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高层建筑基坑工程施工对地铁结构安全的影响研究
发布时间:2021-07-05

  摘    要: 为保证地铁运营的安全,以某邻近已运营地铁明挖区间的超高层民建项目基坑施工为例,采用地层-结构模型分析软件模拟该基坑开挖对地铁明挖区间的影响,总结出基坑施工对地铁结构变形的影响规律,提出降低施工安全风险的建议。

  关键词 :     基坑开挖;地铁区间;地层结构模型;数值模拟;结构内力;结构变形;超高层建筑;

  随着地铁建设的发展,城市规划建设中出现越来越多新建项目位于地铁控制保护区范围内的情况,如果在基坑施工过程中不采取针对地铁保护的专项措施,轻则导致地铁结构出现裂缝、局部渗水等情况,严重时将危及地铁运营安全。
 

高层建筑基坑工程施工对地铁结构安全的影响研究
 

  1、 工程概况

  成都某超高层建筑群基坑开挖深度23.35~30 m,基坑底主要位于中风化泥岩层,采用排桩+内支撑梁支护方式。已运营的地铁1号YDK19+887.000~YDK20+160.850区间在基坑施工的影响范围内,此段区间线路以18‰的坡度下坡,最大覆土厚度5.8 m,最小覆土厚度2.5m,为明挖段现浇钢筋混凝土框架结构,土钉支护及网喷支护。基坑开挖围护桩边线与地铁区间标准段结构外皮横向净距离约13.7 m,与地铁风亭结构外皮横向净距离约11.0 m。见图1。

  图1 基坑与既有地铁区间平面关系
图1 基坑与既有地铁区间平面关系

  地下水埋深5.50~7.50 m,相应高程478.49~480.15 m。基岩面在±0以下14~15 m,由于基岩面较浅,基岩顶面1~2 m范围内地下水无法采用井点降水排出,必须在坑内设置排水沟和集水井,以明排疏干基坑表层的积水。故降水方案采用管井降水辅以坑内设置水泵进行明排。

  根据相关规范规定,拟建工程施工界面与区间隧道间距均在1.0H~2.0H(H为基坑深度)之间,属于较接近,拟建工程施工对区间影响分区位于强烈影响区。综上所述,拟建工程对既有区间隧道的影响等级为一级。

  2 、安全性影响分析

  基坑工程施工及超高层建筑建成对既有地铁区间隧道结构会造成一定影响,对其进行安全性分析是本项目工作的重点。通过收集、整理和分析地勘、设计和现状调查资料,运用数值分析、工程类比和专家评议等多种方法,预测施工引起既有地铁区间结构的变形,同时考虑在该变形条件下既有区间结构的最终内力状态,在此基础上评价既有地铁区间结构及运营是否安全。

  2.1 、分析方法

  用于地下结构理论计算的力学模型主要有两种:连续介质模型,即地层-结构模型;作用-反作用模型,即荷载-结构模型。具体到本工程,考虑到施工引起的区间结构沉降与地层关系密切,采用地层结构模型分析施工过程对区间结构的影响,使用Midas-GTS软件,选取连续介质模型。

  1)数值分析假定:施工期间既有地铁区间结构仅考虑正常使用工况;基坑、地铁区间结构与土体之间符合变形协调原则;基坑开挖、支护、降水施工处于良好控制中。

  2)控制标准:地铁明挖区间结构水平位移预警值不超过6 mm,控制值不超过10 mm;结构竖向位移预警值不超过6 mm,控制值不超过10 mm;轨道横向高差移预警值不超过2 mm,控制值不超过4 mm[1]。

  2.2 、模型建立

  本次计算采用三维模型[2]。模拟区域长310 m、宽220 m、深70 m;土层厚度:填土2.0 m、黏土4.8 m、细砂4.8 m、稍密卵石土1.9 m、中密卵石土1.4 m、强风化泥岩2.2 m、中风化泥岩20 m。见图2。

  图2 计算模型
图2 计算模型

  图3 计算模型
图3 计算模型

  采用四面体模拟实体单元;地铁区间结构采用壳单元模拟;围护结构换算成等刚度墙,采用板单元模拟;基坑内支撑、腰梁及双排桩之间的连梁采用梁单元模拟。围岩在开挖过程中考虑塑性变形,破坏准则采用修正摩尔-库伦弹塑性准则,地铁区间结构和地块围护结构仅考虑弹性工作,采用线弹性本构关系。

