紧临既有地铁站两侧深基坑支护与施工方案研究.pdf

紧临既有地铁站两侧深基坑支护与施工方案研究刘莎（中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉４３００６３）・岩土工程・摘要以北京地铁ｌｏ号线二期角门西站主体明挖基坑工程为例，对避免影响既有４号线地铁车站运营的深基坑支护及施工方案进行了探讨，针对两线结构间土体不加固且单侧开挖实施完毕再开挖另一侧、土体加固且单侧开挖实施完毕再开挖另一侧、土体加固且两侧非对称开挖３种不同施工方案，采用Ｐｌａｘｉｓ有限元分析软件分别建立二维岩王一结构模型进行了数值模拟分析，提出两线结构间土体加固对减小既有线地铁结构位移的必要性、含吊脚桩深基坑的支护做法以及两侧深基坑非对称开挖条件下既有地铁结构的位移变化规律等结论，可为类似工程提供参考，关键词深基坑支护吊脚桩非对称开挖土体加固位移控制中图分类号Ｔｕ４７３．２文献标识码Ｂ——文章编号１００９４５３９（２叭４）增１０３６７一０４１引言随着城市建设的快速发展，大城市轨道交通线网日益完善并趋于密集，城市地下空间开发也日益饱和，导致越来越多的新建基坑工程临近既有运营地铁线路，如地下空间商业开发、周边建（构）筑物地下室、与既有线换乘的新建地铁车站等。基坑非对称开挖产生的偏压会引起坑边土体产生位移，从而导致既有地铁结构产生相应的内力和变形，严重影响地铁运营安全。总结国内外以往的工程实例，既有运营地铁线路的变形控制标准均非常严格：车站或隧道结构水平位移４～２０ｍｍ，竖向位移±２０ｍｍ，变形缝处的差异沉降３～４ｍｍ；轨道结构水平位移４～１５ｍｍ，竖向位移±１５…ｍｍ。因此，为保证基坑开挖及既有线路运营安全，选择合理的支护及施工方案对控制因偏压造成的既有地铁结构变形至关重要。近年来，许多专家学者针对邻近基坑施工对既有结构的影响进行了研究，取得了一系列成果。曾’远等１ｏ等研究了张杨路站基坑开挖时新旧地铁车站间距、源头变形、土体变形模量３个因素对既有运—收稿日期：２叭４一０３１３铁道建筑技术只Ａ『ＬＭｙＣ０～Ｓ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ营车站的影响，给出了既有车站侧向变形最大值的’估算公式；李伟强等０研究了大面积基坑开挖时基坑回弹引起在建公寓楼倾斜的原因，提出开挖时需注意施工顺序、组织管理及基坑回弹的预测；李志’高等Ｈ研究了邻近大刚度地铁车站的基坑开挖位移场的位移传递规律，发现大刚度地铁车站对基坑“”开挖存在遮拦效应；张雷等。５。针对深基坑宽度对临近建筑物的影响进行了有限元分析，并给出了建‘议的影响范围；李新星６１分析和反算了邻近基坑开挖的运营地铁车站结构的稳定性及其允许变形，建议车站结构变形控制标准取４ｍｍ；褚峰一。等探讨了土体小应变条件下超深基坑的变形特性，发现考虑土体小应变刚度特性可以显著减小超深基坑的变形。下面以北京地铁１０号线二期角门西站主体明挖基坑工程为例，对避免影响既有４号线地铁车站运营的深基坑支护及施工方案进行了探讨，并采用ＰｌａｘｉｓＶ８．２软件建立二维岩土一结构模型对不同施工方案进行了数值模拟分析，总结出相关工程经验，为今后类似工程提供参考。２工程概况北京地铁１０号线二期角门西站沿石榴庄路东２０，４ｆ增ＴＪ３６７万方数据・岩土工程・西向布置，与沿马家堡西路南北向布置的既有地铁４号线角门西站实现通道换乘（见图１）。既有车站为两端地下二层明挖＋中间三联拱暗挖结构，暗挖段长２９．７ｍ，断面最宽２２．１ｍ，最高９．９ｍ，如图１斜线填充阴影所示。１０号线二期车站为两端地下三层明挖＋中间双向马蹄形暗挖通道结构，暗挖段长３５．１ｍ，断面最宽１０．１ｍ，最高９．１ｍ，如图１圆形填充阴影所示。＝ｊ一一…～ｄ女．１一角门西蠡ｒ瞄：瑚一／两圈西站．图１场地总平面１０号线二期角门西站主体结构覆土约４．７ｍ，两端明挖基坑深２６．