超高層建筑荷載作用下復(fù)雜地鐵基坑開挖技術(shù)研究

彭海中

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088)

1 概述

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市用地日趨緊張，發(fā)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(shè)施的建造，促使基坑工程快速發(fā)展。地鐵車站一般建設(shè)在城市繁華區(qū)段，周圍建筑物、道路、管線及其他市政設(shè)施密集，對基坑變形要求嚴(yán)格[2]。

基坑開挖前，土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)基坑內(nèi)土體開挖卸載后，打破原有的平衡，引起土體應(yīng)力變化[3]，坑底土體產(chǎn)生回彈變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形、基坑周邊地面沉降(隆起)，從而對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基坑開挖進(jìn)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(huán)境的影響研究，得出在深基坑建設(shè)過程中對周圍的建筑物進(jìn)行地面注漿和袖閥管注漿效果明顯；馮曉臘等[5]通過復(fù)雜條件下基坑開挖對周邊環(huán)境變形影響的數(shù)值模擬分析，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建(構(gòu))筑物及土體的變形均滿足規(guī)范關(guān)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(nèi)；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(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為沉降和指向基坑的水平位移；奚家米等[9]通過基于時(shí)空效應(yīng)的深基坑工程變形規(guī)律分析，得出變形主要發(fā)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(huán)境的變形；孫超等通過基坑開挖對周邊環(huán)境的影響研究，得出對于淺基礎(chǔ)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(xiàn)為不均勻沉降；孫小力等通過地鐵基坑開挖數(shù)值模擬及變形特征研究，得出開挖過程中，地下連續(xù)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(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且隨著基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度以及建筑物強(qiáng)度的增加逐漸減??；秦勝伍等通過基坑開挖與支撐拆除對周圍環(huán)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(guī)律一致，受時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析，得出基坑變形大的位置主要發(fā)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(dá)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(huán)境變形及其規(guī)律開展的研究，對于復(fù)雜環(huán)境下通過建立開挖卸荷數(shù)值模型計(jì)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(biāo)、地鐵基坑支護(hù)及開挖要求，并通過實(shí)踐驗(yàn)證其合理性，研究較少。本文對上述方法進(jìn)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(wù)區(qū)站概況

麗澤商務(wù)區(qū)站位于規(guī)劃的麗澤商務(wù)區(qū)核心區(qū)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?yàn)?4號線，總長355 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為27.5 m，頂板覆土厚度為4.2 m，底板埋深19.6 m，建筑面積25 092.22 m2，地下2層(局部1層、3層)三跨結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁(地連墻)+錨索支護(hù)體系,詳見圖1,圖2。

2.2 麗澤SOHO建筑概況

基坑中部靠南側(cè)為麗澤SOHO建筑，地上45層，主體為框架-核心筒混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板體系，結(jié)構(gòu)高度191.50 m，主要柱網(wǎng)跨度為9 m,13.5 m，地下共4層，地下室頂板覆土厚度為0.6 m～3.0 m，為框架-剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)，地下1層～4層采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板體系。裙房和車庫采用抗拔灌注樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，樁徑0.6 m、有效樁長12.0 m，單樁豎向抗拔承載力特征值1 200 kN。主體結(jié)構(gòu)核心筒部分采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度3.0 m，純地下室部分采用梁式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度0.6 m，局部1.9 m。主樓采用鉆孔灌注樁，樁徑0.85 m、樁長16.5 m，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=10 000 kN。材料參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)材料等級

2.3 地鐵車站與臨近麗澤SOHO位置關(guān)系

麗澤SOHO位于14號線麗澤商務(wù)區(qū)站南側(cè)，地下室東西向120 m范圍臨近地鐵車站，麗澤SOHO與地鐵車站共用此范圍內(nèi)的圍護(hù)樁，地鐵地下2層主體結(jié)構(gòu)距離麗澤SOHO地下室水平約14.9 m；地下1層主體結(jié)構(gòu)距離麗澤SOHO地下室水平約3.6 m。地鐵基坑底距離麗澤SOHO基礎(chǔ)底豎向約1.5 m。麗澤SOHO為地鐵基坑施工的一級風(fēng)險(xiǎn)源。麗澤SOHO與地鐵相對位置平面圖見圖3，麗澤SOHO與地鐵相對位置剖面圖見圖4。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

地層自上而下為：雜填土①1層，粉土填土①層，粉土②層，細(xì)砂②3層，圓礫，卵石②5層，卵石，圓礫⑤層，卵石⑦層?；字饕挥诼咽邔樱渲?4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(zhì)剖面圖中的⑦層中。平均穩(wěn)定水位標(biāo)高為23.2 m，位于14號線基底以下1 m，位于16號線基底以上7.5 m。

4 超高層麗澤SOHO荷載作用下計(jì)算模型分析

本文主要采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬計(jì)算和分析預(yù)測，地下結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算，數(shù)值模擬計(jì)算采用YJK和Midas-gen進(jìn)行建模計(jì)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(jì)算采用在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上(臨近地鐵側(cè))施加豎向強(qiáng)制位移的方法，來模擬地鐵施工過程中產(chǎn)生的沉降變形，進(jìn)而驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)承載力及變形，保證主體結(jié)構(gòu)的安全，確保其產(chǎn)生的變形滿足規(guī)范要求且不影響正常使用。

本文計(jì)算中假定：1)假定既有建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在項(xiàng)目施工前為均勻沉降，結(jié)構(gòu)內(nèi)力未發(fā)生變化。

