綜合交通樞紐深大基坑開挖對鄰近機(jī)場塔臺的影響研究*

王華平,莫 凡,林忠和,徐前衛(wèi),顏 慧,林細(xì)桃

(1.中國建筑第八工程局有限公司,廣東 深圳 518038; 2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804)

0 引言

近年來,隨著地下空間不斷開發(fā),綜合交通樞紐基坑開挖也面臨更復(fù)雜的工程條件,當(dāng)基坑鄰近地區(qū)存在建筑物時(shí),基坑開挖會引起鄰近建筑物變形。因此,如何保證基坑開挖過程中附近地表和鄰近建筑物變形滿足要求,已經(jīng)成為基坑工程研究的重要內(nèi)容。目前,國內(nèi)外已有許多關(guān)于基坑開挖對鄰近建筑物影響的研究。例如,Schuster等[1]提出了一種簡化模型用于評估基坑開挖附近建筑物的損壞幾率,評估了基坑開挖對鄰近建筑物造成損壞的可能性。Dalgic等[2]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值仿真,分析了在隧道掘進(jìn)和開挖過程中引起的地面運(yùn)動響應(yīng)。Boone等[3]對多個在建基坑進(jìn)行了跟蹤研究,得到了基坑開挖時(shí)周邊建筑物沉降規(guī)律。王琳等[4]以天津市某地鐵車站基坑工程為研究對象,分析了基坑開挖對周圍房屋及土體的影響,為分析類似問題提供了參考。金艷平等[5]通過理論計(jì)算和實(shí)測分析相結(jié)合的方法,對深基坑開挖過程中周邊建筑物影響進(jìn)行分析,得到建筑物位移與基坑開挖深度有很大關(guān)系的結(jié)論。施有志等[6]通過構(gòu)建三維有限元模型,研究了車站深基坑開挖過程對鄰近建筑物變形的影響,發(fā)現(xiàn)鄰近建筑結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為沉降和指向基坑的水平位移。楊忠平等[7]通過三維有限元模擬揭示了深厚淤泥土層中深長基坑開挖對鄰近建筑物的影響規(guī)律。鄭翔等[8]通過對鄰近建筑物和地表變形進(jìn)行監(jiān)測分析,得到基坑開挖過程引起的鄰近建筑物沉降具有空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)的結(jié)論。譚維佳等[9]分析了基坑開挖對不同建筑物沉降的影響,并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,得到建筑物沉降與建筑物至基坑距離、角度、基礎(chǔ)方式、建筑物總重等因素有關(guān)的結(jié)論。

上述研究主要集中在不同地質(zhì)條件下基坑開挖引起周邊土體及建筑物變形影響預(yù)測及其影響因素的分析,對于指導(dǎo)工程實(shí)踐發(fā)揮了積極作用。然而,針對超大型坑中坑基坑開挖對鄰近高聳建筑物施工影響的研究尚不多見,還有待進(jìn)一步深入探索。本文根據(jù)南寧國際空港綜合交通樞紐深大基坑接近既有航管樓的工程實(shí)例,通過數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,研究了高聳建筑物在鄰近基坑開挖過程中的變形特征,從而為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

南寧國際空港綜合交通樞紐是集鐵路、公路長途、城市軌道交通、城市公交、出租車及社會停車等功能于一體的大型綜合交通樞紐。樞紐工程北、南兩端分別銜接T2航站樓和規(guī)劃T3航站樓,東西長約1 350m、南北寬約230m,樞紐基坑場區(qū)占地面積大、范圍廣,基坑深度大,基坑北部僅有地下1層,基坑南部具有地下2層,換乘站廳位于地下1層,地鐵、國鐵站位于地下2層,沿行車方向橫跨于整個基坑,地下2層建筑面積約27萬m2,地上1層建筑面積約3萬m2。本研究場區(qū)涉及的部分樞紐基坑范圍及周邊環(huán)境和塔臺位置如圖1所示。其中,機(jī)場塔臺為頂部帶有航管指揮層、設(shè)備層等在內(nèi)的圓筒形塔體建筑,地上總高度為89m,為高聳結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖1 樞紐基坑范圍及周邊環(huán)境和塔臺位置示意

