浅析地铁地下车站施工的环境影响

浅析地铁地下车站施工的环境影响
一.工程概况
1.1工程概况
淮海中路站位于位于卢湾区瑞金一路以东，淮海中路以北的地块内，车站主体为南北偏西设置。

整个车站位于两个地块开发之中，车站北段位于向明中学待建地块内，车站南段位于龙凤开发地块内。

车站主体部分长约155米，宽度由23.6米到28.35米不等。

站台中心处埋深30.923米，南北两端头井埋深为别为32.775米及32.473米。

为地下六层岛式站台车站。

地下一至三层为开发层，地下四层为站厅层，地下五层为设备层，地下六层为站台层。

围护结构均采用地下连续墙，复合衬砌结构。

地下六层内衬厚度为800mm，地下五～四层内衬厚度为600mm，地下三～一层内衬厚度为400mm。

车站设计采用框架逆筑法施工。

车站地处繁华城市中心，场地范围内原建筑密度大，且在城市历史发展进程中经历了多次重建、改建和扩建，地下障碍物颇多，且埋深范围大。

就现在掌握的情况来看，本车站北侧施工范围内影响围护结构施工的主要障碍物为3座人防沉井和人防地下室。

车站周边保护建筑物众多，标准段西侧距离卜令公寓（混6、桩基础（上305×203、下305×102的楔形桩，桩长9.2m））最近距离约为16米；北端头井距离复兴商厦（混6，设一层地下室，原围护结构为Ф600、长10米钻孔桩，底板下为粉喷桩，桩长15米）最近距离约为14米；东南侧地下五层附属结构距离华狮购物中心（砼6，地下室5.5米，原围护结构为Ф600、长15米钻孔桩）最近约5米。

主体结构地墙距离轨道交通1号线区间隧道30.2米。

地下重要市政管线及地面架空线较多，场内有直径1米上水管一根横穿地铁车站，埋设深度为1.2米。

上水管为东西走向，北侧距离北端围墙69.7米。

南侧距封堵墙9米。

该管线担负卢湾区供水任务，施工时需要进行保护。

部分地下管线离车站基坑较近。

施工过程中应积极配合业主作好管线迁移及保护监测工作。

1.2工程情况
主体结构采用1.2m厚地下墙作为车站标准段的围护结构，同时兼作使用阶段的外墙。

由于地下墙深度较深，地下墙成槽施工采用回转式成槽工法（铣槽机成槽）。

基坑开挖采取下三层板逆做形式结合坑内降水。

淮海中路车站的基坑保护等级为一级（按《城市轨道交通设计规范》）。

围护结构墙体最大水平位移及坑外地表最大沉降分别控制在1.4‰H和1‰H（H为基坑开挖深度）以内。

车站为地下六层岛式车站，标准段站台中心线处基坑埋深为30.923m，共设十道支撑，下三层板逆筑法施工。

第一道为混凝土支撑，第四、六、八道为下三、下四、下五层板框架逆做，其他为钢支撑，其中第五道钢支撑需移位，第九道钢支撑为并撑。

南、北端头井基坑埋深分别为32.775m及32.473m，共设十道支撑，框架逆筑法施工。

第一道为混凝土支撑，第四、六、八道为下三、下四、下五层板框架逆做，其他为钢支撑，其中第五道钢支撑需移位，除第九、十道钢支撑为Φ800（t=20）钢支撑外，其他均为Φ609（t=16）钢支撑。

