淺談運營地鐵車站保護的“抗”與“放”設計思想

1、淺談運營地鐵車站保護的“抗”與“放”設計思想摘要:本文研究了鄰近地鐵車站基坑施工中,采用“抗”與“放”的設計思想對鄰近運營地鐵車站進行保護,并對比研究了這兩種設計思想的成效,說明了按照“抗”與“放”的原則進行施工,新老車站變形狀況差別很大。新老車站橫向變形相互影響,適當放寬新車站的橫向變形,在一定程度上可以阻止老車站結構的橫向變形的。但是,施工中挖土支撐參數(shù)如果“放”而無度,則會適得其反,不僅新建車站變形過大,另外老車站結構也將出現(xiàn)過大的反向變形。關鍵詞:深基坑變形地鐵車站1 工程概況 上海地鐵M8線人民廣場站(簡稱新車站)是人民廣場樞紐的重要組成部分。本車站為地下二層三柱四跨島式車站,外包長

2、度329.5m,標準段內凈寬26.48m,端頭井深15m,標準段深13.2m。車站主體緊貼1號線人民廣場站(簡稱老車站)布置,與地鐵1號線之間采取同站廳平行換乘。車站主體平行于地鐵1號線人民廣場站,并與1號線共用一堵地下連續(xù)墻。車站北端頭井靠近新世界商場,南端頭井靠近人民大道路邊。西藏中路東側有保護性建筑沐恩堂、來福士廣場、世貿國際廣場。周邊交通繁忙、重要管線眾多,施工場地狹小。圖1、圖2是8號線人民廣場站基坑與1號線地鐵車站基坑的平面示意圖和立面相對位置圖。 擬建場地地基土在基坑開挖深度影響范圍內,主要以飽和淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土為主,但局部夾有薄層粉細砂及貝殼碎屑,第3層淤泥質粉質粘土

3、中夾薄層砂質粉土。各土層的土性描述與特征詳見表1。2 “抗”與“放”的設計思路 緊貼運營地鐵車站深基坑工程施工,是新老車站結構作為一個統(tǒng)一系統(tǒng)整體工作、相互影響的過程。其一,基坑開挖,在水平向支撐施加之前,新建車站擋墻和老車站結構側向卸荷,在自身水平向荷載差的作用下兩者均產(chǎn)生傾向坑內的變形。其二,支撐施加結束的后續(xù)施工中,新老車站結構變形通過橫向支撐或者逆作法施工的樓板而互相影響。尤其當新車站擋墻外側超載大于老車站結構外側的超載水平時,整個結構系統(tǒng)在水平差異荷載情況下,新車站結構水平向位移通過橫向聯(lián)系構件對老車站結構向坑內的水平向傾斜產(chǎn)生抑制,老車站結構在局部地方甚至會發(fā)生背離基坑方向的位移,

4、這在實際工程的老車站結構變形實測數(shù)據(jù)中得到體現(xiàn),如圖3所示。 由此,對緊貼運營車站進行深基坑施工的設計,其實是新老車站變形控制的一體化設計的過程?；邮┕r,對運營車站的保護設計,可以從“抗”與“放”的兩個截然不同的角度進行考慮13。施工中可充分利用新老車站結構之間的變形協(xié)調,達到有效地保護運營車站的目的。 所謂“抗”的設計思路:是指盡量控制新老車站結構位移,即施工中采取各種可能手段和措施,盡量維持新老車站各自的受力平衡狀態(tài)、保證新老車站結構變形很小甚至不動,那么施工對運營車站結構影響很小。比如,采取逆作法施工、加強地基加固量、設置分隔墻、挖土支撐嚴格遵循時空效應進行等?！翱埂钡脑O計是以嚴格的

5、施工技術措施和一定的經(jīng)濟投入為前提。1 所謂“放”的設計思路:是指有限度的允許新老車站的位移,即施工中充分利用新老車站結構變形的相互影響,利用彼一方的變形作為另一方變形的抗力和約束。例如,在新建基坑側向荷載大于老車站結構側水平方向荷載情況下,在滿足周圍環(huán)境和結構本身變形要求時,可以通過調整加固、挖土、支撐等施工參數(shù),適當放寬新建車站擋墻的變形,此變形通過橫向支撐作用在老車站結構上,達到抑制老車站結構橫向變形的目的?！胺拧钡脑O計必須滿足兩個原則:第一,滿足基坑變形和周圍環(huán)境變形要求;第二,必須保證有足夠的橫向支撐剛度?！胺拧钡脑O計,是一個與施工密切結合的動態(tài)設計過程。施工中,必須根據(jù)基坑實際變形

