随着国民经济的迅速发展, 城市建设规模逐步扩大, 国家对地下空间开发的力度也不断加大, 城市地铁工程发展迅速, 地铁车站往往设置于建筑物比较密集的繁华地段, 地铁车站开挖施工将对邻近建筑物产生影响, 甚至会导致建筑物倾斜、开裂和破坏, 必须在地铁车站设计和施工过程中引起充分重视。如何降低地铁车站施工对周围环境的影响是地铁车站基坑工程的重点和难点。设计中, 应将地铁车站连同周围环境及邻近建筑物作为整体进行分析, 以保证相邻建筑物的安全。本文以常州市轨道交通1号线一期工程定安路站基坑施工为例, 计算分析地铁车站深基坑施工对邻近建筑物的影响, 并提出有效措施, 保障邻近建筑物的安全使用。

常州市轨道交通1号线一期工程北起北海路与乐山路交叉口北海路站, 全长34.092km。定安路站位于武进区花园街与古方路口南侧, 位于较繁华地段。现状道路宽约22m, 双向4车道, 两侧设非机动车道。此区域地质情况复杂、建筑物密度高、交通量大、车站施工影响因素多。新华联商场距离车站基坑围护结构最小距离约10.8m。

新华联商场为1997年左右建成, 根据《常州市轨道交通1号线一期工程物探校核与补充工作成果报告》, 新华联商场基础形式为条形基础, 柱下方有扩大基础 (约3.0m) , 基础埋深约2.0m, 由于新华联商场为近20年的老房屋, 档案馆无存档, 经现场多次调查得知, 房屋所有权人多次易手, 无法收集到房屋更详细的图纸资料。经现场踏勘, 新华联商场南侧约50.3m为4柱3跨框架结构, 北侧22.4m为3柱2跨框架结构。

车站基坑深度约17.32m, 根据GB50652—2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》, 车站基坑与新华联商场非常接近, 车站施工对新华联商场的风险等级为Ⅱ级。

定安路站场地地貌类型属于冲积高亢平原区, 地形较为平坦, 勘探点地面高程3.600~5.900m。基坑开挖范围内为第四系地层, 各地层的土性描述及特征如表1所示。

定安路站周边地表水系主要为湖塘河, 水面标高约1.790m, 宽约34m, 最大淤泥厚度0.7m, 最大水深约3.5m。地下潜水主要赋存于浅部黏性土层中, 局部以上层滞水的形式存在, 水位埋深约为地面下1.2~3.0m, 季节性变化幅度为1.0m;本工程影响较大的承压水主要为第Ⅰ层承压水, 埋藏于 (4) ₂, (5) ₁, (5) ₂, (6) _4a, (8) ₂层粉土、粉砂中且与其他承压含水层呈水力联系, 测得该层水位标高-2.900~2.400m, 平均水位标高约为0.900m。工程范围内地下水对混凝土结构及钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性, 施工过程中有产生潜蚀、流砂、管涌的可能, 人工降水可能引起土体沉降、管线失稳。

地铁标准段基坑开挖深度约16.87m, 端头井处基坑开挖深度为18.34~18.71m。基坑长184.6m, 标准段宽19.7m, 端头井宽23.8m, 开挖面积约3 753m²。基坑围护结构设计采用0.8m厚地下连续墙, 且地下连续墙作为主体结构的一部分, 与后浇内衬形成复合结构, 承受水土压力。端头井地下连续墙深度为34.5m, 标准段地下连续墙深度为31.0~34.5m, 均隔断 (8) ₂承压水层, 地下连续墙槽段接头采用工字钢接头。标准段基坑设1道钢筋混凝土支撑+3道钢支撑+1道换撑, 端头井加1道钢支撑, 采用明挖顺筑法施工 (见图1) , 第1道支撑采用700mm×800mm钢筋混凝土支撑, 水平间距8~9m。冠梁截面尺寸为1 000mm×900mm。第2~4道支撑及换撑采用609×16钢管撑, 间距约3m。

端头井处基坑开挖深度18.34~18.71m, 基坑竖向设置1道钢筋混凝土支撑+4道钢支撑+1道换撑 (即比标准段多加1道钢支撑) 。第1道采用钢筋混凝土支撑, 抗压强度高、变形小、刚度大, 对控制基坑侧向变形、保护围护墙体稳定性具有重要作用。地下连续墙接头采用I 680×400×10柔性接头。

支撑下采用460mm×460mm格构柱+850mm钻孔灌注桩作立柱桩, 格构柱采用4∟160×14+钢缀板的截面形式, 格构柱插入立柱桩内3.0m, 钻孔灌注桩长25m, 桩底位于持力层 (9) ₂粉质黏土层。

车站基坑施工过程中, 不可避免地产生对周围土体的扰动, 引发地层位移和变形, 超过一定限度时, 将危及周围邻近建筑物及其基础的安全, 因此必须考虑基坑开挖对周边环境的影响。本文采用MIDAS/GTS有限元软件分析车站基坑施工对新华联商场结构及基础的影响。

本次计算中假定前提如下: (1) 地层采用平面应变单元, 用Mohr-Coulomb材料模拟; (2) 地下连续墙支护结构采用平面应变单元, 用线弹性材料模拟; (3) 新华联商场结构采用平面应变单元, 用线弹性材料模拟; (4) 模型四周边界及下表面采用单向铰支约束, 上表面自由。