圖2 機(jī)場塔臺

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,場區(qū)內(nèi)所揭露地層的地質(zhì)時(shí)代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性,將沿線巖土層分為10層。塔臺位置樞紐基坑范圍所涉及的主要土層為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、角礫土和白云質(zhì)灰?guī)r。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑開挖區(qū)域地層參數(shù)

總體而言,場區(qū)內(nèi)存在特殊地質(zhì),褶皺、斷裂發(fā)育,地下水埋深較淺,下臥土層粉質(zhì)黏土、黏土為主,巖溶發(fā)育,存在溶洞、溶隙、溶孔及其溶蝕破碎帶,且附近有地下暗河,溶洞、溶隙貫通性好,地層條件差,施工易出現(xiàn)涌水涌砂和管涌等病害,施工難度大。

1.3 工程難點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,主體結(jié)構(gòu)西北側(cè)距離T2航站樓、旅客過夜用房、空管指揮塔等既有建(構(gòu))筑物25m以上,施工場地具備放坡條件,采用放坡+土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。為此,地下1層基坑擬采用1∶1.5放坡開挖(鋪設(shè)綠色裝配式邊坡),基坑西南側(cè)設(shè)置1道止水帷幕;地下2層基坑采用樁錨支護(hù)形式(即φ1 000mm@1 200mm鉆孔灌注樁,2道預(yù)應(yīng)力錨索),外圍設(shè)置φ850mm@600mm水泥攪拌樁止水帷幕?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面如圖3所示。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面

根據(jù)檔案資料,塔臺基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁支撐,樁身長16m,樁徑1.5m,平面布置如圖4所示。

圖4 塔臺基礎(chǔ)鉆孔灌注樁布置

根據(jù)施工方案,基坑地下1層開挖深度為8～12m,開挖深度范圍基本為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土,采用1∶1.5放坡開挖;基坑地下1層施工后再施工地下2層,地下2層開挖深度為8～12m,開挖深度范圍基本為粉質(zhì)黏土、黏土及白云質(zhì)灰?guī)r,采用樁錨支護(hù)。開挖過程按基坑內(nèi)外降水至基底下1m考慮。因此,本基坑屬于典型坑中坑結(jié)構(gòu),施工難度大,且工序繁多?；娱_挖過程中,由于大面積開挖卸載,會使地層中的應(yīng)力重分布,導(dǎo)致周邊地層和建筑物出現(xiàn)變形。機(jī)場指揮塔距離基坑開挖邊界較近,又因塔臺結(jié)構(gòu)屬于高聳建筑物,因此,在基坑開挖過程中極易產(chǎn)生不均勻沉降,可能會誘發(fā)塔臺發(fā)生較大變形,嚴(yán)重時(shí)會造成極大影響。

2 有限元仿真模擬

2.1 計(jì)算模型

為方便模型建立與求解分析,選取樞紐基坑部分區(qū)域作為研究對象,建立如圖5所示部分場區(qū)基坑和塔臺三維有限元模型,計(jì)算模型尺寸為250m(長)×200m(寬)×50m(高)。

圖5 樞紐基坑鄰近塔臺位置三維有限元計(jì)算模型(單位:m)

2.2 土體本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算模型中,地層采用修正莫爾-庫侖(M-C)本構(gòu)3D實(shí)體單元模擬。對于基坑樁錨支護(hù)體系,鉆孔灌注樁墻可等效為2D板單元,樁墻厚度為934mm,錨索、錨桿采用1D植入式桁架單元模擬,按同一長度范圍內(nèi)的面積相等原則將錨索截面積進(jìn)行等效。對于塔臺結(jié)構(gòu),因?qū)倏蚣芙Y(jié)構(gòu),其變形主要受建筑物剛度影響,為此對地上部分采用無重力柱和板單元模擬,即柱采用1D梁單元,下部承臺簡化為2D板單元,塔臺基礎(chǔ)鉆孔灌注樁采用梁單元模擬。相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)及工程結(jié)構(gòu)單元參數(shù)分別如表2,3所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

