某河道位于深圳市宝安区西乡街道, 属珠江口独立入海河流。由于河道现状暗渠化严重 (暗渠约占85%) , 现状下游暗涵 (2孔3.0m×1.5m) 过流能力严重不足, 且因两侧紧邻建筑影响范围广, 现状悦和路下暗涵进行扩增断面改造难度大, 因此在现状河道暗涵清淤的基础上, 沿共乐路新建1道分洪箱涵, 形成行洪双通道, 增大河道过流行洪能力, 以满足20年一遇的防洪标准要求。

分洪箱涵施工需穿越地铁车站, 该段分洪箱涵横断面尺寸为2孔3m×2m, 开挖深度约3m, 箱涵底部标高为0.900m。根据地铁车站竣工图可知, 地铁车站顶标高为0.739m, 箱涵底部离车站顶部仅16.1cm (见图1) 。根据《城市轨道交通安全保护区内工程建设管理工作办事指南》相关规定, 车站上方基槽开挖严禁采用灌注桩、钢板桩等支护方式。因此, 结合现场实际情况, 拟采用人工分层开挖方式进行施工, 并通过有限元软件建模分析分洪箱涵基坑分层开挖对地铁车站结构安全的影响。结果表明, 该段箱涵可采用分层开挖方式进行施工。

基坑开挖主要施工步骤包括:场地平整→轴线与基坑边线测量→坡顶排水系统、变形监测布点及初值测定→分块、分层、分段开挖至各施工工作面→分层分段开挖至坑底→分洪箱涵底板施工→分洪箱涵外墙施工→施工至分洪箱涵完成→施工期间持续监测→基坑支护工程完工→分项工程竣工验收。根据施工步骤可得出, 基坑开挖施工对结构的影响包括以下方面。

1) 土方卸载开挖引起岩土层与车站结构的应力重分布和变形。

2) 基坑开挖过程中施工车辆、材料堆载等临时超载会对车站结构产生附加荷载。

3) 土方开挖过程中, 土体应力释放会引起车站结构的附加荷载。

为评估分洪箱涵基坑开挖施工对地铁车站结构安全的影响, 本文采用理论分析与建立二维数值模型相结合的方法进行评估分析。整个基坑开挖施工过程对地铁车站结构影响分析技术路线如下。

1) 根据相关理论和规范的计算方法, 计算分析基坑开挖施工过程中基坑的整体稳定性、内力分布及变形情况, 评价隧道结构的安全稳定状况。

2) 根据分洪箱涵基坑支护结构与地铁车站结构的空间几何关系、地层信息和施工逻辑关系, 建立二维数值仿真模型。

3) 全过程模拟基坑施工过程, 分析分洪箱涵基坑施工过程中地铁车站岩土体与结构应力重分布和变形情况, 评估其对地铁车站结构的安全性影响。

4) 根据二维数值模型计算基坑工程与地铁车站结构空间和力学响应分析成果, 结合理论分析计算结果, 对基坑开挖过程中地铁车站结构的安全稳定性给出评价结论, 并提出科学、安全、合理的基坑设计和施工建议。

拟建分洪箱涵采用放坡开挖施工, 基坑开挖后, 地铁车站结构卸载对局部抗浮有影响。根据本区段工程地质剖面图, 勘测期间地下水位标高为-0.040～0.220m, 按较高水位标高0.220m核算, 地铁车站结构每延米浮力值F=2 528kN, 而每延米结构自重G=2 786kN, 抗浮系数取1.05, G>1.05F=2 654kN, 满足要求, 且地铁车站为全现浇结构, 卸载不会对地铁车站抗浮产生影响。

分洪箱涵穿越地铁车站段为双孔3m×2m方箱涵, 方箱涵混凝土强度等级为C30, 抗渗等级P6, 现浇钢筋混凝土结构, 采用结构自防水, 穿越地铁车站不设变形缝。从荷载变化分析, 地铁车站结构上覆土厚度3.31m, 覆土重度按18kN/m³计算, 覆土的竖向荷载q=59.58kN/m², 分洪渠内设计水位为满流, 结构自重+内水的荷载值q=40.20kN/m², 荷载有所减小, 分洪箱涵运营期间不会对地铁车站产生附加应力。由此分析可见, 分洪箱涵运营后对地铁车站结构不会产生不利影响。

基坑支护结构的整体稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算, 其整体稳定性应符合下列规定:

式中, K_s为圆弧滑动整体稳定安全系数;安全等级为一级、二级、三级的锚拉式支挡结构, K_s分别不应小于1.35、1.30、1.25;K_{s, i}为第i个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值, 抗滑力矩与滑动力矩之比的最小值宜通过搜索不同圆心及半径的所有潜在滑动圆弧确定;c_j、φ_j分别为第j土条滑弧面处土的黏聚力 (k Pa) 和内摩擦角 (°) ;b_j为第j土条的宽度 (m) ;θ_j为第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角 (°) ;l_j为第j土条的滑弧段长度 (m) , 取l_j=b_j/cosθ_j;q_j为作用在第j土条上的附加分布荷载标准值 (kPa) ;△G_j为第j土条的自重 (kN) , 按天然重度计算;u_j为第j土条在滑弧面上的孔隙水压力 (k Pa) ;基坑采用落底式截水帷幕时, 对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土, 在基坑外侧可取u_j=γ_wh_{wa, j}, 在基坑内侧, 可取u_j=γ_wh_{wp, j}, 在地下水位以上或地下水位以下的黏性土, 取u_j=0;γ_w为地下水重度 (kN/m³) ;h_{wa, j}为基坑外地下水位至第j土条滑弧面中点的垂直距离 (m) ;h_{wp, j}为基坑内地下水位至第j土条滑弧面中点的垂直距离 (m) ;R'_{k, k}为第k层锚杆对圆弧滑动体的极限拉力值 (kN) ;应取锚杆在滑动面以外的锚固体极限抗拔承载力标准值与锚杆杆体受拉承载力标准值 (f_ptkA_p或f_ykA_s) 的较小值;α_k为第k层锚杆的倾角 (°) ;s_{x, k}为第k层锚杆的水平间距 (m) ;ψ_v为计算系数, 可按ψ_v=0.5sin (θ_k+α_k) tanφ取值。

