建筑荷载作用下地铁基坑开挖技术探析

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摘要:地铁建设一般位于城市繁华地段，周边超高层建筑较多，在地铁基坑开挖过程中，如何保证基坑的开挖安全和超高层建筑物不产生破坏，一直是地铁基坑开挖的难题。以北京地铁14号线丽泽商务区站基坑开挖为依托，考虑地铁车站临近超高层建筑物的相互影响，通过数值模拟计算和分析预测，确定超高层建筑变形控制指标、地铁基坑支护及开挖要求，经实践验证了这种方法的合理性。

关键词:数值模型;结构参数;超高层;基坑开挖

1概述

近年来，随着城市化进程的不断推进，城市用地日趋紧张，发展利用地下空间已成为首要选择，城市地下空间利用越来越多［1］。随着高层建筑、地铁及其他大型市政设施的建造，促使基坑工程快速发展。地铁车站一般建设在城市繁华区段，周围建筑物、道路、管线及其他市政设施密集，对基坑变形要求严格［2］。基坑开挖前，土体处于应力平衡状态，当基坑内土体开挖卸载后，打破原有的平衡，引起土体应力变化［3］，坑底土体产生回弹变形、围护结构向基坑内变形、基坑周边地面沉降(隆起)，从而对周边环境产生不利影响［4］。近年来，国内外学者对基坑开挖进行了大量研究，取得了不少成果。张维来等通过对地铁深基坑开挖对周围环境的影响研究，得出在深基坑建设过程中对周围的建筑物进行地面注浆和袖阀管注浆效果明显;冯晓腊等［5］通过复杂条件下基坑开挖对周边环境变形影响的数值模拟分析，得出支护结构、周边建(构)筑物及土体的变形均满足规范关于变形控制的要求;孙明祥［6］通过基坑开挖对周边建筑物的影响研究，得出基坑开挖对周围建筑物的影响较小，均在控制范围以内;张旺生［7］通过对基坑开挖对邻近建筑物的影响研究，得出开挖基坑前对周围建筑的加固措施能有效地减少基坑开挖对建筑的影响;施有志等［8］通过地铁深基坑开挖对邻近建筑物影响分析，得出邻近建筑物越靠近基坑部分受基坑开挖影响越大，基坑开挖后，邻近建筑物结构变形主要表现为沉降和指向基坑的水平位移;奚家米等［9］通过基于时空效应的深基坑工程变形规律分析，得出变形主要发生在基坑开挖阶段，底板可以有效地控制基坑自身和周围环境的变形;孙超等通过基坑开挖对周边环境的影响研究，得出对于浅基础建筑物，在距离基坑0．6H～0．8H(H为基坑开挖深度)处建筑物沉降和地表沉降差异较大，建筑物表现为不均匀沉降;孙小力等通过地铁基坑开挖数值模拟及变形特征研究，得出开挖过程中，地下连续墙沿深度方向的水平位移曲线近似呈“弓”形，且随着开挖深度的增加“弓”形趋势越大;宋旭辉［10］通过地铁基坑开挖对周围建筑物沉降的影响研究，得出建筑沉降量随着基坑间距的增加，均表现出先增大后减小的趋势，且随着基坑支护结构刚度以及建筑物强度的增加逐渐减小;秦胜伍等通过基坑开挖与支撑拆除对周围环境影响的研究，得出支撑拆除阶段与基坑开挖阶段的变形规律一致，受时空作用影响明显，“中间大、两边小”;郭家武等［11］通过深基坑开挖对支护结构的影响分析，得出基坑变形大的位置主要发生在深基坑开挖的长边中部，随着深度的加大，变形起初是增大的，到达一定深度变形最大，随后由于土体的约束作用使得变形减小。以上主要对基坑施工引起的周边环境变形及其规律开展的研究，对于复杂环境下通过建立开挖卸荷数值模型计算分析超高层建筑容许变形能力，从而确定超高层建筑变形控制指标、地铁基坑支护及开挖要求，并通过实践验证其合理性，研究较少。本文对上述方法进行了分析研究，为类似工程提供参考借鉴［12］。