表3 工程結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

2.3 邊界條件及荷載施加

模型在四周邊界上設(shè)置法向水平位移約束,模型底部在x,y,z3個方向上設(shè)置約束,模型頂部為自由面。

在整個基坑開挖過程中有3種荷載:①自重荷載 對整個模型施加自重荷載;②周邊建筑物荷載 主要為鄰近塔臺荷載,采用等效施加在各樁基上的方式模擬,每根樁基承擔(dān)的荷載約為1 172kPa;③施工荷載 基坑北側(cè)有出土堆載、車輛動荷載、施工材料堆載等,根據(jù)現(xiàn)場分布,在基坑0～30m范圍施加均布荷載5kPa。

2.4 施工順序

根據(jù)施工方案,基坑南部放坡開挖分為3層施工:第1層6m、第2層5m、第3層8.3m。每層采取從東往西依次開挖(工況1),如圖6所示。施工階段步序?yàn)?①施工步0 初始應(yīng)力場分析;②施工步1 塔臺施工;③施工步2 位移清0;④施工步3～10 基坑第1層開挖;⑤施工步11 施作圍護(hù)墻;⑥施工步12～19 基坑第2層開挖;⑦施工步20 施作邊坡混凝土;⑧施工步21～28 基坑第3層開挖;⑨施工步29 施作邊坡混凝土;⑩施工步30 施作底板。

圖6 順序開挖工況

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

3.1 基坑北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)基坑施工過程中對周邊環(huán)境影響和有效監(jiān)測數(shù)據(jù)值,選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土石方工程2021年5月15日監(jiān)測數(shù)據(jù),此時(shí)所研究區(qū)域的基坑開挖全部完成?；颖眰?cè)周圍監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 基坑北側(cè)周圍監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2 結(jié)果對比分析

1)基坑北側(cè)邊坡變形對比

基坑北側(cè)S129處邊坡豎向變形實(shí)測與模擬結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 基坑北側(cè)邊坡豎向變形歷時(shí)曲線

由圖8可知,基坑開挖過程中邊坡豎向變形模擬值與實(shí)測值變化趨勢趨于一致,數(shù)值上存在一定差異,原因主要是數(shù)值建模時(shí)簡化了現(xiàn)場地質(zhì)條件、施工擾動、周邊環(huán)境等因素。

2)基坑周邊地表沉降對比

基坑周邊地表沉降模擬值和實(shí)測值對比如圖9所示。由圖9可知,監(jiān)測值與模擬值變化趨勢基本一致,模擬值較監(jiān)測值較小,除與模型簡化有關(guān)外,還由于基坑周圍可能存在局部地下水滲流作用所致。

圖9 基坑周邊地表沉降實(shí)測與模擬結(jié)果對比

3)塔臺沉降對比

基坑開挖完成后,塔臺周邊監(jiān)測點(diǎn)沉降變形和數(shù)值模擬結(jié)果對比如表4所示。由表4可知,數(shù)值模擬得到的塔臺周邊沉降值和實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢相符,即在靠近基坑開挖一側(cè)的塔臺沉降值大于遠(yuǎn)離基坑開挖一側(cè),并且模擬值和監(jiān)測值較接近,模擬得到的沉降值稍小于實(shí)際監(jiān)測值。因此,通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值間存在一定差異,但兩者差距較小且總體變形規(guī)律大致相同,驗(yàn)證了該模型的合理性。

