朱宅城中村改造工程對(duì)溫州市域鐵路S1線影響分析

陳　侃

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

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朱宅城中村改造工程對(duì)溫州市域鐵路S1線影響分析

陳侃

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

摘要：市域鐵路S1線全線鋪設(shè)無縫線路無砟軌道，是溫州重要的城市軌道交通路線。列車運(yùn)行對(duì)軌道的豎向、橫向變形有較高要求。朱宅城中村改造工程鄰近市域鐵路S1線高架橋，相鄰建筑物的施工有可能對(duì)市域鐵路S1線橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成不利影響，對(duì)行車平順性甚至行車安全造成威脅。通過在朱宅城中村改造工程(一期)項(xiàng)目施工之前開展分析計(jì)算，以確保建筑物及鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；止水帷幕；沉降

1工程概況

受城中村改造工程基坑開挖影響的溫州市域鐵路S1線構(gòu)造物主要為市域鐵路S1線南洋大道特大橋，其大部分墩臺(tái)均位于南洋大道中央隔離帶，受影響范圍為緯五十一路(規(guī)劃)至直洋河區(qū)間，樁號(hào)DK28+885.00—DK28+991.00，受影響橋梁墩號(hào)以及里程分別為54#墩(DK28+901.0)、55#墩(DK28+941.0)、56#墩(DK28+981.0)。兩者平面距離最近處凈距20.8 m(至市域鐵路中心線處，下同)，平面距離最遠(yuǎn)處凈距42.4 m，基坑深度約為5 m。見圖1。

受朱宅城中村改造工程(一期)影響的橋梁區(qū)段孔跨布置為(40+70+40)m連續(xù)梁+40 m簡(jiǎn)支梁+40 m簡(jiǎn)支梁，橋墩形式均為矩形墩，基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁。朱宅城中村改造工程為26～27層高層，全場(chǎng)設(shè)置一層大面積地下室，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。其靠近市域鐵路S1線的構(gòu)造物為附屬商業(yè)辦公樓，該辦公樓為地下1層，地上5層，采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

圖1　市域鐵路S1線與朱宅城中村改造工程關(guān)系圖

根據(jù)《溫州市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理辦法》，軌道交通建設(shè)規(guī)劃確定的近期實(shí)施項(xiàng)目，原則上按照下列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立規(guī)劃控制區(qū)和規(guī)劃影響區(qū)：軌道交通線路中心線兩側(cè)各15 m劃定為軌道交通規(guī)劃控制區(qū)；規(guī)劃控制區(qū)外兩側(cè)各20 m劃定為軌道交通規(guī)劃影響區(qū)；對(duì)于線路曲線段以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告有明確要求的，根據(jù)技術(shù)要求設(shè)立相應(yīng)規(guī)劃控制區(qū)和規(guī)劃影響區(qū)。城中村改造工程距離市域鐵路S1線結(jié)構(gòu)外側(cè)約18.8～40.4 m，屬于控制區(qū)以外，影響區(qū)以內(nèi)。

根據(jù)目前兩個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況，朱宅城中村改造工程施工圖設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，即將施工，市域鐵路S1線南洋大道特大橋已經(jīng)完成施工。

2分析思路

在地基上進(jìn)行基坑開挖以及建筑物施工會(huì)引起相鄰的既有構(gòu)造物較大的附加沉降及不均勻沉降、土體水平位移、樁側(cè)負(fù)摩阻力等一系列巖土工程問題[1-3]。因此，對(duì)這類工程需要合理分析，妥善處理，以減小對(duì)周圍環(huán)境及建筑的影響。

基坑開挖不可避免地會(huì)干擾附近地層原有的平衡狀態(tài)，引起附近地層應(yīng)力重分布和變形，構(gòu)成對(duì)周邊既有構(gòu)造物的附加荷載，使其發(fā)生附加變形?；邮┕ひ鸬牡貙討?yīng)力和變形是造成附近既有構(gòu)造物承受附加荷載、產(chǎn)生附加變形的根本原因。