车站东南侧3区结构基坑埋深为26.333m，共设八道支撑，框架逆筑法施工。

第一道为混凝土支撑，第四、六道为下三、下四层板框架逆做，其他为钢支撑，其中第五道钢支撑需移位。

车站西北侧6区附属结构基坑埋深为18.292m，共设五道支撑，明挖顺作法施工。

第一道为混凝土支撑，其余四道为钢支撑。

车站其余附属结构中，北風井基坑埋深分别约为9.613m，设二道支撑，第一道为钢筋砼支撑，第二道为钢支撑，明挖顺作法施工。

地基加固：
考虑车站基坑深度，结合开挖土层特性及支撑特点，加固方式如下：
a）车站主体部分，第二道支撑至第七道支撑范围内采用三轴搅拌桩抽条加固；
b）车站3区部分，第二道支撑至第七道支撑范围内采用三轴搅拌桩满堂加固；
c）6区附属部分，该部分基坑南侧（邻近卜龄公寓一侧）坑内10米范围内搅拌桩裙边加固，加固深度为第二道支撑至第七道支撑范围内；出入口部分采用旋喷桩满堂加固，加固深度为坑下3米；
d）车站南北两端的区间隧道（中心埋深约28米）上部，为了减少上部附属结构开挖时坑底隆起对区间隧道的不利影响，在基坑底部均采用搅拌桩桩满
堂加固，加固深度为坑底以下5米。

加固后土体28天无侧限抗压土体强度qu≥1.0Mpa。

1.3周边房屋概况
卜龄公寓建于上世纪30年代，原为4层，60年代加建至6层。

墙面粉刷普遍有脱落及开裂、部分地坪年久失修，东面南侧四层第一栓窗户窗上方裂缝，缝长约0.8m，宽约0.5mm。

楼内住户143户。

混三民居建于上世纪20年代，为砖木混合结构的居民住宅楼，基础为天然，地基上的浅基础，因此房屋结构的整体性及抗变形能力较差。

尚未发现地基承载力不足或因不均匀沉降引起的损坏。

但年代久远，结构老化、损坏情况较为明显。

房屋整体向东向北方向倾斜现象，其中向东的倾斜率在 6.0‰～16.0‰之间，平均倾斜率为10.67‰，向北的倾斜率在0.48‰～3.8‰之间，平均倾斜率为2.28‰。

1.4地质概况
根据实测资料，场地⑤2 层微承压含水层水位埋深为4.27～4.54m（绝对标高-1.60～-1.62m），⑦层承压含水层水位埋深为7.41～8.36m（绝对标高-4.74～-5.44m）。

据上海地区承压水的区域性观测资料，（微）承压水水位随季节呈幅度不等的周期性变化，水位埋深一般为3.0～11.0m。

根据抽水试验，⑦层承压含水层初始水位埋深为6.31～6.52m，⑤2层微承压含水层初始水位埋深为5.57m。

水勘试验测得第⑦层承压水水位平均埋深为7.30m，标高为-3.90m，单井涌水量最大能达-55m3/h，单井回灌量最大能达17m3/h，一般控制在10～13m3/h，群井回灌井约54m3/h。

二.车站施工对周边沉降预测
2.1围护施工影响
由于地下连续墙在平面上有较大的长宽比例，因此适合采用平面有限元的方法进行分析，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，采用Goodman接触单元。

【1】主要的简化如下：
（1）初始应力场的模拟：根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算地下连续墙施工前的初始应力场分布。

（2）连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和导墙之间的相互作用。

（3）挖土模拟：通过有限元软件的“单元生死”模拟地下连续墙沉槽施工过程。

【2】
有限元计算基本原理：
（1）土体本构模型与参数
土体采用Mohr-Coulomb模型（简称MC模型），MC模型有三个基本参数：
c ：有效粘聚力；
ϕ：有效内摩擦角；
ψ ：剪胀角。

计算中不同分层土体的重度、粘聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，刚度参数和高级参数则根据大量类似工程的监测数据反演分析得到。

导墙的参数取为：
重度25kN/m3；弹性模量30000MPa；柏松比0.2。

【3】
（2）接触面单元
采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟导墙结构与土体之间相互作用。

接触面单元切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。

用一个折减系数Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和粘聚力之间的关系，模拟接触面的强度参数较低的特性。