６５ｍ；暗挖通道位于地下三层，零距离下穿既有４号线三联拱暗挖结构；两线车站主体结构之间水平距离约６．５ｍ（见图２）。—●，。。。墨壅嬖婺娶昙霎站，。。ｆ｝６５０６。／三联挟暗挖段：６５０疥掏０４是二期角ｆＪｏ号线二冉＃门。西刊西明挖段ｌ西站东明＇砗段ＩＪ限。ｏＬＵ“１０＝Ｑ．２监擎０６５ｌ、Ⅲ５．０２９～８００ＬＬ３５１００ＬＩ．８００茸图２两线地铁结构相对位置角门西站地质主要以填土、粉质黏土及卵石层为主，主要土层的物理力学参数见表ｌ。３基坑支护及施工方案既有地铁４号线角门西站正式通车运营于２００９年１０月，１０号线二期角门西站临近４号线的２排主体围护桩及双向暗挖通道均已在既有线通车前施工完毕。综合考虑基坑自身风险及施工对既有运营线路的安全影响，后续１０号线车站两端的明挖深基坑设计与施工从以下３个方面进行研究：３６８铁道建筑技术表１土层物理力学性质重度／渗透系数／土层编号土层名称Ｃ／ｋＰａ西／（。）（ｋＮ・ｍ。）（ｍ・ｄ～１）—ｌｌ素填土１６．５８１０２一ｌ粉细砂１９．５０２０ｌ３卵石２０．５０３５８０４一ｌ粉质黏土２０５９１６．８０．１４卵石２ｌ０４０１５０５一ｌ粉质黏土１８．９５ｌ１５．７０．１５卵石２１．５Ｏ４５１５０（１）吊脚桩的支护稳定。下穿暗挖通道在起始处与终点处与先期实施的围护桩冲突，围护桩位于通道内的部分被截断后变成吊脚桩（见图３）。为保证吊脚桩长范围内支撑体系的稳定性，防止桩端发“”生踢脚现象，１０号线基坑优先选择设置连接较为稳固的混凝土斜撑。本站吊脚桩长度内拟设置４道支撑，其中除第二道采用钢斜撑外，第一、三、四道均采用砼斜撑，以形成完整的空间框架支撑体系（见图４）。刮蕊蒙加固范围ｔ蔓｝％Ｍ登一￡补充注浆加固范围＼一第一道～—羽赛婚枣汰醚Ｚ铟斜接．一掣∥剽瑚Ｈ妻涟．１０凸猁卜第三道砼，斗搏——＿ｌ。匠：＼第四道—鼻胖预埋水平注浆戬葛葛”＼围护桩部分截断１ｊ一１．４未ｎ．∞Ｌ砼斜撑凸凸●—。Ｌｏ＼第五道、＾ｌｎｎｎ国ｌ４ｎｎ宝图４明挖基坑支护结构布置（２）与既有结构间的土体加固。１０号线围护桩只Ａ『Ｌ¨饵ｙＣＯ～Ｓ丁ＲＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣｌＨ～ＯＬＯＧｙ２０７４ｆ增７Ｊ万方数据・岩土工程・外侧与既有线结构净距约５．５ｍ，对该部分土体进行加固有利于限制既有线发生水平侧移、保证运营安全。本站拟采用预注浆加固＋补充注浆加固方案，其中明挖基坑外侧２ｍ范围内进行预注浆加固，“”形成注浆墙，同时预留３ｍ补充注浆加固范围，后期施工过程中酌情进行补充注浆加固（见图３）。预注浆采用地面垂直注浆管，按间距１．ｏ×１．４ｍ布置；补充注浆采用预埋水平注浆管，按间距１．４×１．４ｍ布置（见图４）。（３）明挖基坑的施工组织。１０号线二期车站暗挖通道两侧存在东、西明挖基坑，两侧基坑施工组织可有多种方案，如两侧完全对称开挖、单侧开挖实施结构完毕再开挖另一侧、两侧非对称开挖等。综合考虑现场施工条件及施工工期的影响，要实现两侧完全对称开挖或单侧开挖实施结构完毕再开挖另一侧较为难度，因此本站两侧基坑拟采用非对称开挖，整个施工过程中两侧开挖面存在最大高差１４ｍ。开挖面高差引起的偏压会使坑边土体产！生位移，从而导致既有地铁结构产生相应的内力和变形，对既有运营地铁安全非常不利，因此很有必要对以上几种施工方案进行下一步的有限元分析与比较。４施工方案有限元分析４．１计算模型采用Ｐｌａ）【ｉｓＶ８．２有限元分析软件，针对３种不同施工工况分别建立二维岩土一结构模型，对不同施工方案下两侧基坑开挖时既有线结构的变形位移进行了ｊ卣限元分析。模型总尺寸取６０ｍ（竖向）×１４０ｍ（水平），自动划分网格（见图５）。地质土层采用Ｓｏｉｌ单元模拟；既有４号线地铁结构、１０号线二期暗挖段结构及先期施工围护桩均采用Ｐｌａｔｅ单元模拟．