基坑开挖对邻近既有铁路车站安全影响分析--中国期刊网

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基坑开挖对邻近既有铁路车站安全影响分析

发表时间：2021/6/1 来源：《基层建设》2021年第2期作者：叶云

[导读] 摘要：基坑开挖是半无限空间体内的动态开挖过程，基坑开挖卸荷会使得基坑周边土体产生侧向位移，坑底产生回弹，这些土体卸荷行为均会影响到周边建筑物及既有地铁隧道的安全，因此分析基坑开挖对于周围环境的影响成为一个亟待研究的重要课题。

        中铁四局集团第五工程有限公司江西九江 332000
        摘要：基坑开挖是半无限空间体内的动态开挖过程，基坑开挖卸荷会使得基坑周边土体产生侧向位移，坑底产生回弹，这些土体卸荷行为均会影响到周边建筑物及既有地铁隧道的安全，因此分析基坑开挖对于周围环境的影响成为一个亟待研究的重要课题。
        关键词：基坑开挖；邻近既有铁路；车站安全
        引言：
        在城市建设中，地下空间开发力度的加大使得越来越多的基坑工程出现在地铁、城际铁路车站等的附近。临近既有城际铁路车站的基坑工程势必会对车站产生一定的影响，而既有城际铁路车站对其自身的变形要求也是极其严格的。因此，如何通过科学有效的方法对基坑开挖引起的既有城际铁路车站的结构位移及内力变化进行安全评估是至关重要的。
        1工程概况
        本基坑开挖深度为7.65~8.60m，基坑周长约301.37m。基坑南、北侧部分采用桩锚支护，东侧距既有城际铁路出入口约6.8m，采用单排桩悬臂支护，西南角靠近已建建筑，采用双排桩支护，西侧为地下室侧墙，无需支护。基坑直立开挖，各段均设上部放坡及平台。基坑及车站所处地层从上到下依次为杂填土、淤泥、砂质黏土和全风化花岗岩。
        2基坑开挖对邻近车站建筑安全影响控制要点
        2.1邻近车站建筑物基坑开挖控制要点
        基坑的开挖，会改变土体的受力状态，同时造成基础所受土压力的减小，因此，当基坑开挖靠近既有建筑物时，一定要严格控制开挖距离和开挖深度，当危险性较大时一定要制定专门的施工方案，并经过过专家组的审批[1]。此外，还应采取一定的加固措施，例如对在基坑周边采取钢板桩、地下连续墙等措施，减少由于基坑开挖对于周围土体状态造成的影响。
        2.2邻近车站建筑物堆载控制要点
        当既有建筑物周围存才堆载时，也会对引起土体应力的增大，严重可造成土体塌陷，给相邻建筑的安全带来威胁。同基坑开挖，在既有建筑物周围堆载时，一定要控制好堆载距离L2和堆载高度H2，不同地区，土质情况不同，承载能力也不同，因此，一定要因地制宜，根据现场土质情况确定合理的堆载高度与距离。
        2.3不利组合工况控制
        发生安全事件的原因不是单方面的，附近既有基坑的开挖，又有大规模的堆载，而且又在对称的方位，直接导致了基础的失效[2]。因此，在实际工程施工中，管理人员不单单控制基坑开挖与堆载的安全管理，更要避免既有基坑开挖，又存在堆载现象的同时存在的情况。
        3数值计算方案
        3.1有限元模型
        建立本次数值模拟采用摩尔库仑（M.C）弹塑性本构模型，数值计算软件为大型商业数值软件MIDASGTSNX。考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取基坑工程与城际铁路车站的有效影响范围，本次数值计算中取长400m、宽250m、自地表向下100m厚的土体作为计算分析范围。重点分析受基坑工程施工影响城际铁路车站结构及轨道结构产生的变形情况。本次计算模型中，基坑及车站周围的土体采用实体单元模拟，不同的土层采用不同的材料模拟，模型顶面设为自由边界，其余各面采取法向约束，基坑灌注桩和车站结构采用板单元模拟，轨道结构采用梁单元模拟。
        3.2计算参数选取
        要彻底模拟基坑中桩与桩之间、桩与土体之间的相互作用，从模型和理论上都是困难的，因此对桩与桩之间、桩与土体之间的混合体采取材料参数等代的思路，以近似模拟桩的作用。