基坑開挖是一個(gè)土體應(yīng)力釋放的過程，也是基坑開挖面上卸荷的過程，此過程導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)外土體產(chǎn)生應(yīng)力重分布。垂直向卸荷會(huì)引起坑底原始應(yīng)力狀態(tài)改變。在開挖深度不大時(shí)，坑底土體卸荷后發(fā)生垂直向上的彈性隆起，圍護(hù)墻隨土體回彈而抬高；當(dāng)開挖到一定深度，基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用，就會(huì)使圍護(hù)墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，使坑底產(chǎn)生向上隆起，同時(shí)在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)并引起地面沉降，也會(huì)使臨近既有構(gòu)造物發(fā)生不均勻沉降和向基坑內(nèi)側(cè)方向的水平位移，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致構(gòu)造物的破壞。

高層建筑物的施工與運(yùn)營(yíng)也會(huì)對(duì)相鄰樁基產(chǎn)生影響。其主要集中在三個(gè)方面：

1)負(fù)摩阻力問題。高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后會(huì)對(duì)地面施加豎向荷載，使地基土發(fā)生較大的沉降(包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降)，樁周土的沉降會(huì)直接影響到樁的承載變形特征。當(dāng)樁周土向下沉降變形大于樁身的沉降時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。這會(huì)大大降低樁基承載力和增大樁基沉降；其次，由于不同位置處建筑物施加的豎向荷載不同，使得不同位置處的樁基上負(fù)摩阻力的大小和分布也存在差別，從而對(duì)不同位置處樁的承載力和沉降產(chǎn)生不同的影響。

2)水平位移問題。當(dāng)在樁側(cè)地面施加豎向荷載時(shí)，會(huì)使土體側(cè)向擠出而使鄰近樁基發(fā)生側(cè)向變形。高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后對(duì)地面施加的豎向荷載會(huì)導(dǎo)致臨近樁基發(fā)生遠(yuǎn)離高層建筑物的水平向位移。

3)高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后對(duì)地面施加的豎向荷載會(huì)給臨近既有構(gòu)造物一個(gè)很大的附加沉降量。

建筑物基礎(chǔ)靠近附加荷載的區(qū)域沉降量較大，遠(yuǎn)離這個(gè)附加荷載的區(qū)域沉降量較小，這勢(shì)必會(huì)形成一個(gè)差異沉降。

深基坑土方開挖過程中，由于地基土體、地下水的平衡條件被打破，基坑周邊土體將產(chǎn)生變形，變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到周邊建筑物、道路、管線等的安全和正常使用。因此，基坑開挖過程中，應(yīng)采用基坑支護(hù)措施，控制基坑周邊土體的變形，使其數(shù)值在允許的范圍內(nèi)。

綜上所述，本次依據(jù)以下步驟進(jìn)行分析：

首先，根據(jù)朱宅城中村改造工程(一期)施工方案，判別基坑安全等級(jí)，評(píng)估基坑方案是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

其次，通過數(shù)值模擬計(jì)算基坑開挖與建筑物建成對(duì)市域鐵路S1線高架橋的影響。

最終，根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)分析基坑開挖安全程度及其對(duì)市域鐵路S1線高架橋位移、變形的影響是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3安置房與S1線相互影響及分析

3.1安置房圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)基坑周圍環(huán)境條件、開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)功能等確定基坑工程等級(jí)。參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—2012)》，以及杭州和寧波地鐵基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等[4-6]。本工程基坑安全等級(jí)為二級(jí)，東側(cè)南洋大道處圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)評(píng)定為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1，采用鉆孔灌注樁加一道現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐支護(hù)。

本設(shè)計(jì)圍護(hù)樁及支撐、立柱樁的鋼筋主筋均為HRB400，箍筋為HRB400及HPB300。采用單排鉆孔灌注樁Φ600@800、Φ600@900，并選用C25水下混凝土，圍護(hù)樁伸入冠梁內(nèi)50mm。

冠梁斷面尺寸為900mm(b)×700mm(h)，主支撐斷面尺寸為800mm(b)×650mm(h)，連系梁斷面尺寸為600mm(b)×600mm(h)，冠梁、支撐為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

