)線和21號(hào)線車站為地下三層框架結(jié)構(gòu)。

主體基坑采用“分幅蓋挖逆作法”施工,主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)分南北兩期分期施工。頂板作為主體基坑逆做蓋板,其對(duì)應(yīng)淺基坑分別在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢后開(kāi)挖并施工。淺基坑開(kāi)挖一側(cè)采用主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻作為支護(hù),另一側(cè)采用多重方式支護(hù),包括鋼板樁+鋼支撐、放坡+鋼筋混凝土錨桿護(hù)坡。頂板全部成型后,進(jìn)行下方深基坑開(kāi)挖及對(duì)應(yīng)主體結(jié)構(gòu)施工。本次以淺基坑為研究對(duì)象,該工程在頂板施工中采用開(kāi)挖放坡施工方式,開(kāi)挖深度 6.2 m,放坡控制坡率1∶1.25,坡面采用土釘噴錨支護(hù),按基坑支護(hù)規(guī)程評(píng)定安全等級(jí)為二級(jí)。

2 工程地質(zhì)概況

工程場(chǎng)地地貌單元均屬河流、湖泊堆積平原,為長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地。工程場(chǎng)區(qū)原為城中湖泊及耕地,后由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展,現(xiàn)已發(fā)展成為主城區(qū),房屋密集、道路交錯(cuò)、交通流量較大。場(chǎng)地地表高程一般介于20～21 m之間,地形平坦,起伏小。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

按場(chǎng)地內(nèi)地下水的賦存條件,主要為第四系上層滯水、孔隙承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。

(1)第四系上層滯水。主要賦存于(1-1)雜填土、(1-2)素填土中,主要接受地表水與大氣降水補(bǔ)給。因其含水層物質(zhì)成分、密實(shí)度、透水性、厚度等不均一性而導(dǎo)致水量大小不一,水位不連續(xù),無(wú)統(tǒng)一自由水面等特征,勘察期間測(cè)得上層滯水水位埋深1.30～3.10 m,相應(yīng)標(biāo)高17.92～19.76 m。

(2)第四系孔隙承壓水。第四系孔隙承壓水為本區(qū)(Ⅰ級(jí)階地)主要地下水,主要賦存于第四系沖積砂土和沖洪積碎石類土中,含水層上部為微弱透水的黏性土,含水層(粉砂、粉細(xì)砂、含礫中粗砂、圓礫混卵石)頂板埋深為8.30～30.10 m,含水層厚度一般為16.80～41.40 m,底板為白堊-下第三系東湖群砂礫巖、粉砂質(zhì)泥巖,埋深39.30～57.60 m?？辈炱陂g實(shí)測(cè)該層地下水位埋深4.30～6.40 m,相應(yīng)標(biāo)高13.95～16.49 m。Ⅰ級(jí)階地全新統(tǒng)孔隙水的承壓性與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切,長(zhǎng)江水位高于地下水位時(shí),江水補(bǔ)給地下水,孔隙水具弱承壓性;長(zhǎng)江水位低于地下水位時(shí),地下水補(bǔ)給江水,地下水不具承壓性,季節(jié)變化明顯,承壓水位年變化幅度為3～4 m。

(3)碎屑巖裂隙水。碎屑巖裂隙水主要賦存于白堊-下第三系東湖群砂礫巖、粉砂質(zhì)泥巖中,主要接受上部孔隙承壓水的入滲補(bǔ)給,其含水層頂面即為基巖面?；鶐r裂隙多呈閉合狀,延伸長(zhǎng)度較短,賦水性較弱,水量較小,未測(cè)得裂隙水位。

4 邊坡施工及穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 施工技術(shù)

淺基坑地質(zhì)土層主要為雜填土、黏性土,其抗剪強(qiáng)度較低,自穩(wěn)能力較差,需采取以下施工控制措施來(lái)保證基坑安全[4]。

(1)邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中需遵循“隨挖隨支,分層開(kāi)挖,及時(shí)噴錨”的施工原則,保證放坡坡率為1∶1.25,嚴(yán)禁大面積開(kāi)挖,杜絕擾動(dòng)未開(kāi)挖土體,基坑邊部2 m范圍內(nèi)禁止堆土,防止坡頂均布荷載過(guò)大導(dǎo)致邊坡滑裂。在特殊天氣施工時(shí),應(yīng)提前安排施工計(jì)劃,防止邊坡開(kāi)挖后不能及時(shí)噴錨而造成掌子面滑坡隱患。淺基坑開(kāi)挖橫斷面如圖1所示。

圖1 淺基坑開(kāi)挖橫斷面(單位:mm)