（3）网格剖分
计算区域为：区域宽度相对于槽段宽度1000mm取足够宽度，深度取至80m。

水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y 向约束。

采用等三角形六节点平面单元模拟土体，采用梁单元模拟导墙结构。

计算分析步骤如下：
a、施工导墙，开挖地下连续墙槽段，槽宽1000mm，深度52m，挖土同时灌注泥浆，泥浆液面与地面平；
b、浇筑混凝土，混凝土液面与地面平。

围护施工沉降分析结果如下：
对于地下连续墙施工对周边环境所产生的影响，从计算结果之地表沉降矢量图可以看出，地下连续墙沉槽施工會使周边地面产生一定沉降，槽段周边10m 以内的范围沉降约1cm～3cm，槽段10m以外范围，地面沉降约2mm～1cm左右，基本变形规律为距离槽段越远，地面沉降越小。

【4】
考虑到华狮购物中心与卜龄公寓侧有隔离桩，受隔离桩影响，沉降分析如下：从上图可以看出，在增加了钻孔灌注桩隔离带的一侧地面沉降明显小于另外一侧，在有隔离带一侧的地面沉降约2mm～8mm，基本趋势仍是距离槽段越远沉降越小，10m距离内约计算沉降约7mm，10m以外计算沉降约2mm～8mm。

2.2各基坑开挖回筑影响
根据施工组织，本工程基坑分6个工况步骤进行开挖，因此本文按照施工顺序分6中基坑型式对开挖过程进行周边环境影响的分析，按照基坑围护平剖面设计图，采用平面有限元数值分析方法进行计算。

采用Mohr-Coulomb弹塑性模型、Goodman接触单元，对土体进行有限元数值计算。

【5】
通过有限元数值计算仅为理论值，我司经大量深基坑监测数据分析比对后，发现实测围护变形值约为理论分析值的1.7倍。

故本次计算在评估围护变形时，在分析结果上予以1.7倍放大，通过1.7倍放大的围护变形来推算出实际造成的周边建筑沉降值。

主要的简化如下：
（1）初始应力场的模拟：根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖施工前的初始应力场分布。

（2）连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和围护桩之间的相互作用。

（3）挖土模拟：通过有限元软件的“单元生死”模拟基坑开挖施工过程。

有限元计算基本原理：
（1）土体本构模型与参数
土体采用Mohr-Coulomb模型（简称MC模型），MC模型有三个基本参数：
c ：有效粘聚力；
ϕ：有效内摩擦角；
ψ ：剪胀角。

计算中不同分层土体的重度、粘聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，刚度参数和高级参数则根据大量类似工程的监测数据反演分析得到。

钻孔灌注桩及地下连续墙的参数取为：
重度25kN/m3；弹性模量30000MPa；柏松比0.2。

（2）接触面单元
采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟围护桩结构与土体之间相互作用。

接触面单元切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。

用一个折减系数Rinter 来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和粘聚力之间的关系，模拟接触面的强度参数较低的特性。