2工程概况

2．1地铁丽泽商务区站概况

丽泽商务区站位于规划的丽泽商务区核心区域，是地铁14号线与16号线的十字换乘站，位于丽泽路与骆驼湾西路交叉路口处，车站东西向为14号线，总长355m，标准段宽度为27．5m，顶板覆土厚度为4．2m，底板埋深19．6m，建筑面积25092．22m2，地下2层(局部1层、3层)三跨结构，采用明挖法施工。基坑围护结构采用围护桩(地连墙)+锚索支护体系，详见图1，图2。

2．2丽泽SOHO建筑概况

基坑中部靠南侧为丽泽SOHO建筑，地上45层，主体为框架－核心筒混凝土结构，钢筋混凝土现浇楼板体系，结构高度191．50m，主要柱网跨度为9m，13．5m，地下共4层，地下室顶板覆土厚度为0．6m～3．0m，为框架－剪力墙混凝土结构，地下1层～4层采用钢筋混凝土现浇梁板体系。裙房和车库采用抗拔灌注桩进行抗浮设计，桩径0．6m、有效桩长12．0m，单桩竖向抗拔承载力特征值1200kN。主体结构核心筒部分采用桩筏基础，筏板厚度3．0m，纯地下室部分采用梁式筏板基础，筏板厚度0．6m，局部1．9m。主楼采用钻孔灌注桩，桩径0．85m、桩长16．5m，桩端持力层为第(6)层卵石土，单桩竖向抗压承载力特征值Ｒa=10000kN。材料参数见表1。

2．3地铁车站与临近丽泽SOHO位置关系

丽泽SOHO位于14号线丽泽商务区站南侧，地下室东西向120m范围临近地铁车站，丽泽SOHO与地铁车站共用此范围内的围护桩，地铁地下2层主体结构距离丽泽SOHO地下室水平约14．9m;地下1层主体结构距离丽泽SOHO地下室水平约3．6m。地铁基坑底距离丽泽SOHO基础底竖向约1．5m。丽泽SO-HO为地铁基坑施工的一级风险源。丽泽SOHO与地铁相对位置平面图见图3，丽泽SOHO与地铁相对位

3工程地质与水文地质

地层自上而下为:杂填土①1层，粉土填土①层，粉土②层，细砂②3层，圆砾，卵石②5层，卵石，圆砾⑤层，卵石⑦层。基底主要位于卵石⑦层，其中14号线地下1层部位位于卵石、圆砾⑤层。车站主要赋存有1层地下水，其类型为潜水。潜水主要赋存于工程地质剖面图中的⑦层中。平均稳定水位标高为23．2m，位于14号线基底以下1m，位于16号线。

4超高层丽泽SOHO荷载作用下计算模型分析

本文主要采用数值方法进行模拟计算和分析预测，地下结构采用荷载－结构模型的力学模型进行理论计算，数值模拟计算采用YJK和Midas-gen进行建模计算(见图5)。丽泽SOHO为超高层建筑，对差异沉降较为敏感，此次计算采用在结构基础上(临近地铁侧)施加竖向强制位移的方法，来模拟地铁施工过程中产生的沉降变形，进而验算主体结构承载力及变形，保证主体结构的安全，确保其产生的变形满足规范要求且不影响正常使用。本文计算中假定:1)假定既有建筑结构为线弹性材料;2)假定地铁施工处于正常良好控制的条件下;3)假定既有建筑物结构在项目施工前为均匀沉降，结构内力未发生变化。对主体结构采用有限元分析软件Midas-gen建立数值分析模型，对框架结构主要梁、柱受力构件采用梁单元模拟，剪力墙、楼面板采用板单元模拟。分析地铁车站施工对丽泽SOHO建筑物的影响，考虑最不利原则，通过在临近地铁侧地下室底板施加竖向强制位移，模拟施工过程中引起的竖向沉降变形对主体结构的影响。基坑开挖施工过程产生的竖向变形，主要为土体开挖产生土体扰动引起沉降变形以及土体卸载产生的土拱效应，将模型主要计算工况及其施工阶段进行划分，如表2所示。假设结构发生不同竖向差异沉降位移时，对结构的承载力能力与变形结果进行分析计算。分别在支座处施加竖向向下位移8mm和9mm进行结构计算，将计算结果与施工图进行比对发现当施加竖向位移9mm时，结构构件不再满足受力要求。在施加8mm差异沉降位移时结构各构件在各种性能指标下的弹性分析，罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析等结果均满足超限审查中的性能指标要求。受力模型见图6～图8。综合考虑多工况组合下安全系数及丽泽SOHO主体建成后基础可能已经发生的差异沉降等因素，施工过程中丽泽商务区站临近丽泽SOHO的变形控制指标确定为:丽泽SOHO地下结构基础竖向变形不大于10mm，差异竖向变形不超过6mm，变形速率小于1mm/d。既有围护桩桩顶水平位移不大于20mm。重点对丽泽SOHO地下室受力最大的外墙及结构进行重点内力及变形监测。