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        3.3施工模拟
        本次评估采用分层施工方式模拟，计算模型中的施工工序采用10步模拟。本次数值模拟的计算原则如下：（1）假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用Mohr-Coulomb模型，车站主体结构、附属结构与基坑围护结构采用弹性模型；（2）假定地表和各土层均成层均质水平分布；（3）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；（4）初始平衡按照将重力加速度加到模型上，由程序自动获得；（5）计算建模时，对基坑工程范围、城际铁路车站范围及周边网格剖分加密。（6）计算荷载主要考虑为重力荷载。
        4计算结果分析
        4.1车站及出入口变形计算结果
        基坑工程施工过程对城际铁路车站及地表产生一定程度的附加位移，为明确这种附加位移，对基坑施工各阶段城际铁路车站的位移进行了分析。依据数值计算结果可知，整个施工阶段城际铁路车站结构总位移最大值约为4.440mm，出入口结构总位移最大值为11.681mm。基坑开挖过程中，由于开始开挖的土层较浅，对车站及出入口结构的影响相对较小，所以车站及出入口结构位移变化较小[3]。随着基坑开挖深度越来越大，对车站及出入口结构的影响也越来越大，其位移变化越来越大，至开挖完最后一块土体后，车站结构的最大总位移达到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口结构的最大总位移达到了11.681mm，小于20mm的控制值。结构最大总位移小于20mm，则结构水平、竖直方向位移也必然小于20mm的控制值，因此满足了车站及出入口结构的位移控制要求。
        4.2出入口结构内力计算结果
        本项目基坑距离城际铁路车站出入口仅6.8m，通过分析基坑开挖完成后出入口结构的内力云图，可以了解出入口结构的安全性。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010（2015版）），通过提取关键点的内力，可以计算得出基坑开挖完成后出入口结构裂缝宽度，各关键点均能满足裂缝控制要求[4]。
        4.3轨道变形计算结果
        为明确城际铁路轨道变形情况，选取距离车站较近的西侧股道为研究对象，分析其水平位移和竖向位移。按照10弦长，确定24个比较位置，分析了基坑开挖过程中西侧股道的位移变化情况，发现最大位移变化出现在开挖基坑最后一块土体时，此时西侧轨道1号轨轨向偏差最大为0.045m，西侧轨道2号轨轨向偏差最大为0.044m，西侧轨道水平偏差最大为0.212m，西侧1号轨高低差值最大为0.425mm，西侧2号轨高低差值最大为0.390m，均小于2m的控制值。
        结论：
        通过采用MIDASGTSNX仿真平台，建立包含本基坑工程影响范围内的城际铁路车站结构、轨道和地层等工程项目要素在内的三维计算模型，对基坑施工引起的力学特性及土层位移变形特性进行了分析，得到主要结论如下：基坑工程对既有城际铁路车站存在一定的影响，引起既有结构产生一定的变形，至开挖完最后一块土体后，车站结构的最大总位移达到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口结构的最大总位移达到了11.681mm，小于20mm的控制值。结构最大总位移小于20mm，则结构水平、竖直向位移也必然小于20mm的控制值，因此满足了车站及出入口结构的位移控制要求；基坑开挖的各阶段中，开挖最后一块土体对轨道产生的影响最大，但其变形范围均在规范控制范围之内；车站周边大规模基坑施工的情况在已开通运行地铁的城市较常见，在调研的案例中，车站出口与基坑最近的距离仅为2.1m。尽管本基坑工程与既有城际铁路车站水平距离较近，但在采取恰当基坑支护方案的前提下，基坑施工不会对临近的城际铁路运营安全产生重大影响。
        参考文献：
        [1]张立舟，夏毓超，杜逢彬.深基坑施工对邻近既有隧道的影响分析[J].城市轨道交通研究，2017，20（09）：122-125.
        [2]雷传瑜.基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响与加固分析[J].建材与装饰，2017（36）：272-273.
        [3]胡舒之.基坑地下水渗流对邻近地铁结构影响的数值分析[J].低温建筑技术，2017，39（08）：109-112+115.
        [4]徐政峰.基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法研究[J].建筑技术开发，2017，44（15）：113-114.