（3）网格剖分
计算区域为：区域宽度相对于基坑宽度30m取足够宽度，深度取至80m。

水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y 向约束。

采用等三角形六节点平面单元模拟土体，采用梁单元模拟围护桩结构。

【6】
小结：
1、从计算结果可以看出，地面沉降最大处位于距离坑边5m～15m范围内，从1cm至2.5cm不等；距离基坑边15m以外，地表沉降量迅速较小。

2、根据基坑开挖顺序，对于受到多基坑开挖影响的建筑物，应在围护变形值上予以叠加考虑。

1、标准段开挖施工时，除卜龄公寓一侧外，其余3层结构均已完成，因此标准段对另外三侧的沉降影响忽略不计；
2、地铁风亭及3号出入口开挖时，车站主体结构已完成。

因而地铁风亭开挖仅对复兴商厦造成影响；3号出入口开挖仅对复兴商厦及卜龄公寓造成影响。

三.周边影响控制措施
3.1.围护施工阶段
a）优化地墙施工工艺，加深地墙施工深度，用以隔断7-2层承压水层。

b）车站围护施工采用德国宝峨公司最为先进的BC-40铣槽机，进行地墙成槽施工。

使用该设备成槽将保证槽段施工速率及槽壁稳定状况。

减小周边建筑的变形情况。

c）对车站主体地墙深度进行加深，减小降水期间的周边土体沉降，从而减少周边50米范围内建筑沉降变形。

d）在车站东南侧及卜龄公寓周边与拟建基坑接壤间隙设置20米～30米深的隔离桩，减小车站施工对车站东侧及西侧卜龄公寓造成影响。

e）在车站南侧设置隔离墙，减小今后开挖对卜龄公寓及1号线区间造成影响。

f）对车站内清障区域进行三轴槽壁加固，增加地墙施工周边土体稳定；对车站基坑内软地质土体进行大规模加固，增加开挖施工周边土体稳定。

3.2.开挖回筑施工阶段
a）经专家评审的基坑分坑，化整为零，对周边沉降进行有效控制。

b）严格按照“时空效应”对土体进行开挖，加上下三层板逆做施工，确保基坑自身变形受控。

c）合理布置坑内降水井数量及优化降水井布置，有效控制坑外水位降深.
d）尽可能在车站附近建筑边上设置回灌井，控制坑外水位降深，减少基坑建筑房屋
3.4房屋监测：
监测频率：
a）围护施工阶段：沉降监测：1次/天，倾斜测量1次/10天，裂缝监测1次/10天；
b）开挖施工阶段：沉降监测：1次/天，倾斜测量1次/5天，裂缝监测1次/5天；
c）结构施工阶段：沉降监测：1次/天，倾斜测量1次/10天，裂缝监测1次/10天；
d）当发生异常情况时，及时出具监测速报，必要时出具阶段报告，阶段报告含裂缝变化状态、特征及影响程度分析及必要的措施建议。

报警参数及限值：
a）累计沉降大于50mm，并有发展趋势；
b）沉降速率大于2.5mm/d（连续2天），并有发展趋势；
c）倾斜率增量不超过1‰；
d）主要构件节点错位大于5mm，并有发展趋势；、
e）墙体裂缝扩展大于1mm或新增裂缝达到1mm（突发性裂缝），并有发展趋势；
f）房屋附近5m范围内发生宽度大于15mm的第裂缝，并有发展趋势。

四.结论建议
沉降预测：
a）本工程施工对卜龄公寓附近的地面沉降影响最大，预计沉降量为：卜龄公寓附近地面沉降达到64.2mm；
b）本工程施工对华师购物中心附近的地面沉降值为56mm；
c）本工程施工对复兴商厦附近的地面沉降值为49.4mm；
d）本工程施工对淮海中路670弄1-8号的地面沉降值为40.4mm；
e）本工程施工对地铁一号线区间隧道的地面沉降值为17mm；
相应的建议：
a）经计算，卜龄公寓附近地面沉降达到64.2mm。

根据目前该房屋现状结合沉降预测值综合考虑，施工过程中该房屋结构将受一定程度影响。

b）建议：此处居民住户在施工期间（南端头井开始施工至主体结构施工完毕期间暂时搬出进行过渡安置，待车站结构完成后，对卜龄公寓房屋进行再次检测评估后，视情况对原建筑进行重建或修缮后安排居民进行回搬。

c）淮海中670弄1-8号：由于该处房屋内部结构较差且年代久远，现已接近危房。

预测沉降值达到40.4mm，由于该居民楼与带开挖基坑垂直分布，基坑开挖的差异沉降将对该建筑产生较大影响。

d）综合考虑后建议：此处居民住户在施工期间（南端头井开始施工至主体结构施工完毕期间暂时搬出进行过渡安置，待车站结构完成后，对混三民居房屋进行再次检测评估后，视情况对原建筑进行重建或修缮后安排居民进行回搬。

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