(2)土釘墻施工時(shí),應(yīng)注意對(duì)原雨水箱涵的保護(hù),防止施打土釘時(shí)打破雨水管路。土釘注漿采用PC 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,并摻入早強(qiáng)劑,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出注漿壓力為0.4 MPa左右。土釘鎖定筋與土釘采用滿焊焊接連接,焊接高度≥0.3d(d為土釘直徑)。鋼筋網(wǎng)鋼筋搭接長(zhǎng)度不小于一個(gè)網(wǎng)格寬度。土釘鋼筋端部通過(guò)錨頭筋與面層內(nèi)的加強(qiáng)筋及鋼筋網(wǎng)連接時(shí),其相互之間應(yīng)可靠焊牢。

(3)邊坡開(kāi)挖時(shí)應(yīng)提前對(duì)地表、既有車站、坡頂和坡底布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,掌握邊坡穩(wěn)定情況,并可依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化后續(xù)施工工藝,積累施工經(jīng)驗(yàn)。

(4)基坑邊坡底部應(yīng)隨挖隨做排水溝槽,溝槽須有5‰的坡度,便于積水匯流,并采用水泥砂漿做防滲處理,防止邊坡底部積水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起滲透垮塌。底部開(kāi)挖較長(zhǎng)的地段,有條件時(shí)可適當(dāng)做集水井,并安裝排水泵。

(5)施工之前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)交底,讀懂圖紙,按圖施工。并提前做好工藝流程及說(shuō)明,根據(jù)實(shí)際情況可在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo),施工技術(shù)人員需全程參與施工過(guò)程[5]。土釘與面層連接如圖2所示,土釘墻立面如圖3所示。

圖2 土釘與面層連接示意圖

圖3 土釘墻立面圖(單位:mm)

4.2 土釘墻邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

淺基坑開(kāi)挖處于交通流量較大地段,地表有均布荷載產(chǎn)生,又與既有車站距離較近,故應(yīng)重點(diǎn)控制土釘墻邊坡的穩(wěn)定性,穩(wěn)定計(jì)算示意圖如圖4所示。

圖4 土釘墻邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意圖

依據(jù)基坑支護(hù)規(guī)范,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,對(duì)相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值如下:q為無(wú)限均布荷載,25 kPa;h為基坑開(kāi)挖深度,6.2 m;b為基坑水平投影寬度,9.3 m;h1為①層土的厚度,取4 m;h2為②層土的厚度,取4.2 m;h3為③層土的厚度,取3 m。各層土力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各層土的力學(xué)參數(shù)

基于以上參數(shù),根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)第5.1節(jié)的規(guī)定,計(jì)算可得土釘墻抗隆起安全系數(shù)Kb=1.74>1.6,滿足規(guī)范要求。綜合分析,土釘墻邊坡穩(wěn)定性滿足要求。

5 數(shù)值模擬分析

采用midas GTS 進(jìn)行數(shù)值模擬建立有限元模型,土體運(yùn)用本構(gòu)模型及Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則,車站結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。本基坑開(kāi)挖深度6.2 m,但考慮基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,基坑邊交通流密集且鄰近建筑物,安全風(fēng)險(xiǎn)定為二級(jí)。根據(jù)圣維南原理,縱向取3×6.2=18.6 m,橫向取6.2×3=18.6 m,土體頂面自由,其余三面采用約束限制。數(shù)值模擬分析采用與施工三層開(kāi)挖過(guò)程相同進(jìn)程,分別模擬第一層土方開(kāi)挖、第二層土方開(kāi)挖、第三層土方開(kāi)挖引起的邊坡位移和既有車站位移變化情況。

5.1 施工過(guò)程模擬分析

(1)第一層土方開(kāi)挖。

分析第一層土方開(kāi)挖深度2.1 m引起的自重應(yīng)力釋放,計(jì)算邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據(jù)計(jì)算,第一層土方開(kāi)挖后邊坡中上部位移變化0.2 mm,既有車站豎向位移變化 0.018 mm,水平位移變化0.025 3 mm。各位移變化值遠(yuǎn)小于地鐵標(biāo)準(zhǔn)控制值20 mm。

(2)第二層土方開(kāi)挖。

分析第二層土方開(kāi)挖深度2.1～4.2 m引起的自重應(yīng)力釋放,分析邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據(jù)計(jì)算,第二層土方開(kāi)挖后邊坡中部位移變化為2.7 mm,既有車站豎向位移變化1.4 mm,水平位移最大值發(fā)生在中板處為0.206 mm,分析原因?yàn)榈诙油练介_(kāi)挖后,自重應(yīng)力釋放較大,加之周邊活動(dòng)荷載較大,引起邊坡土體移動(dòng)。各位移變化值遠(yuǎn)小于地鐵標(biāo)準(zhǔn)控制值20 mm。