考虑到基坑开挖宽度为19.7m, 基坑开挖深度约17.4m, 华联商厦主体结构距基坑边约10.8m。计算模型宽度选取120m, 深度选取为50m。左、右边界条件视为链杆支座, 下边界条件视为铰支座, 模型划分为2 988个单元, 有限元模型如图2所示。

本次选取新华联商场典型位置进行建模计算, 新华联商场与基坑支护结构间净距取10.8m, 数值模型区域内的地层参数如表2, 3所示。

1) 施工前期准备施工场地围挡、三通一平、管线改迁、房屋拆迁;施作基坑围护结构导墙、车站围护结构连续墙、基坑中部临时立柱桩;布设降水井。

2) 基坑开挖架设第1道钢筋混凝土支撑, 待支撑达到强度后, 根据设计要求降水。

3) 坑内降水达到要求后, 顺序开挖基坑及掏槽, 架设第2, 3, 4道钢管撑, 直至基坑底面。

4) 施工接地网、垫层、底板防水层及底板, 底板设泄水孔后拆除降水井, 同时施工部分侧墙。

5) 底板达到强度后拆除第4道支撑, 换撑后拆除第3道钢管撑, 施工站台层侧墙及中板。

6) 中板达到强度后, 拆除第2道钢管撑, 施工站厅层侧墙及顶板、顶板防水层。

7) 顶板达到强度后做防水层, 浇筑压顶梁, 拆除第1道钢筋混凝土支撑、底部换撑和临时中立柱, 管线迁回, 回填覆土, 恢复原路面, 封闭泄水孔。同期可施工车站附属及内部结构。

数值模拟过程中对上述施工步骤进行适当简化, 施工步骤为:首先计算由自重应力形成的初始应力场, 初始应力状态下, 地层位移归0;之后开挖第1层土体, 施作第1道钢筋混凝土支撑;依次开挖第2, 3, 4, 5层土体, 开挖后施作相应的钢管撑并施加预加力, 直至基坑开挖完毕。

根据已建立模型和施工步骤, 模拟实际施工过程中定安路站基坑施工对新华联商场的影响。

经有限元计算, 得到各施工步骤位移云图, 得到各施工阶段土体位移和地表沉降如表4所示。

根据各施工步骤和有限元模型及参数, 经模拟计算, 得到施工过程中新华联商场基础关键点沉降值、沉降差及倾斜值如表5, 6所示, 表中关键点编号如图3所示。

由新华联商场基础关键点沉降随施工阶段的变化值可以看出, 基坑每步施工对新华联商场都会有不同程度的影响, 基础变形趋势与周围土层变形趋势相同。商城靠近基坑一侧沉降值大于远离基坑一侧, 最大沉降值达11.350mm。

新华联商场基础关键点沉降差随施工阶段的变化值可以看出, 随着开挖深度的加深, 新华联商场柱间沉降差逐渐加大, 最大柱间沉降差达1.542mm。基础最大倾斜值达0.286‰。

1) 相邻柱基的最大沉降差最大值为1.542mm, 根据《建筑地基基础设计规范》柱间容许沉降差为L/500 (L为相邻柱基中心距, 该处取8m) , 柱间最大沉降差1.542mm<8 000/500=16mm, 故满足要求。

2) 新华联商场整体倾斜最大值为0.286‰, 根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》整体倾斜容许值为4‰, 最大倾斜率0.286‰<4‰, 故满足要求。

3) 目前, 邻近建筑物处于稳定状态, 但考虑到其建成后已发生一定的沉降差和倾斜, 故沉降差和整体倾斜限值应有一定的减小。

1) 为避免基坑开挖过程中基坑内降水导致基坑外侧水位变化, 适当增加地下连续墙长度, 隔断 (8) ₂承压水层。同时, 考虑到地层条件的不确定性, 在基坑围护地下连续墙外与新华联商场之间设置水位观测井兼补偿回灌, 在基坑施工过程中, 发现坑外水位有较大波动时及时进行回灌补偿, 确保新华联商场地层水位的稳定。

2) 基坑计算时考虑80k Pa的建筑物超载, 在此基础上计算地下连续墙配筋, 加强地下连续墙刚度。

3) 为避免基坑开挖过程中, 水动力作用下在地下连续墙接缝处产生流砂和管涌, 在地下连续墙接头采用工字钢基础上, 在每处地下连续墙接头外侧设置3800mm@500mm旋喷桩加强止水, 桩长深入到基坑底以下5.0m, 确保地下连续墙接头止水效果。

4) 整个基坑施工过程中, 加强对新华联商场位移和沉降监测, 根据监测结果对变形进行预测和反馈, 信息化指导施工, 确保支护结构稳定及环境安全。

5) 根据监测结果, 必要时在车站基坑与新华联商场之间对地基采用跟踪补偿加固注浆, 后期根据监控量测效果必要时进行小当量压力压密补偿注浆, 确保新华联商场基础沉降变形在允许范围内。

本工程周边环境复杂, 地质水文条件较差, 邻近建筑物距离基坑仅10.8m, 对基坑及地标变形要求高。为确保基坑施工过程中基坑本身及邻近建筑物的安全, 需提前计算基坑施工过程中基坑及邻近建筑物的沉降和位移。采用有限元软件计算并制定加强措施, 可清楚了解基坑施工过程中建筑物的位移和沉降, 有效保障了建筑安全。