软弱土地区基坑工程对邻近地铁结构的影响分析

张 杰, 沈晓伟, 管珊珊

(1.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014;2.南京地铁集团有限公司,江苏 南京 210008)

近几年,随着城市建设的不断推进,城市交通网络建设发展迅速,地铁沿线作为众多开发项目首选的黄金地段,不乏与既有地铁结构邻近工程。南京有长江漫滩、滁河漫滩、秦淮河漫滩等软弱土区域,软土强度低、压缩性高、灵敏度高,砂层深厚、承压水头高、渗透性大,南京有30%地铁线路位于漫滩区范围内,施工过程中极易引起临近地铁结构变形,诱发管片开裂、漏水等病害,影响地铁结构安全和正常运营,如何有效控制基坑施工产生的变形影响研究显得十分必要。

目前国内外学者对此已有相关研究,袁静等[1]以杭州软土地层条件下深基坑工程对地铁隧道及车站变形影响分析为例,通过采取较高刚度的双排桩等措施,有效地控制了地铁结构变形;黄睿等[2]利用三维激光扫描技术分析软土地区深基坑开挖对临近地铁结构的影响;杨东雷等[3]、郭典塔等[4]分析了基坑与地铁区间隧道水平、竖向净距变化对既有地铁结构变形影响规律。

但目前针对施工各工况对地铁结构变形发展趋势的研究相对较少,本文以邻近南京地铁既有2号线鱼嘴站-天保街站(含)明挖区间的基坑工程为例,研究基坑各工况对地铁结构变形发展趋势,以及在确保能满足地铁结构沉降变形标准时,采用选择正确的悬挂式止水帷幕区域和长度,可有效合理节约项目投资,为类似项目工程提供一定的借鉴。

1 工程概况

基坑工程位于地铁2号线鱼嘴站-天保街站(含)明挖区间北侧,基坑长度约为251.8 m,宽度约为46.7～75.1 m,基坑分为一、二两期,一期为地下一层,开挖深度约5.0～6.4 m;二期为地下二层,临近地铁侧开挖深度约8.6～10.5 m。基坑支护与地铁明挖区间、车站主体、5号出入口、6号出入口最小水平距离分别约为15.5、15.0、16.3和19.1 m,对应明挖区间、天保街站车站主体、5号出入口、6号出入口的埋深分别约为16.4、15.6、13.0和13.0 m,如图1所示。

图1 基坑工程与地铁平面关系(单位:m)

1.1 地铁结构概况

天保街站为地下两层双(三)跨箱形结构,车站共设置7个出入口和3组风道,车站围护结构采用800 mm厚地连墙,墙底进入岩层,车站底板以下设置减沉桩,桩底位于中粗砂层。根据监测结果显示,自运营以来,地铁结构工后累计沉降量最大值为4.6 mm,百日变化速率最大值 0.021 mm/d,基本处于稳定状态。

1.2 基坑工程概况

地块上部为5栋主楼、3栋附属用房,基坑地下1层支护采用三轴搅拌桩内插管桩,基坑地下2层采用钻孔桩支护+TRD止水(入强风化岩深度不少于1.0 m),基坑支护结构详见图2。

图2 基坑支护结构平面(单位:mm)

1.3 地质概况

拟建工程属于长江漫滩地貌,基坑从上到下主要为1-1杂填土、1-2素填土,2-2淤泥质粉质黏土。承压水主要为2-3层粉砂夹薄层淤泥质粉质黏土、2-4层粉土～粉砂、2-5层粉细砂、3层中粗砂、4层中粗砂含砾卵石,具体土体力学参数指标如表1所示。

表1 土体物理力学参数

2 MADIS数值影响分析

2.1 计算模型

本文采用MIDAS-GTS软件建立数值模型,模型尺寸为610 m(长)×240 m(宽)×65 m(深),共划分118 314个网格单元,86 238个节点,如图3所示。模型在垂直于隧道延伸方向两侧边界约束其x方向位移、隧道延伸方向两侧边界约束其y方向位移,底部边界约束其z方向位移,地表为自由边界,临时立柱桩根据实际情况约束其旋转。

图3 基坑支护模型

在模型中,土体采用实体单元混合网格模拟,计算分析土层采用修正M-C模型,围护结构、盾构管片、基坑外挡土墙(搅拌桩加固)采用2D板单元(shell element)模拟,具体详见表2所示;模型结构参数如表3所示。

表2 分析单元类型与本构模型

表3 结构材料参数

为真实反映基坑开挖施工过程对邻近地铁结构的影响,模拟步骤与实际开挖步骤一致,具体步骤见表4,开挖分区具体如图4所示。

表4 施工分析步序

图4 基坑施工分区

2.2 结果分析

由表5和图5可知,对地铁车站、明挖区间产生x方向(东西向)最大水平位移为0.73 mm,位于工况13即基坑⑧开挖,对地铁车站、明挖区间产生x方向最大水平位移随基坑工序推进基本呈现线性增加,增量约为0.03～0.06 mm/步,在工况13达到峰值,工况14、15的x方向最大水平位移数值基本与工况13持平;对地铁车站、明挖区间产生y方向最大水平位移为2.86 mm,同样位于工况13即基坑⑧开挖,但与x方向最大水平位移线性增加不同,y方向(南北向)最大水平位移变化曲线上有3个转折点,分别为工况3、工况9、工况11,转折点前后y方向最大水平位移增幅明显出现不一样,且随着基坑工序发展增幅呈变大趋势,在工况13达到峰值,工况14、15的y方向最大水平位移数值开始下降;对地铁车站、明挖区间产生z方向(竖向)最大竖向位移为-0.63 mm,位于工况15即上部荷载施作,其变化趋势与x方向最大水平位移较为类似,整体数值相对于x方向最大水平偏小。