(3)第三層土方開(kāi)挖。

分析第三層土方開(kāi)挖深度4.2～6.2 m引起的邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據(jù)計(jì)算,第三層土方開(kāi)挖后邊坡的最大位移仍發(fā)展在中部為4.6 mm,分析原因?yàn)檫吰路牌缕侣蚀笥谕馏w內(nèi)摩擦角,致使邊坡有向下的滑動(dòng)趨勢(shì)。既有車站豎向位移變化左側(cè)為4.01 mm,右側(cè)為2.22 mm,水平位移最大值發(fā)生在左側(cè)為0.335 mm。車站整體豎向變化較大,水平變化值可忽略,各位移值遠(yuǎn)小于地鐵標(biāo)準(zhǔn)控制值20 mm,表明既有結(jié)構(gòu)安全。

(4)施工結(jié)束后。

分析淺基坑施工結(jié)束后邊坡位移、既有車站的豎向和水平位移變化情況。

根據(jù)計(jì)算,淺基坑施工結(jié)束后,既有車站受到土壓力的作用,豎向位移由4.01 mm 減小到2.8 mm,發(fā)生在中板位置處;頂板的豎向變化為2.7 mm;水平位移由0.335 mm增加到0.4 mm,增加量小,可忽略。

5.2 模擬驗(yàn)算結(jié)論

由數(shù)值模擬結(jié)果可知,淺基坑開(kāi)挖中因土體擾動(dòng)引起的邊坡最大沉降為4.6 mm,但小于控制值20 mm。既有車站在土方回填后豎向位移由4.01 mm減小到2.8 mm,水平位移為0.4 mm,既有車站屬于已穩(wěn)定體系,各力學(xué)參數(shù)處于靜力平衡狀態(tài),相對(duì)變化量較小。故綜合以上模擬計(jì)算結(jié)果,變形值均小于控制值,既有車站結(jié)構(gòu)安全。

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

按專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行布點(diǎn),重點(diǎn)對(duì)地表豎向變形、基坑邊坡豎向和水平位移,以及既有車站結(jié)構(gòu)豎向和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),并選取影響范圍較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1)地表豎向位移。各測(cè)點(diǎn)地表豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 地表豎向位移

由圖5可知,地表變形最大值為1.61 mm,方向向下;最小值為0.1 mm,變形值低,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的20 mm,故現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)措施到位,地表穩(wěn)定。

(2)放坡邊坡豎向位移及水平位移。

基坑邊坡按照設(shè)計(jì)方案1∶1.5坡率進(jìn)行放坡開(kāi)挖,分別在坡頂和坡底布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),匯總各監(jiān)測(cè)點(diǎn)一個(gè)月的累計(jì)變化值進(jìn)行分析,邊坡豎向位移見(jiàn)圖6,水平位移見(jiàn)圖7。

圖6 邊坡豎向位移

圖7 邊坡水平位移

由圖6、圖7可知,邊坡豎向位移最大值為2.93 mm,方向向下;最小位移為0.35 mm,方向向上。水平位移最大值為2.8 mm,最小值為0.1 mm。不論豎向位移還是水平位移,實(shí)際變形值均小于控制值 20 mm,說(shuō)明放坡安全可控。

(3)既有車站豎向位移及水平位移。既有車站豎向位移見(jiàn)圖8,水平位移見(jiàn)圖9。

圖8 既有車站豎向位移

圖9 既有車站水平位移

由圖8、圖9可知,既有車站的豎向位移最大值為1.6 mm,方向向上,最小值位移為0.4 mm,方向向下;水平位移最大值為3.3 mm,最小值為0.4 mm。不論豎向位移還是水平位移,實(shí)際變形值均小于控制值30 mm,說(shuō)明既有車站安全可控。

(4)通過(guò)對(duì)淺基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表和邊坡位移監(jiān)測(cè),既有車站結(jié)構(gòu)和地表的沉降量均很小,表明淺基坑開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)小。邊坡豎向位移變化值最大為2.93 mm,說(shuō)明已開(kāi)挖土體的受力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,對(duì)機(jī)械設(shè)備的施工和運(yùn)行有一定的影響,但總體位移變化可控,既有車站安全。

7 結(jié) 論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析,既有地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為4.01 mm,基坑放坡水平位移和豎向位移變化值較小,均在規(guī)范控制范圍內(nèi),表明對(duì)既有車站安全影響小。

(2)施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按臺(tái)階控制土方施工,分層開(kāi)挖,禁止大斷面開(kāi)挖,開(kāi)挖中應(yīng)注意對(duì)坡面的保護(hù),防止擾動(dòng)坡面穩(wěn)定土體,并及時(shí)進(jìn)行土釘噴錨。

(3)施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),注意分析監(jiān)測(cè)中所發(fā)生的異常情況。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示邊坡豎向位移為2.93 mm,小于控制值20 mm,坡面安全穩(wěn)定。

(4)土釘施工應(yīng)分段施打,并結(jié)合受力特點(diǎn)防止在打入過(guò)程中折斷,需保證土釘20°的傾入角,以加大土釘?shù)目够?控制邊坡滑塌。