地铁车站上方要求采用人工卸载, 不考虑走车, 超载按10kPa取值;土层内侧降水最终深度3.50m, 外侧水位深度1.00m;土层参数如表1所示。

利用瑞典条分法计算得出的边坡整体稳定, 安全系数满足规范要求。因此放坡开挖过程中地铁车站安全。

本次分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件Midas/GTS NX进行计算, 该软件可方便地进行回填、开挖及施加支护结构等岩土及隧道工程施工阶段分析。Midas/GTS的施工阶段分析采用的是累加模型, 即每个施工阶段都继承上一个施工阶段的分析结果, 并累加本施工阶段的分析结果, 即上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响后续阶段的分析结果。

为研究施工过程中各结构构件的荷载效应指导设计, 本次分析土体材料本构模型取用德鲁克-普拉格 (Drucker-Prager) 弹塑性模型。该模型模拟的是弹性-完全塑性的本构关系, 其典型的应力-应变曲线如图2所示。应力在达到屈服点前与应变呈正比关系, 超过屈服点时应力-应变关系为水平线。衬砌结构材料按线弹性考虑。

德鲁克-普拉格模型的屈服函数如下:

式中, I₁=σ_x+σ_y+σ_z为应力张量的第一不变量;为应力偏张量的第二不变量。

根据建设单位提供的图纸资料, 截取管涵与下穿隧道纵断面, 该断面处基坑采用放坡卸土支护方式。

本次数值计算分析模型中, 土体采用平面应变单元模拟, 地铁车站结构采用梁板单元模拟, 按照工程设计方案中构件实际截面特性确定。计算模型范围以基坑外轮廓为基准, 外扩一定距离后 (约2倍基坑深度) 建立。模型左右边界固定水平距离, 底部边界固定竖向位移, 上部边界为地表自由面, 自重荷载取重力加速度, 施工荷载取10kPa均布荷载。基坑开挖3.3m, 分层开挖, 每层厚度1.1m, 各计算分析工况如图3所示。

在实际过程中最不利情况是基坑开挖见底, 因此按最不利工况原则, 根据本基坑与邻近地铁区间隧道的平面及立体关系, 以及基坑工程支护结构设计及施工特点, 选取靠近地铁一侧的1个断面进行有限元计算, 分析基坑开挖到坑底过程中隧道结构的变形情况。

通过计算得到各工况下基坑及地铁车站的水平、竖向位移力云图, 通过分析云图, 各工况模拟计算结果表明:当完成基坑土体开挖后, 基坑及车站结构发生变形最大, 车站结构最大水平变形0.04mm, 最大竖向变形1.1mm (隆起) 。

根据深圳地铁集团有限公司印发的《城市轨道交通安全保护区内工程建设管理工作办事指南》中的《城市轨道交通安全保护第三方监测控制指标》有关规定:城市轨道交通隧道结构设施绝对沉降量及水平位移量≤10mm (包括各种加载和卸载的最终位移量) , 基坑工程开挖施工引起的地铁车站结构水平变形和竖向变形均满足规定要求, 基坑开挖过程中地铁车站结构安全稳定。

1) 根据理论计算, 分洪箱涵施工期间, 地铁车站上部土体卸载后抗浮满足计算要求, 分洪箱涵放坡开挖时边坡整体稳定性满足相关规范要求, 地铁车站顶部荷载小于原覆土重量, 不会对地铁车站产生附加应力, 分洪箱涵使用后不会对地铁车站结构产生不利影响。

2) 根据数值分析, 基坑开挖卸荷施工扰动引起车站结构水平变形为0.04mm, 引起隧道结构隆起为1.1mm。分洪箱涵开挖施工对地铁结构的影响在规范要求范围之内, 不影响地铁正常运行。

1) 开挖过程精细化, 采用人工分层开挖方式。如地铁车站防水保护层较厚, 已进入分洪箱涵垫层或结构层, 需及时与业主方及设计沟通, 协商处理。

2) 开挖后, 地铁车站结构顶板上不得行驶或停放大型机械设备, 荷载不得超过地铁车站顶板设计荷载。

3) 分洪箱涵基坑开挖至设计标高后, 基槽范围内满铺C15混凝土垫层, 避免后续施工工序对防水层造成破坏。

4) 分洪箱涵肥槽回填石粉渣, 压实系数不低于0.95, 地铁车站上方0.5m范围内应采用非振动的轻型压实机具, 覆土0.5～1.2m, 不得使用机重超过15t的重型静碾, 且不得使用振动碾施工。

5) 分洪箱涵于地铁车站范围之外部分同样采取开槽施工方式, 至地铁车站结构上方0.5m采用人工开挖, 避免超挖对地铁结构侧墙造成损坏。

6) 根据有限元计算, 地铁结构位移最大值发生在分洪箱涵开挖到底的工况, 因此分洪箱涵施工时应缩短基底的暴露时间, 尽早施作分洪箱涵结构并回填。

7) 施工过程中加强监测频率, 严格按要求制定相关应急处理措施。

8) 考虑到施工期间可能遇到的极端事故工况应做好应急抢险预案, 同时准备充分的应急物资。