5超高层荷载(丽泽SOHO)作用下基坑开挖

5．1基坑支护体系及开挖方式的选用

根据计算结果的要求，考虑到车站明挖基坑施工将引起临近土层发生变形和应力调整，基坑开挖过程相当于对建筑物进行卸荷，会导致丽泽SOHO地基周边土压力变小，可能危害周边建筑物基础的结构安全。由于基坑埋深较深，基坑开挖过快时，上覆土压力突然减小，会导致地基土产生向上的应力，地基土会产生回弹，从而有可能带动临近建筑物地基产生向上的变形。沉降和变形通过地下室结构传递至核心筒结构，从而引发上部结构倾斜变形和开裂等危险。因此车站基坑采用了围护桩(地连墙)+锚索支护体系，基坑开挖过程中，利用土体的时空效应，平面将基坑划分为多个开挖区段，竖向按锚索划分开挖土层，采取拉槽开挖方式进行，根据施工监测建筑物沉降、水平位移等数据结果，并严格控制和动态调整单步开挖深度、长度，及时施工锚索并施加预加力，加强监控量测，采取信息化施工。基坑分段出土平面见图9。

5．2开挖过程中的指标监测数据分析

1)测点布置。在丽泽SOHO结构北侧，考虑开挖过程中地面沉降及SOHO建筑结构能承受的位移，在地铁车站和SOHO交接处布置建构筑物沉降测点，在转角处布置建构筑物倾斜测点。监测点布设见图10。2)监测成果分析基础竖向变形，变形较大的点位为KJC－01－06，KJC－01－07，KJC－01－08，KJC－01－09，变形值分别为9．8mm，9．84mm，9．91mm，9．01mm，时间为2021年4月28日，点位分布在SOHO正北、东北方向，期间临近SOHO处地铁基坑已开挖完成，主体结构尚未施工。竖向差异变形，变形最大的点位为KJC－01－05～KJC－01－06，最大值为3mm。既有围护桩桩顶水平位移，变形较大的点位为ZQS－02－06，ZQS－02－07，ZQS－02－08，变形值分别为11．1mm，10．7mm，14．8mm，时间为2021年5月下旬，点位位于SOHO的东北方向。期间临近SOHO处地铁车站主体结构已施工完成，地铁与SOHO间基坑肥槽尚未回填。

6结论

1)数值模拟计算中，地下结构采用荷载－结构模型的力学模型进行理论计算，超高层建筑对差异沉降较为敏感，采用在结构基础上(临近地铁侧)施加竖向强制位移的方法，来模拟地铁施工过程中产生的沉降变形，进而验算主体结构承载力及变形，方法合理可行。2)考虑主体结构计算分析成果，预留一定程度的变形能力安全储备，提出既有建筑物的整体变形控制体系，包含完整的变形控制指标和分区域、分阶段的变形控制指标;保证了基坑开挖过程中临近建筑结构的安全。3)地铁基坑施工时选择合理的施工工序，通过分层分块开挖，明确重点监测位置和区域，从结构现状和受力特性角度出发提出测点布设，实现信息化施工，根据监测结果及时调整开挖方式，可有效控制基坑变形。

作者:彭海中 单位:北京城建集团有限责任公司