表4 塔臺周邊沉降監(jiān)測值和模擬值對比

4 不同開挖順序?qū)χ苓叚h(huán)境的影響

4.1 工況設(shè)置

為研究不同開挖順序?qū)又苓叚h(huán)境的影響,通過數(shù)值模擬新增2種施工工況,即工況2和工況3,新增的2個工況除開挖順序與工況1不同外,其余設(shè)置均一致。工況2采用從中間向兩邊開挖施工順序,開挖順序如圖10所示。工況3采用跳倉開挖施工順序,開挖順序如圖11所示。

圖10 從中間向兩端開挖工況

圖11 跳倉開挖工況

4.2 不同工況結(jié)果對比分析

1)基坑開挖對周邊地層的影響

基坑開挖對地層的影響主要表現(xiàn)為地層豎向沉降變形,體現(xiàn)在周邊地表沉降和坑底土體隆起。3種開挖工況下基坑與塔臺連線中間位置處豎向位移變形歷時(shí)曲線對比如圖12所示,3種工況下基坑中間位置處隆起變形歷時(shí)曲線對比如圖13所示。

圖12 基坑與塔臺連線中間位置豎向變形歷時(shí)曲線

圖13 基坑中間位置隆起變形歷時(shí)曲線

由圖12,13可知,3種工況最終沉降值差別不大,但工況3對于延后地表的沉降變形效果更明顯,更利于控制周圍地表沉降變形。雖然不同工況開挖對基坑的最終隆起值影響不大,但在基坑開挖過程中工況2的開挖方式將引起地表隆起明顯提前,采取工況3的開挖方式能有效延后坑底隆起。

塔臺與基坑開挖連線中點(diǎn)位置處地表隨施工階段的進(jìn)行水平位移變形歷時(shí)曲線對比如圖14所示。由圖14可知,工況2的地表水平變形最大,工況3的地表水平位移變形略小于其他2種工況,因此采用工況3的開挖方式對于控制周圍地表水平位移最有利。

圖14 基坑與塔臺連線中間位置水平變形歷時(shí)曲線

2)基坑開挖對邊坡的影響

基坑北側(cè)第1層為放坡開挖,第2,3層土體開挖支護(hù)形式為鉆孔灌注樁,基坑南側(cè)3層土體均采用三級放坡開挖形式。3種工況下基坑南、北側(cè)坡頂中間位置豎向變形歷時(shí)曲線對比如圖15所示。由圖15可知,隨著開挖深度增加,邊坡豎向變形逐漸增大;在開挖第3層土體時(shí),由于距離北側(cè)邊坡較近,北側(cè)邊坡沉降值發(fā)生突變,而南側(cè)邊坡距離第3層土體開挖較遠(yuǎn),該側(cè)邊坡變形值不大。對于北側(cè)邊坡坡頂沉降,最終沉降值從高到低排序?yàn)楣r1>工況2>工況3,其中工況3開挖方式對于減少北側(cè)邊坡坡頂沉降效果最明顯。對于南側(cè)邊坡坡頂沉降,工況3南側(cè)邊坡最終沉降值略小于其他2種工況,并且在開挖過程中,工況3能有效延后南側(cè)邊坡坡頂沉降。綜合來看,采用工況3開挖方式更有利于控制基坑邊坡沉降。

圖15 基坑南、北側(cè)坡頂中間位置豎向變形歷時(shí)曲線

3種工況下的基坑南、北側(cè)坡頂中間位置水平變形歷時(shí)曲線對比如圖16所示。對于基坑北側(cè)邊坡,工況3邊坡最終水平變形小于其他2種工況。對于基坑南側(cè)邊坡,3種工況最終水平變形幾乎一致,但在開挖過程中采用工況3開挖方式能有效延后基坑邊坡水平變形。綜合來看,采用工況3開挖方式更有利于控制邊坡水平變形。

圖16 基坑南、北側(cè)坡頂中間位置水平變形歷時(shí)曲線

3)基坑開挖對塔臺的影響

工況1基坑土體最終開挖完成后塔臺結(jié)構(gòu)傾斜如圖17所示。由圖17可知,根據(jù)位移矢量,可以發(fā)現(xiàn)在基坑開挖完成后,整個塔臺結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出沿y軸負(fù)方向斜向下的傾斜,即向基坑內(nèi)傾斜。