對主體結(jié)構(gòu)采用有限元分析軟件Midas-gen建立數(shù)值分析模型，對框架結(jié)構(gòu)主要梁、柱受力構(gòu)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(cè)地下室底板施加豎向強(qiáng)制位移，模擬施工過程中引起的豎向沉降變形對主體結(jié)構(gòu)的影響。基坑開挖施工過程產(chǎn)生的豎向變形，主要為土體開挖產(chǎn)生土體擾動引起沉降變形以及土體卸載產(chǎn)生的土拱效應(yīng)，將模型主要計(jì)算工況及其施工階段進(jìn)行劃分，如表2所示。

假設(shè)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同豎向差異沉降位移時(shí)，對結(jié)構(gòu)的承載力能力與變形結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。分別在支座處施加豎向向下位移8 mm和9 mm進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與施工圖進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加豎向位移9 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不再滿足受力要求。在施加8 mm差異沉降位移時(shí)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在各種性能指標(biāo)下的彈性分析，罕遇地震作用下的彈塑性動力時(shí)程分析等結(jié)果均滿足超限審查中的性能指標(biāo)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(shù)及麗澤SOHO主體建成后基礎(chǔ)可能已經(jīng)發(fā)生的差異沉降等因素，施工過程中麗澤商務(wù)區(qū)站臨近麗澤SOHO的變形控制指標(biāo)確定為：麗澤SOHO地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)豎向變形不大于10 mm，差異豎向變形不超過6 mm，變形速率小于1 mm/d。既有圍護(hù)樁樁頂水平位移不大于20 mm。重點(diǎn)對麗澤SOHO地下室受力最大的外墻及結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)內(nèi)力及變形監(jiān)測。

5 超高層荷載(麗澤SOHO)作用下基坑開挖

5.1 基坑支護(hù)體系及開挖方式的選用

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的要求，考慮到車站明挖基坑施工將引起臨近土層發(fā)生變形和應(yīng)力調(diào)整，基坑開挖過程相當(dāng)于對建筑物進(jìn)行卸荷，會導(dǎo)致麗澤SOHO地基周邊土壓力變小，可能危害周邊建筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全。由于基坑埋深較深，基坑開挖過快時(shí)，上覆土壓力突然減小，會導(dǎo)致地基土產(chǎn)生向上的應(yīng)力，地基土?xí)a(chǎn)生回彈，從而有可能帶動臨近建筑物地基產(chǎn)生向上的變形。沉降和變形通過地下室結(jié)構(gòu)傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)上部結(jié)構(gòu)傾斜變形和開裂等危險(xiǎn)。

因此車站基坑采用了圍護(hù)樁(地連墻)+錨索支護(hù)體系，基坑開挖過程中，利用土體的時(shí)空效應(yīng)，平面將基坑劃分為多個(gè)開挖區(qū)段，豎向按錨索劃分開挖土層，采取拉槽開挖方式進(jìn)行，根據(jù)施工監(jiān)測建筑物沉降、水平位移等數(shù)據(jù)結(jié)果，并嚴(yán)格控制和動態(tài)調(diào)整單步開挖深度、長度，及時(shí)施工錨索并施加預(yù)加力，加強(qiáng)監(jiān)控量測，采取信息化施工?；臃侄纬鐾疗矫嬉妶D9。

5.2 開挖過程中的指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1)測點(diǎn)布置。

在麗澤SOHO結(jié)構(gòu)北側(cè)，考慮開挖過程中地面沉降及SOHO建筑結(jié)構(gòu)能承受的位移，在地鐵車站和SOHO交接處布置建構(gòu)筑物沉降測點(diǎn)，在轉(zhuǎn)角處布置建構(gòu)筑物傾斜測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)見圖10。

2)監(jiān)測成果分析。

基礎(chǔ)豎向變形，變形較大的點(diǎn)位為KJC-01-06，KJC-01-07，KJC-01-08，KJC-01-09，變形值分別為9.8 mm，9.84 mm，9.91 mm，9.01 mm，時(shí)間為2021年4月28日，點(diǎn)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(jié)構(gòu)尚未施工。

豎向差異變形，變形最大的點(diǎn)位為KJC-01-05～KJC-01-06，最大值為3 mm。

既有圍護(hù)樁樁頂水平位移，變形較大的點(diǎn)位為ZQS-02-06，ZQS-02-07，ZQS-02-08，變形值分別為11.1 mm，10.7 mm，14.8 mm，時(shí)間為2021年5月下旬，點(diǎn)位位于SOHO的東北方向。期間臨近SOHO處地鐵車站主體結(jié)構(gòu)已施工完成，地鐵與SOHO間基坑肥槽尚未回填。

6 結(jié)論

1)數(shù)值模擬計(jì)算中，地下結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算，超高層建筑對差異沉降較為敏感，采用在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上(臨近地鐵側(cè))施加豎向強(qiáng)制位移的方法，來模擬地鐵施工過程中產(chǎn)生的沉降變形，進(jìn)而驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)承載力及變形，方法合理可行。

2)考慮主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析成果，預(yù)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(biāo)和分區(qū)域、分階段的變形控制指標(biāo)；保證了基坑開挖過程中臨近建筑結(jié)構(gòu)的安全。

3)地鐵基坑施工時(shí)選擇合理的施工工序，通過分層分塊開挖，明確重點(diǎn)監(jiān)測位置和區(qū)域，從結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和受力特性角度出發(fā)提出測點(diǎn)布設(shè)，實(shí)現(xiàn)信息化施工，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整開挖方式，可有效控制基坑變形。