其中围护桩单元尺寸根据等效刚度换算而得；１０号线二期主体基坑砼支撑、钢支撑及车站结构板均：果用Ａｎｃｈｏｒ单元进行模拟；计算时选用较—为先进的ＨＳ本构模型。图５模型有限元网格铁道建篱技术ＲＡｆＬＭｙＣ０～Ｓ丁开ＵＣ丁『０～任－ｃＨ～０ＬＯＧｙ３种不同施工工况涉及保护措施、施工组织等因素，分别对应３个有限元模型（见表２）。表２不同有限元模型的特征模型编号保护措施施工组织工况ｌ土体不加固单侧开挖实施完毕再开挖另一侧工况２土体加固单侧开挖实施完毕再开挖另一侧工况３土体加固两侧非对称开挖４．２计算步序模型的计算步序严格参照施工过程设定，尽量还原真实的施工过程。工况ｌ、工况２随挖随撑到基坑底部，然后逐层浇筑结构板逐层拆撑到顶部。工况３则是两侧基坑初次开挖存在时间差，导致开挖面始终存在高差，但各侧开挖亦遵守工况１或２的步序完成。３种工况的主要计算步序如图６所示。ａ．工况ｌ／２／３初始状态ｂ．工况１／２开挖到坑底Ｉ．众譬，＿ｃ．工况１／２单侧结构施工完毕ｄ．工况３两侧基坑高ｌｌｍＩ瓣＿ｅ．工况３两侧基坑高差１４ｍｆ．工况３两侧结构施工完毕图６有限元模型主要计算步序４．３计算结果及分析３种不同工况下既有地铁结构水平及竖向位移的有限元分析结果如图７所示，最大位移具体数据如表３所示。表３不同模型的最大位移模型编号最大水平位移／ｍｍ最大竖向位移／ｎｕｎ工况ｌ４．９３７．２０工况２３．２“３．工况３１．４７３．５２２０１４ｌ增１ｌ万方数据・岩土工程・ａ．工况ｌ水平位移４２０—２一ｄ一６—８睡筐ｂ．工况１竖向位移ｃ．工况２水平位移ｄ．工况２竖向位移ｅ．工况３水平位移ｆ．工况３竖向位移图７不同模型的计算结果表３及图７显示，１０号线明挖基坑施工使既有线车站结构产生了趋向于坑内侧的水平位移及向上的竖向位移；并且基坑开挖前采取的土体加固措施效果明显，即在加固工况下既有线车站结构产生的水平及竖向位移小于未加固工况下的位移；同时两侧明挖基坑开挖面高差越大，产生的偏压越大，既有线结构水平及竖向位移也越大。因此两线地铁结构间的土体加固措施及开挖面高差的控制对于减小既有线结构的位移及运营风险非常重要。为研究既有线结构位移的发生规律，选取有限元模型中Ａ～Ｇ共７个位移控制点，控制点均位于既有线结构底板上（见图２）。根据计算数据，加固工况下各计算点的水平位移随开挖步序变化的情况如图８所示。由图８可看出，Ａ点水平位移最大，其次为Ｂ点及Ｃ点，而Ｄ～Ｇ点水平位移均几乎为Ｏ，表明１０号线两侧明挖基坑施工对开挖深度较大一侧的既有线结构影响较大，对另一侧则影响较小；并且既有线结构离明挖基坑越近，产生的位移越大。既有４号线车站结构的最不利点为Ａ点，其在不同工况下的水平及竖向位移如图９所示，从中亦可看出加固措施及控制两侧基坑开挖面高差的必要性。ｌ如ｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅ雎ｎｔ【ｎ迥３．５ｅ一３３ｅ一３２．５ｅ一３２ｅ一３１．５ｅ一３１ｅ一３５ｅ一４Ｏ一５ｅ一４ｓｔｅｐａ．工况２各计算点水平位移Ｉ如ｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅ田ｅｎｔ【ｍ】２ｅ一３１．５ｅ一３ｌｅ一３５ｅ一４０—５ｅ一４膳匡工况２一ＰｏｉｎｔＡ—ＰｏｉｎｔＢ—ＰｏｉｎｔＣ—ＰｏｉｎｔＤ—ＰｏｉｎｔＥ—ＰｏｉｎｔＦ—ＰｏｉｎｔＧＳｔｅｐｂ．工况３各计算点水平位移ＰｏｉｎｔＡＰｏｉｎｔＢＰｏｉｎｔＣＰｏｉｎｔＤＰｏｉｎｔＥＰｏｉｎｔＦＰｏｉＩｌｔＧ图８各计算点水平位移４．４方案选定根据工程类比及１０号线两端明挖基坑施工对既有４号线车站结构影响的评估报告，要求既有线结构水平位移不大于３ｍｍ，竖向位移不大于４ｍｍ。３种工况有限元模型的分析结果表明，工况３能满足其位移控制要求，同时工况３中两侧基坑不同步（下转第３７９页）３７０铁道建筑技术ＲＡ『ＬＭｙＣ０～Ｓ丁开ＵＣ丁ｆＯ～丁ＥＣＨ～Ｏｆ＿ＯＧｙ２Ｄ７４ｆ增ＴＪ万方数据・岩土工程・５实际应用６结束语—经现场实测，钻机选用浙江产ＪＣＤ１００型潜孔钻，一个班次（１２ｈ）可有效钻孑Ｌ１２ｍ长５根。