本工程明挖段周邊有道路，應(yīng)嚴(yán)格控制基坑引起的地表沉降。因此，設(shè)計(jì)在圍護(hù)樁外圍設(shè)置了一排水泥攪拌樁止水帷幕。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮加撐和開挖的實(shí)際施工及受荷狀態(tài)各工況的內(nèi)力及變形?；右韵峦恋淖饔貌捎脧椈赡M，支護(hù)形式為多支點(diǎn)桿系結(jié)構(gòu)，采用彈性支點(diǎn)桿系有限元法計(jì)算，被動(dòng)土壓力按彈性地基梁考慮。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2　基坑圍護(hù)剖面圖

基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)嵌固穩(wěn)定性安全系數(shù)抗隆起安全系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形/mm12.0>1.41.4>1.32.6>1.88.23<0.3%H=12.921.8>1.41.3>1.22.5>1.87.59<0.3%H=17.72'1.8>1.41.3>1.22.4>1.86.12<0.3%H=21.0

基坑穩(wěn)定性和變形滿足要求。

3.2止水帷幕穩(wěn)定性計(jì)算分析

基坑施工必須對(duì)場(chǎng)地孔隙潛水進(jìn)行有效處理并且采用對(duì)地下水損失最小的措施。本工程中采用周邊止水帷幕結(jié)合基坑外圍集水排水的處理措施。具體為：在圍護(hù)樁外圍設(shè)置一排Φ600水泥攪拌樁止水帷幕，沿基坑外圍一周設(shè)寬300mm、深400mm排水溝，每隔30m設(shè)600mm×600mm×600mm集水井。

本評(píng)估中對(duì)止水帷幕底端繞流的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)不滿足滲透穩(wěn)定性要求時(shí)，應(yīng)采取增加帷幕深度等措施。根據(jù)相關(guān)規(guī)范將本次評(píng)估中止水帷幕的滲透穩(wěn)定性安全系數(shù)定為1.6。

3.2.1地下水位

根據(jù)本工程《工程地質(zhì)勘查報(bào)告》得知：1-1剖面地下水位為-3.69m。

3.2.2土的浮重度

土的浮重度為：γ′=(GS-1)×γw/(1+e)=(2.67-1)×10/(1+1.72)=6.14 kN/m3

3.2.3流土穩(wěn)定性安全系數(shù)Ksc

3.3基坑開挖對(duì)市域鐵路S1線的影響

3.3.1計(jì)算軟件

本次專項(xiàng)分析選取大型通用有限元軟件Midas-GTS作為計(jì)算平臺(tái)。

3.3.2計(jì)算模型

溫州的地質(zhì)條件比較差，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)。一般基坑的影響范圍達(dá)到3倍的基坑深度。根據(jù)基坑和周邊建筑物相對(duì)位置關(guān)系，選取與建筑物最近的S1號(hào)線的54、55、56號(hào)墩及其樁基進(jìn)行安全驗(yàn)算。因基坑范圍較大，且1～6號(hào)樓所處位置均與基坑?xùn)|側(cè)邊界較遠(yuǎn)。在建模過程中不予考慮其對(duì)市域鐵路S1號(hào)線東洋大道段的影響。根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)建立如圖3所示三維Midas-GTS模型。整個(gè)模型長(zhǎng)300m，寬250m，高100m，模型尺寸超過土體基坑開挖深度3倍，充分考慮到邊界條件的影響。對(duì)基坑?xùn)|側(cè)的冠梁及支撐以梁?jiǎn)卧M，對(duì)S1號(hào)線樁基進(jìn)行實(shí)體模擬，考慮樁基礎(chǔ)與土體的接觸條件，考慮樁土效應(yīng)。開挖范圍及S1號(hào)線橋梁樁基相對(duì)位置見圖3。