圖17 工況1下基坑開挖后塔臺結(jié)構(gòu)傾斜云圖(單位:mm)

工況1下基坑土體最終開挖完成后的塔臺基礎(chǔ)沉降如圖18所示?？梢钥闯?塔臺基礎(chǔ)遠(yuǎn)離基坑結(jié)構(gòu)變形較小,靠近基坑一側(cè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形較大。

圖18 工況1下基坑開挖后塔臺基礎(chǔ)沉降云圖(單位:mm)

3種工況下塔臺整體與基礎(chǔ)變形值與傾斜率如表5所示。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的建筑物地基允許變形值如表6所示?？梢园l(fā)現(xiàn),基坑開挖對塔臺及基礎(chǔ)傾斜影響較小,均在規(guī)范要求范圍內(nèi),其中工況2對于塔臺傾斜最不利,采用工況1或工況3開挖方式較工況2來說更有利于控制塔臺不均勻沉降。

表5 3種工況下塔臺上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)變形與傾斜率

表6 建筑物地基允許變形值

3種工況下塔臺最大沉降歷時(shí)曲線如圖19所示。由圖19可知,3種工況下塔臺最終沉降值接近,其中工況2沉降值較其他2種工況大一些。在開挖第1層基坑時(shí),不同工況對于塔臺最大沉降的影響不大,而在開挖第2,3層基坑時(shí),工況2對塔臺的沉降影響明顯大于其他2種工況。相對于依次開挖和跳倉開挖2種工況在開挖過程中對塔臺沉降的影響,工況3能有效延后塔臺沉降,因此采取跳倉開挖施工方式更有利于控制塔臺沉降。

圖19 3種工況下塔臺最大沉降歷時(shí)曲線

4.3 基坑開挖施工工況綜合比選

綜合分析可知:①對于周邊地層和基坑底部變形,3種工況下的最終變形值接近,而采用工況2開挖方式最不利,采取工況3開挖方式對于控制變形最為有利;②對于北側(cè)邊坡坡頂變形,工況3開挖方式對于減少北側(cè)邊坡坡頂變形的效果最明顯。對于南側(cè)邊坡坡頂變形,工況3在開挖過程中能有效延后邊坡坡頂變形;③3種工況下的塔臺變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi),其中工況3能有效延后塔臺沉降,因此采取跳倉開挖方式更有利于控制塔臺沉降。綜上所述,采用工況3開挖方式對于控制基坑周圍地層及建筑物變形更有利。

5 結(jié)語

本文基于南寧空港綜合交通樞紐基坑工程,通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,將分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了模型參數(shù)選取的合理性和準(zhǔn)確性,對比不同開挖順序?qū)χ車貙蛹八_的影響,并得到如下結(jié)論。

1)隨著基坑開挖進(jìn)行,塔臺沉降逐漸增大,塔臺靠近基坑一側(cè)的局部沉降變形稍大,但總體來看沉降較小,符合高層建筑物相關(guān)沉降傾斜規(guī)范。通過分析實(shí)際工程情況可得到,由于塔臺基礎(chǔ)埋置深度較大,基礎(chǔ)剛度較大,且基礎(chǔ)實(shí)際嵌固在基巖中,由于開挖而導(dǎo)致的應(yīng)力場改變不足以使建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化。

2)對比3種工況,從中間向兩端的開挖方式對于控制塔臺沉降最不利,依次開挖和跳倉開挖2種工況下塔臺最終沉降值接近,但跳倉開挖能有效延后塔臺沉降,對于控制塔臺沉降變形更有利。

3)局部場區(qū)樞紐基坑開挖會對既有機(jī)場塔臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響,但影響程度較小,在實(shí)際基坑開挖過程中,要嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工,注重對塔臺及基坑周邊地表監(jiān)測,嚴(yán)格確保施工過程中的安全。