摘 要:随着上海轨道交通网络的高速发展,在地铁车站基坑开挖时,往往会遇到旁边就是运营中车站的情况。作者以分析基坑开挖引起紧邻车站变形为目的,对实际的基坑开挖进行数值模拟。通过数值模拟分析,研究了张杨路地铁车站基坑开挖时新旧两车站间距、源头变形、土体弹性模量三个因素对在运营车站变形的影响,从而得到一些有用的结论。
关键词:基坑开挖;地铁车站;有限元;数值模拟
1 前言
上海轨道交通正迈入一个高速迅猛的发展阶段,随着地铁的不断扩展和延伸,在已有车站旁边开挖基坑的情况会越来越多。在紧邻的运营车站旁进行新地铁车站的建设,后建车站的施工必然会对已有车站产生影响[1]~[6]。而对于地铁车站这样对变形要求极其严格的地下结构物,临近基坑的工程建设更是面临着严峻的考验。如何在后建车站施工过程中,既经济又安全地保障在运营车站的安全,已成为上海地铁建设的一个亟待解决的难题。
张杨路车站位于浦东世纪大道北侧人行道下,南侧同已经投入使用的地铁二号线东方路车站平行,新老车站的最大间距5.4m。在西端头井处,张杨路基坑与东方路基坑共用一堵地下墙,东方路地下墙即为张杨路基坑的围护结构。而且,东方路地下墙仅深26m,而开挖深度约22m,插入比远远不够。目前有关平行换乘车站建设的工程资料和研究资料都相当缺乏,更没有一套成熟的理论准确的预测基坑施工对紧邻车站变形的影响,如何预测紧邻车站的变形、控制紧邻车站运营的绝对安全,是一个国内外罕见的技术难题。wwW.11665.COm本文通过数值模拟分析,研究了张杨路地铁车站基坑开挖时两车站间距、源头变形、土体弹性模量三个因素对在运营车站变形的影响。
2 工程概况
张杨路车站全长218.6m,中间增设4道临时封堵墙,将车站分为五个独立小基坑进行明挖施工。车站主体结构为地下三层的现浇钢筋混凝土箱形结构,标准段宽19.9m,基坑开挖深度20.821m,围护结构采用厚1000mm的地下连续墙,墙深35m,进入⑦1土层约6.05m;东端头井基坑开挖深度22.432m,西端头井基坑开挖深度22.866m,东、西端头井的围护结构与车站标准段相同,也采用厚1000mm深35m的地下连续墙。基坑施工分区图以及和东方路车站的关系见图1。
3 计算模型
平行换乘节点车站建设中,后建车站基坑变形对在运营车站结构变形的影响,涉及到很多的因素。利用大型有限元软件ansys模拟计算时,主要目的是找到源头变形大小,两车站间距,不同土体弹性模量这三个因素对车站结构变形的影响。在计算时做了如下的简化和假设:
(1)车站变形与该处土体变形一致的假设。地铁车站结构刚度与土体相比极大,实际情况下,结构变形不会与土体变形保持一致,应小于土体变形。但在小变形情况下,可以认为两者近似相同,同时从保证安全的角度考虑,这样的假设也是合理的。
(2)上海地区的土属于饱和的软粘土,有较大的流变性。但在小变形范围内,拟采用线弹性的土体模型,更方便模拟和计算。有限元模型见图2。
4 计算结果分析
4.1 在运营车站侧向变形随两车站间距变化的规律
以上述模型为基础,改变两车站间距x,右侧基坑地下墙变形作为边界条件之一。有限元计算结果整理为图3。由图3中可以看出,在夹层厚度x≤7m(即x≤h/3时),在运营车站的a墙变形受源头变形影响较大,变形曲线形状类似于源头变形曲线。在夹层厚度x>7m(即x>h/3时),在运营车站的a墙变形受源头变形影响较小,a墙变形趋近于直线。将两车站间距与a墙变形最大值与的计算结果整理为图4及图5,从中可以拟合出两者间的规律。
由计算结果得到的拟合结果看,两者相关系数非常接近1,相关性非常显著。由于a墙的侧向变形最大值即为东方路车站结构侧向变形的最大值, 则通过上图的拟合结果,可以得出临近车站侧向变形最大值y与两车站间距x间的函数关系。
4.2 车站竖向变形随两车站间距变化的规律
根据计算结果,竖向变形非常小,变化范围在-0.8mm~+0.8mm之间。即两车站间距的变化对车站竖向变形影响非常小。底板与a墙交点的竖向变形值与两车站间距的关系如图6所示。由图6中可以看出,竖向变形并非越靠近基坑越大,而是在约1/3h距离处达到最大值。
4.3 车站侧向变形随源头变形变化的规律
在其他条件不变的情况下,将源头竖向变形从0mm增加到6mm,车站结构竖向变形仅从0mm增加到0.1mm。源头竖向变形对车站结构变形影响非常微弱,下面主要讨论侧向变形的影响作用。通过将实测侧向变形曲线上变形值等比例放大,研究侧向变形变化对在运营车站结构变形的影响。计算结果整理为图7。由对数据进行拟合,要求曲线通过原点,即源头变形为0时,a墙变形为0。从拟合结果可以看出,两者呈线性关系。
4.4 车站竖向变形随源头变形变化的规律
根据计算结果,随着源头变形的增大,竖向变形线性增大,斜率为-0.0565,即源头变形中的侧向变形对车站竖向变形影响较大。根据实测变形(源头变形中的侧向变形最大值9.38mm)计算得到的结果看,竖向变形仍然很小,只有0.53mm,约为实测最大变形值的1/10。底板与a墙交点的竖向变形值与源头变形的关系如图8所示。
4.5 在运营车站变形随土体弹模变化的规律
将土体弹性模量分别取为3mpa,6mpa,9mpa,12mpa,15mpa,18mpa,得到对应情况下的车站结构的变形情况。在运营车站侧向变形的计算结果如图9。根据计算结果,土体弹性模量对车站竖向变形的影响仅为侧向变形影响的1/3。
5 主要结论
(1)由以上分析可以看出,土体弹性模量的变化对车站结构侧向变形的影响不大。在弹性模量从3mpa增加到18mpa时,车站结构侧向变形仅增加0.56mm。
(2)根据侧向变形与这两个因素的函数关系,可以得到车站侧向变形最大值的估算式:设:车站结构侧向变形最大值为z,源头变形为x,两车站间距为y。由车站结构侧向变形最大值与源头变形的函数关系式,y=5.4m时:
z=0.4417x (1)
显然,0.4417为y=5.4m时对应的斜率,故可以认为,该斜率为y的函数。则有车站变形的表达式为:
z=f(y)x (2)
由车站结构侧向变形最大值与两车站间距的函数关系式:
z=0.0357y2-0.6525y+6.5728 y<8
z=-0.0601y+3.9055 y>8(3)
又由式(2)得,x=9.38时:
z=f(y)9.38 (4)
联立式(3)、式(4)得车站结构侧向变形最大值的估算式为:
z=(0.0038y2-0.07y+0.70)x y<8
z=(-0.0064y+0.42)x y>8(5)
(3)间距、源头变形、土体弹性模量这三个因素都不是引起车站结构沉降的主要原因。由于在模拟计算时并没有考虑坑内土体隆起所产生的影响,可以认为,引起地铁车站沉降的主要原因是:基坑内土体隆起导致的墙后土体的移动。因此,提高被动区土体强度、提高基坑内土体抗隆起安全系数是控制临近车站沉降的有效措施。
参考文献:
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