建筑荷載作用下地鐵基坑開挖技術探析
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摘要:地鐵建設一般位于城市繁華地段，周邊超高層建筑較多，在地鐵基坑開挖過程中，如何保證基坑的開挖安全和超高層建筑物不產生破壞，一直是地鐵基坑開挖的難題。以北京地鐵14號線麗澤商務區站基坑開挖為依托，考慮地鐵車站臨近超高層建筑物的相互影響，通過數值模擬計算和分析預測，確定超高層建筑變形控制指標、地鐵基坑支護及開挖要求，經實踐驗證了這種方法的合理性。
關鍵詞:數值模型;結構參數;超高層;基坑開挖
1概述
近年來，隨著城市化進程的不斷推進，城市用地日趨緊張，發展利用地下空間已成為首要選擇，城市地下空間利用越來越多［1］。隨著高層建筑、地鐵及其他大型市政設施的建造，促使基坑工程快速發展。地鐵車站一般建設在城市繁華區段，周圍建筑物、道路、管線及其他市政設施密集，對基坑變形要求嚴格［2］。基坑開挖前，土體處于應力平衡狀態，當基坑內土體開挖卸載后，打破原有的平衡，引起土體應力變化［3］，坑底土體產生回彈變形、圍護結構向基坑內變形、基坑周邊地面沉降(隆起)，從而對周邊環境產生不利影響［4］。近年來，國內外學者對基坑開挖進行了大量研究，取得了不少成果。張維來等通過對地鐵深基坑開挖對周圍環境的影響研究，得出在深基坑建設過程中對周圍的建筑物進行地面注漿和袖閥管注漿效果明顯;馮曉臘等［5］通過復雜條件下基坑開挖對周邊環境變形影響的數值模擬分析，得出支護結構、周邊建(構)筑物及土體的變形均滿足規范關于變形控制的要求;孫明祥［6］通過基坑開挖對周邊建筑物的影響研究，得出基坑開挖對周圍建筑物的影響較小，均在控制范圍以內;張旺生［7］通過對基坑開挖對鄰近建筑物的影響研究，得出開挖基坑前對周圍建筑的加固措施能有效地減少基坑開挖對建筑的影響;施有志等［8］通過地鐵深基坑開挖對鄰近建筑物影響分析，得出鄰近建筑物越靠近基坑部分受基坑開挖影響越大，基坑開挖后，鄰近建筑物結構變形主要表現為沉降和指向基坑的水平位移;奚家米等［9］通過基于時空效應的深基坑工程變形規律分析，得出變形主要發生在基坑開挖階段，底板可以有效地控制基坑自身和周圍環境的變形;孫超等通過基坑開挖對周邊環境的影響研究，得出對于淺基礎建筑物，在距離基坑0．6H～0．8H(H為基坑開挖深度)處建筑物沉降和地表沉降差異較大，建筑物表現為不均勻沉降;孫小力等通過地鐵基坑開挖數值模擬及變形特征研究，得出開挖過程中，地下連續墻沿深度方向的水平位移曲線近似呈“弓”形，且隨著開挖深度的增加“弓”形趨勢越大;宋旭輝［10］通過地鐵基坑開挖對周圍建筑物沉降的影響研究，得出建筑沉降量隨著基坑間距的增加，均表現出先增大后減小的趨勢，且隨著基坑支護結構剛度以及建筑物強度的增加逐漸減小;秦勝伍等通過基坑開挖與支撐拆除對周圍環境影響的研究，得出支撐拆除階段與基坑開挖階段的變形規律一致，受時空作用影響明顯，“中間大、兩邊小”;郭家武等［11］通過深基坑開挖對支護結構的影響分析，得出基坑變形大的位置主要發生在深基坑開挖的長邊中部，隨著深度的加大，變形起初是增大的，到達一定深度變形最大，隨后由于土體的約束作用使得變形減小。以上主要對基坑施工引起的周邊環境變形及其規律開展的研究，對于復雜環境下通過建立開挖卸荷數值模型計算分析超高層建筑容許變形能力，從而確定超高層建筑變形控制指標、地鐵基坑支護及開挖要求，并通過實踐驗證其合理性，研究較少。本文對上述方法進行了分析研究，為類似工程提供參考借鑒［12］。
2工程概況
2．1地鐵麗澤商務區站概況