现场配置５台钻机，按２个班次，每个班次配４台钻机，１台备用，一天最低有效进尺为４８０ｍ。按此配置工程于２０１０年６月１０日开始钻孔，历时８３ｄ，于２０１０年８月３１日顺利结束，满足了路局和施组工期要求，顺利完成了抢险加固任务。沪昆铁路Ｋ６９８＋４４０～Ｋ６９９＋３５０抢险加固防护工程中利用潜孔钻机不仅有效提高了钻孑Ｌ效率，同时解决了一般钻机和专业钻机无法钻至设计深度的问题。经过实际使用后，证明综合效率是一般钻机的３倍，是专业钻机的１．５倍，确保了工期目标，及时有效地对既有边坡进行了加固，有效防止了次生灾害的发生，为今后类似工程积累了宝贵施工经验。————■—’■■———・＋。卜＊卜一＋。一一卜一一一一一一－＋一一一＋＿一＇卜一＋一一＋一＋一＋一＋一＋・・＋－＋一＋一＋一＋＊＋一＋一＋一＋一十一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一十一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋．（上接第３７０页）开挖亦能较好地节约工期，故选定工况３作为最终施工方案。Ｓｔ印ａ．Ａ点水平位移ｏ＿０１ｆＰｏｉｎｔＡ“８９３ｆ厂一一二至黜—６９３ｆ厂一工况３—乏彗。户一————————————————一２ｅ一昔＿茹百广茹矗ｏＳｔ印ｂ．Ａ点竖向位移图９Ａ点水平及竖向位移后续１０号线二期角门西两端明挖基坑的施工过程严格按照工况３的步序进行，对既有运营４号线车站的：影响较好地控制在安全范围之内，施工期间４号线车站均安全运营。５结论及建议（１）既有线结构两侧基坑的非对称开挖会导致既有线结构产生了趋向于坑内侧的水平位移及向上的竖向位移；既有线结构离基坑越近或两侧基坑开挖面高差越大，结构产生的位移也越大。（２）新线与既有线结构之间的土体加固有利于减小新线基坑开挖对既有线结构造成的影响，能有效降低施工风险，减小既有线结构产生的位移，保障其运营安全。（３）为保证吊脚桩范围内的基坑施工安全，应优先选择设置连接较为稳固的｝昆凝土支撑，使其在桩身范围内形成完整的空间框架支撑体系，防止桩“”端踢脚现象的产生。参考文献李兴高．既有地铁线路变形控制标准研究［Ｊ］．铁道—建筑，２０１０（４）：８４８８．曾远，李志高，王毅斌．基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５（４）：６４２—６４５．李伟强，罗文林．大面积深基坑开挖对在建公寓楼的影响分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００６，２８（增刊）：１８６ｌ一１８６４．李志高，曾远，刘国彬．邻近地铁车站基坑开挖位移传递规律数值模拟［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（１１）：３１０４—３１０８．张雷，刘振宏，钱元运，等．深基坑宽度对周围建筑影响的有限元分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（增刊１）：１３１２一１３１５．李新星．邻近基坑开挖的运营地铁车站结构安全度分—析［Ｊ］．岩土力学，２００９，３０（增刊２）：０３８２０３８６．褚峰，李永盛，梁发云，等．土体小应变条件下紧邻地铁枢纽的超深基坑变形特性数值分析［Ｊ］．岩石力—学与工程学报，２０１０，２９（１）：３１８４３１９２．铣道建筑技术Ｆ｝Ａ『ＬＭｙＣ０～Ｓ丁只ＵＣ丁『０～丁￡－ｃＪＨ～０ＬＯＧｙ２Ｄ７４ｆ增７Ｊ３７９］Ｊ１Ｊ１Ｊ１ｊ１ｊ１Ｊ１ｊ●２３４５６７ｒ【ｒｌｒｌｒｌｒｌｒｌｒｌ万方数据