6、情況和施工現(xiàn)狀,合理調整施工參數(shù)。掌握好“放”的度,可以做到節(jié)省工程投資。3 “抗”與“放”的設計方案 以M8線人民廣場站基坑38軸施工為例,分析不同設計方案和施工參數(shù)下,新老車站變形狀況。圍護結構、支撐和樓板等設計參數(shù)見表2。 方案一(按“抗”的原則設計):坑內地基滿堂加固;逆作法施工,挖土支撐按設計要求,分6層,分層厚度、開挖寬度和暴露時間以及新老車站的變形狀況如表3所示。設計中可以取運營車站結構為模型進行有限元,并借鑒考慮時空效應的平面二維桿系有限元設計思想,被動區(qū)用彈簧單元進行模擬,其勁度系數(shù)為考慮施工的時間和空間效應進行修正后的等效水平基床系數(shù)4。等效水平基床計算公式見公式(1)、(

7、2)。對于非地基加固部分:注:(1)方案一和二都采用逆作法;(2)方案二地基加固:遠離運營車站側寬5.0m;靠運營車站側寬8m;厚度為坑底下3m。 方案二(實際施工狀態(tài),即按“放”的原則設計):坑內地基加固參數(shù)、挖土支撐等施工參數(shù)采用實際施工時所發(fā)生的參數(shù)(見表3)。老車站變形為實測數(shù)據(jù)。4 “抗”與“放”的影響效果比較 為使方案一與方案二具有可比性,本文取新車站地墻和老車站地墻的兩個典型剖面分別進行計算,并與實測數(shù)據(jù)進行比較。 “抗”與“放”的影響效果比較見圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知,按照“抗”與“放”的原則進行施工,新老車站變形狀況差別很大。同時得出如下結論: (1)按照方案一施工,

8、新車站結構變形值為11.4mm,滿足基坑一級保護要求(1.413.2=18.5mm)1;老車站地墻產(chǎn)生向坑內的變形,最大值為2.28mm。而實際施工過程中(方案二),由于施工參數(shù)(挖土厚度、寬度、放置時間等)沒有嚴格按照設計要求進行,新車站地墻最大變形達到了42.4m,超出了一級保護變形要求;同時老車站站臺層地墻產(chǎn)生了反向變形(背離開挖基坑方向),變形最大值達到了3. 1mm。由此可知,新老車站橫向變形相互影響,適當放寬新車站的橫向變形,在一定程度上可以阻止老車站結構的橫向變形的。同時,由方案二可知,施工中挖土支撐參數(shù)如果“放”而無度,則會適得其反,不僅新建車站變形過大,另外老車站結構也將出現(xiàn)

9、過大的反向變形。(2)被動區(qū)地基加固的主要目的一般來說是為了增強圍護結構水平向抵抗變形的能力,但從方案二變形結果可知,如果進行合理組織施工,則可以適當增大新建車站變形,使其抵制老車站結構橫向變形。從此角度出發(fā),地基加固設計可以進行優(yōu)化。當然,坑內地基加固對坑底抗隆起也起到很大的作用?？拥淄馏w隆起將引起結構產(chǎn)生相應的豎向位移。所以,地基加固的設計優(yōu)化,還必須綜合考慮加固參數(shù)對老車站結構橫向和豎向變形的影響,進行比較分析。5 結語 基坑施工中,新老車站變形相互影響。新老車站變形控制也是一個一體化控制、系統(tǒng)控制的過程。根據(jù)不同設計目標,可以采用“抗與放”的設計思路,達到保護運營車站的目的。兩種設計思路出發(fā)點不同,投入的價值也不相同。按照“抗”與“放”的原則進行施工,適當放寬新車站的橫向變形,在一定程度上可以阻止老車站結構的橫向變形的發(fā)展。但是,施工中挖土支撐參數(shù)如果“放”而無度,則會適得其反,不僅新建車站變形過大,另外老車站結構也將出現(xiàn)過大的反向變形。另外,地基加固的設計優(yōu)化,還必須綜合考慮加固參數(shù)對老車站結構橫向