麗澤商務區站位于規劃的麗澤商務區核心區域，是地鐵14號線與16號線的十字換乘站，位于麗澤路與駱駝灣西路交叉路口處，車站東西向為14號線，總長355m，標準段寬度為27．5m，頂板覆土厚度為4．2m，底板埋深19．6m，建筑面積25092．22m2，地下2層(局部1層、3層)三跨結構，采用明挖法施工。基坑圍護結構采用圍護樁(地連墻)+錨索支護體系，詳見圖1，圖2。
2．2麗澤SOHO建筑概況
基坑中部靠南側為麗澤SOHO建筑，地上45層，主體為框架－核心筒混凝土結構，鋼筋混凝土現澆樓板體系，結構高度191．50m，主要柱網跨度為9m，13．5m，地下共4層，地下室頂板覆土厚度為0．6m～3．0m，為框架－剪力墻混凝土結構，地下1層～4層采用鋼筋混凝土現澆梁板體系。裙房和車庫采用抗拔灌注樁進行抗浮設計，樁徑0．6m、有效樁長12．0m，單樁豎向抗拔承載力特征值1200kN。主體結構核心筒部分采用樁筏基礎，筏板厚度3．0m，純地下室部分采用梁式筏板基礎，筏板厚度0．6m，局部1．9m。主樓采用鉆孔灌注樁，樁徑0．85m、樁長16．5m，樁端持力層為第(6)層卵石土，單樁豎向抗壓承載力特征值Ｒa=10000kN。材料參數見表1。
2．3地鐵車站與臨近麗澤SOHO位置關系
麗澤SOHO位于14號線麗澤商務區站南側，地下室東西向120m范圍臨近地鐵車站，麗澤SOHO與地鐵車站共用此范圍內的圍護樁，地鐵地下2層主體結構距離麗澤SOHO地下室水平約14．9m;地下1層主體結構距離麗澤SOHO地下室水平約3．6m。地鐵基坑底距離麗澤SOHO基礎底豎向約1．5m。麗澤SO-HO為地鐵基坑施工的一級風險源。麗澤SOHO與地鐵相對位置平面圖見圖3，麗澤SOHO與地鐵相對位
3工程地質與水文地質
地層自上而下為:雜填土①1層，粉土填土①層，粉土②層，細砂②3層，圓礫，卵石②5層，卵石，圓礫⑤層，卵石⑦層。基底主要位于卵石⑦層，其中14號線地下1層部位位于卵石、圓礫⑤層。車站主要賦存有1層地下水，其類型為潛水。潛水主要賦存于工程地質剖面圖中的⑦層中。平均穩定水位標高為23．2m，位于14號線基底以下1m，位于16號線。
本文主要采用數值方法進行模擬計算和分析預測，地下結構采用荷載－結構模型的力學模型進行理論計算，數值模擬計算采用YJK和Midas-gen進行建模計算(見圖5)。麗澤SOHO為超高層建筑，對差異沉降較為敏感，此次計算采用在結構基礎上(臨近地鐵側)施加豎向強制位移的方法，來模擬地鐵施工過程中產生的沉降變形，進而驗算主體結構承載力及變形，保證主體結構的安全，確保其產生的變形滿足規范要求且不影響正常使用。本文計算中假定:1)假定既有建筑結構為線彈性材料;2)假定地鐵施工處于正常良好控制的條件下;3)假定既有建筑物結構在項目施工前為均勻沉降，結構內力未發生變化。對主體結構采用有限元分析軟件Midas-gen建立數值分析模型，對框架結構主要梁、柱受力構件采用梁單元模擬，剪力墻、樓面板采用板單元模擬。分析地鐵車站施工對麗澤SOHO建筑物的影響，考慮最不利原則，通過在臨近地鐵側地下室底板施加豎向強制位移，模擬施工過程中引起的豎向沉降變形對主體結構的影響。基坑開挖施工過程產生的豎向變形，主要為土體開挖產生土體擾動引起沉降變形以及土體卸載產生的土拱效應，將模型主要計算工況及其施工階段進行劃分，如表2所示。假設結構發生不同豎向差異沉降位移時，對結構的承載力能力與變形結果進行分析計算。分別在支座處施加豎向向下位移8mm和9mm進行結構計算，將計算結果與施工圖進行比對發現當施加豎向位移9mm時，結構構件不再滿足受力要求。