表5 基坑各工况对地铁结构及出入口影响 mm

图5 基坑工况对地铁结构变形影响

由表5和图6可知,对地铁5号出入口结构产生x方向最大水平位移为-4.98 mm,位于工况15即上部结构施作,对地铁5号出入口产生x方向最大水平位移随基坑工序推进呈现增幅逐渐变缓趋势,工况7之前x方向最大水平位移增幅均值约为25%左右,工况7之后x方向最大水平位移增幅约为2.7%,主要由于工况7之后基坑开挖面距离地铁5号出入口距离较远,影响程度降低,引起增量较小;对地铁5号出入口产生y方向最大水平位移为1.09 mm,位于工况13即基坑⑧开挖,与x方向最大水平位移变化相似,y方向最大水平位移增幅呈逐渐变缓趋势,其在工况5之前y方向最大水平位移增幅均值约为66%左右,工况5之后y方向最大水平位移增幅约为2%～9%,可以看出,y方向最大水平位移比x方向最大水平位移对基坑开挖面与地铁5号出入口水平距离敏感,但变形位移数值仅为x方向最大水平位移的1/5;对地铁5号出入口产生z方向最大竖向位移为-2.49 mm,位于工况15即上部荷载施作,其变化趋势呈现线性缓慢增加,增幅约为3%。

图6 基坑工况对5号出入口变形影响

与5号出入口不同,6号出入口位于基坑正投影范围,其布局与地铁车站、结构同方向。由表5和图7发现,地铁6号出入口变形结果与表5和图5较为类似,但变形数值上,6号出入口明显大于地铁结构,6号出入口的x方向最大水平位移是地铁结构的3.3倍,6号出入口的y方向最大水平位移是地铁结构的1.4倍,6号出入口的z方向最大竖向位移是地铁结构的5.5倍。主要由于出入口深度相对地铁结构较浅,与基坑深度较接近,影响更为强烈。

图7 基坑工况对6号出入口变形影响

从上述分析可知,基本工况13是最为关键工序,也基本是变形最大点。根据规范要求[5],地铁结构水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm,可知地铁变形可控。

3 降水对地铁的影响分析

3.1 降水设计

基坑承压含水层为2-3层粉砂夹薄层淤泥质粉质黏土、2-4层粉土～粉砂、2-5层粉细砂、2-6层粉细砂、3层中粗砂、4层中粗砂含卵砾石。经计算,地下一层地下室抗突涌稳定性满足要求,无须减压降水,采用三轴搅拌桩全封闭止水。地下二层地下室区域抗突涌稳定性不满足要求,需减压降水。

地下水抽排危害已有很多研究[6-8],为掌握地铁结构随地下水位变形情况,利用PLAXIS软件将地下水位分别降低0.5 m、1.0 m、2.0 m,引起地铁结构变形如表6所示。

根据规范要求[5],地铁结构水平位移最大限值5 mm,最大沉降10 mm,最大上浮5 mm。由此可知,地铁结构周边最大水位变化约为1.0 m。

3.2 分析结果

为确保地铁结构安全,近地铁侧止水帷幕采用TRD(55 m)进入下部岩层;远地铁侧角部基于影响范围和经济角度,止水帷幕采用三轴搅拌桩悬挂方式,并通过设置不同长度(30 m、35 m和40 m)的止水帷幕(具体布置见图8),对地铁区域的水位降深和地层沉降进行计算,对满足地铁保护要求的止水帷幕长度进行分析。采用Modflow分析软件,模型尺寸约为870 m×700 m,四周均按定水头边界处理,将基坑坑内水头降至坑底以下0.5～1.0 m。

图8 基坑止水帷幕分布

由图9可知,止水帷幕深度30 m时,降水引起的地铁5#、6#出入口处水位降低0.097 m、0.293 m;止水帷幕深度35 m时,降水引起的地铁5#、6#出入口处水位降低0.079 m、0.264 m;止水帷幕深度40 m时,降水引起的地铁5#、6#出入口处水位降低0.069 m、0.249 m。根据允许值和降深影响值,止水帷幕深度可按30 m考虑,水位降深趋于平缓,继续增加止水帷幕长度意义不大。因此在确保能满足地铁结构沉降变形标准时,采用选择正确的悬挂式止水帷幕区域和长度,能有效合理控制项目投资。

图9 不同止水帷幕深度下地下水位变化

4 结论与建议

(1)相邻地铁车站、明挖区间最大水平位移(x方向)随基坑开挖呈线性增加,增量约为0.03～0.06 mm/步;y方向最大水平位移出现阶段性增长;最大竖向位移(z方向)与最大水平位移(x方向)类似,但数值相对其较小。

(2)当地铁结构位于基坑端部一侧时,地铁结构最大水平位移y方向比x方向小,仅为其1/5。

(3)当地铁结构位于基坑中部一侧时,重点关注出入口变形,其数值明显大于地铁车站和区间结构。

(4)地铁结构可承受最大水位变化约为1.0 m,据此确定最为经济的止水帷幕长度。