圖3　開挖范圍及樁基實(shí)體模型

根據(jù)上述三維模型的計(jì)算結(jié)果，得出受到基坑開挖影響最大的橋墩為54號(hào)橋墩。但由于三維模型有限元單位多達(dá)100萬個(gè)，運(yùn)行一次的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4h。因此，在具體數(shù)據(jù)的計(jì)算過程中，參考已有的工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，二維模型的計(jì)算精度已經(jīng)足夠滿足基坑開挖過程數(shù)值仿真模擬。因此，截取54號(hào)墩所在的截面建立Midas-GTS二維建模(圖4)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)基坑開挖施工對(duì)臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，決定有限元模型的尺寸大小。本項(xiàng)目基坑開挖深度約為4.3m，基坑外側(cè)邊緣距鄰近S1號(hào)線約25m。

本模型計(jì)算寬度取200m，模型左側(cè)邊界距基坑外側(cè)邊緣60m，右側(cè)邊界距建筑地下室外墻約67.3m，模型高度取95m，距基底約90m。

對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維建模。其中，土體采用平面應(yīng)變單元，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、橋墩及承臺(tái)、水平支撐等采用梁?jiǎn)卧?/p>

圖4　Midas-GTS二維模型圖

3.3.3計(jì)算結(jié)果分析及評(píng)估

根據(jù)以上模型計(jì)算結(jié)果，得出的數(shù)據(jù)見表2。

表2　模型計(jì)算結(jié)果

其中基坑開挖之前的自平衡階段，施加防護(hù)樁及支撐階段，默認(rèn)土體自平衡，土體位移為0 mm。由表2可知，基坑開挖各工況下的橫豎向位移均滿足限值要求。

綜上所述，安置房項(xiàng)目的基坑開挖及其東側(cè)車道荷載及市域鐵路列車靜活載對(duì)于基坑的變形影響均在規(guī)范限值要求之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。

基坑開挖及安置房建成后的荷載對(duì)于橋梁樁基的影響計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　橋梁樁基GTS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3所知，基坑的開挖及安置房建成后的附加荷載對(duì)于市域鐵路橋梁樁基的影響均特別小，可以忽略不計(jì)。

4結(jié)語

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)規(guī)范要求的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)《溫州市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理辦法》，朱宅城中村改造工程(一期)進(jìn)入軌道交通規(guī)劃影響區(qū)。主體結(jié)構(gòu)及地下室均未進(jìn)入控制區(qū)。

經(jīng)計(jì)算，各剖面流土穩(wěn)定安全系數(shù)均符合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—2012)》[4]。

經(jīng)計(jì)算，基坑1-1、2-2、2′-2′斷面整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、抗隆起安全系數(shù)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形都在允許值范圍以內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案基本合理，因此基坑穩(wěn)定性和變形滿足要求。

經(jīng)計(jì)算，基坑側(cè)向最大位移為8.23 mm，地表最大沉降為6.512 mm，計(jì)算結(jié)果均在基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；橋墩樁基礎(chǔ)在開挖時(shí)的側(cè)向及豎向變形均保持在1 mm，對(duì)S1線基礎(chǔ)的影響可以忽略不計(jì)。基坑的施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)計(jì)算，鐵路橋墩樁基礎(chǔ)與建筑樁基礎(chǔ)兩者的樁基礎(chǔ)在相互豎向荷載作用下附加沉降可忽略不計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]章榮軍.土體開挖引起的鄰近受荷樁基附加響應(yīng)分析[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[2]楊敏,周洪波,楊樺.基坑開挖與臨近樁基相互作用分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2005(4):91-96.

[3]鄭剛,顏志雄,雷華陽,等.基坑開挖對(duì)臨近樁基影響的實(shí)測(cè)及有限元數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007(5):638-643.

[4]中國(guó)建筑科學(xué)院.JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[6]中國(guó)建筑科學(xué)院.JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

收稿日期：2015-11-02

作者簡(jiǎn)介：陳侃(1978—)，男，山西晉城人，高級(jí)工程師，主要從事鐵路橋梁設(shè)計(jì)研究工作。

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)05-0023-04

Analysis on the Influence of the Residential Renovation Projectfor the Village in the City to the Railway S1 Line of Wenzhou City

CHEN Kan