在施加8mm差異沉降位移時結構各構件在各種性能指標下的彈性分析，罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析等結果均滿足超限審查中的性能指標要求。受力模型見圖6～圖8。綜合考慮多工況組合下安全系數及麗澤SOHO主體建成后基礎可能已經發生的差異沉降等因素，施工過程中麗澤商務區站臨近麗澤SOHO的變形控制指標確定為:麗澤SOHO地下結構基礎豎向變形不大于10mm，差異豎向變形不超過6mm，變形速率小于1mm/d。既有圍護樁樁頂水平位移不大于20mm。重點對麗澤SOHO地下室受力最大的外墻及結構進行重點內力及變形監測。
5超高層荷載(麗澤SOHO)作用下基坑開挖
5．1基坑支護體系及開挖方式的選用
根據計算結果的要求，考慮到車站明挖基坑施工將引起臨近土層發生變形和應力調整，基坑開挖過程相當于對建筑物進行卸荷，會導致麗澤SOHO地基周邊土壓力變小，可能危害周邊建筑物基礎的結構安全。由于基坑埋深較深，基坑開挖過快時，上覆土壓力突然減小，會導致地基土產生向上的應力，地基土會產生回彈，從而有可能帶動臨近建筑物地基產生向上的變形。沉降和變形通過地下室結構傳遞至核心筒結構，從而引發上部結構傾斜變形和開裂等危險。因此車站基坑采用了圍護樁(地連墻)+錨索支護體系，基坑開挖過程中，利用土體的時空效應，平面將基坑劃分為多個開挖區段，豎向按錨索劃分開挖土層，采取拉槽開挖方式進行，根據施工監測建筑物沉降、水平位移等數據結果，并嚴格控制和動態調整單步開挖深度、長度，及時施工錨索并施加預加力，加強監控量測，采取信息化施工。基坑分段出土平面見圖9。
5．2開挖過程中的指標監測數據分析
1)測點布置。在麗澤SOHO結構北側，考慮開挖過程中地面沉降及SOHO建筑結構能承受的位移，在地鐵車站和SOHO交接處布置建構筑物沉降測點，在轉角處布置建構筑物傾斜測點。監測點布設見圖10。2)監測成果分析基礎豎向變形，變形較大的點位為KJC－01－06，KJC－01－07，KJC－01－08，KJC－01－09，變形值分別為9．8mm，9．84mm，9．91mm，9．01mm，時間為2021年4月28日，點位分布在SOHO正北、東北方向，期間臨近SOHO處地鐵基坑已開挖完成，主體結構尚未施工。豎向差異變形，變形最大的點位為KJC－01－05～KJC－01－06，最大值為3mm。既有圍護樁樁頂水平位移，變形較大的點位為ZQS－02－06，ZQS－02－07，ZQS－02－08，變形值分別為11．1mm，10．7mm，14．8mm，時間為2021年5月下旬，點位位于SOHO的東北方向。期間臨近SOHO處地鐵車站主體結構已施工完成，地鐵與SOHO間基坑肥槽尚未回填。
6結論
1)數值模擬計算中，地下結構采用荷載－結構模型的力學模型進行理論計算，超高層建筑對差異沉降較為敏感，采用在結構基礎上(臨近地鐵側)施加豎向強制位移的方法，來模擬地鐵施工過程中產生的沉降變形，進而驗算主體結構承載力及變形，方法合理可行。2)考慮主體結構計算分析成果，預留一定程度的變形能力安全儲備，提出既有建筑物的整體變形控制體系，包含完整的變形控制指標和分區域、分階段的變形控制指標;保證了基坑開挖過程中臨近建筑結構的安全。3)地鐵基坑施工時選擇合理的施工工序，通過分層分塊開挖，明確重點監測位置和區域，從結構現狀和受力特性角度出發提出測點布設，實現信息化施工，根據監測結果及時調整開挖方式，可有效控制基坑變形。
作者:彭海中 單位:北京城建集團有限責任公司
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