  根据地质报告提供的参数及工程经验,考虑安全性分析需要,对一定深度范围内岩土类别相近的土体进行了合并,对土层参数进行综合取值。基坑围护桩和混凝土支撑采用C30钢筋混凝土,地铁明挖区间框架结构采用C35钢筋混凝土。

  模型计算荷载主要包括:自重、土压力、水压力、超载、建筑物上部结构荷载。

  2.3、 计算工况

  考虑基坑施工过程中将会进行坑外管井降水,建成后,地下水回升,基坑降水会对区间结构变形有一定影响,模拟计算过程中考虑地下水位差的作用,区间西侧降水至地面以下约8.5 m,东侧降水至地面以下约5.5 m。计算工况如下[3]:

  1)地层及既有地铁区间模型建立及计算(初始工况);

  2)桩基施工,邻近地铁区间侧注浆加固;

  3)降水至地面以下约8.5 m;

  4)基坑整体分层开挖至地面以下3.5 m;

  5)基坑整体分层开挖至地面以下10.5 m;

  6)预留核心土,T2、T3区域分层开挖至坑底;

  7)T1区域施工,架设第1道混凝土支撑,开挖至第2道支撑处;

  8)T1区域架设第2道混凝土支撑,开挖至坑底;

  9)基坑回筑,T1区域施工B1~B4地下室,依次拆除混凝土支撑;

  10)核心土上部分开挖至地面以下14.1 m,架设竖向斜撑;

  11)核心土下部分开挖至坑底;

  12)基坑回筑,T2、T3区域施工B3~B4地下室,拆除竖向斜撑;

  13)T2、T3区域施工B1~B2地下室;

  14)回筑完毕,加载上部结构荷载。

  以上各工况仅考虑施工全过程中的最不利阶段,计算重点分析基坑开挖卸载过程对既有地铁区间结构的影响。

  2.4 、计算结果

  1)区间结构变形值见表1。

  表1 既有区间结构变形
表1 既有区间结构变形

  2)区间结构内力值见表2。

  表2 既有区间结构底板内力
表2 既有区间结构底板内力

  在基坑开挖及回筑过程中,区间结构最大水平位移3.44 mm、最大竖向位移3.17 mm,区间轨道横向高差最大值为0.01 mm,均满足控制值要求。既有区间结构内力变化较小,能满足受力要求。

  3 、结论及建议

  在超高层民建项目基坑施工控制良好的情况下引起的结构受力、位移变化较小,未超过规范规定安全控制值,可认为该工程实施对既有地铁区间结构在预测变形范围内是安全的,可满足地铁安全运营的要求。

  同时数值计算也反映出,降水和基坑开挖至坑底两个工况对地铁结构变形影响较为明显,故提出如下建议:

  1)在基坑开挖、支护、主体回筑阶段应该严格控制各项施工质量,确保基坑自身安全;
  2)降水施工应严格控制出砂率,设置地下水回灌井,以减少地铁明挖结构两侧的水位差;
  3)土方回填时,主体结构与地下室外墙之间的肥槽分层回填密实,在条形基础外部以及楼板板面标高处采用素混凝土回填,保证侧向土压力的传递,防止拆撑过程中地铁侧围护结构变形;
  4)合理安排土方开挖和支撑的施工,保证支护体系的均匀、对称受力;
  5)聘请专业监测机构对基坑和地铁区间同步进行自动化监测,由施工引起的地铁区间内巡视和监测应持续至基坑回筑到地面后1月;
  6)基坑施工前,制定完善的施工组织设计和应急预案,在基坑开挖过程中遇地铁区间位移预警,应启动应急措施,控制区间位移。

  参考文献

  [1] CJJ/T 202- -2013 ,城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].
  [2]余晓琳,施成华邻近基坑施I对既有地铁结构影响的分析[J]岩土工程技术, 2010,24(4):202-206.
  [3]陈鲁,周莹,程智伟.深大基坑施I对邻近地铁结构的安全性影响分析[J]建筑结构, 2019, 49(S1):763-767.

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