超高层建筑深基坑开挖及结构回筑对近距离相邻地铁区间结构的影响分析

2012-09-28孙旻

城市道桥与防洪 2012年9期

孙旻

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着上海城区地下轨道交通建设事业的蓬勃发展，以及可开发土地资源的日益减少，紧邻地下轨道交通结构进行地块开发常常无法避免。根据相关保护条例，紧邻地下轨道交通的超高层建筑结构施工，需分析基坑开挖及超高层结构完工后桩基础对地下轨道交通结构的影响。本文以实际工程为例，采用三维有限元法对超高层建筑深基坑开挖及结构回筑施工全过程对近距离轨道交通区间隧道的影响进行分析，并找到其变形规律，希望为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

海南路10号地块综合开发项目（C块）位于虹口区乍浦路以东、海南路以南、吴淞路以西、武进路以北地块内。项目包括1幢29层塔楼、地上2层裙房及3层地下室（靠近地铁区间局部2层）。项目基坑分为南C1、北C2两部分。南侧基坑C1分成6个小坑：近10号线一侧留出10m宽缓冲区，缓冲区为地下二层，缓冲区内分成4个小坑，3#～6#坑，开挖深度为9.1m；缓冲区外分成两个小坑，1#和2#坑，其中裙房区坑开挖深度12.75m，塔楼区开挖深度为14.05m。北侧基坑C2，开挖深度为9.5m。基坑位置及划分见图1。基坑围护及分隔墙均采用地下连续墙，厚度为800mm和600mm。地铁缓冲区及C2坑设置1道混凝土支撑＋两道钢支撑，其余坑设置3道混凝土支撑。

图1 基坑布置总图

基坑C1、C2距离轨道交通10号线盾构区间最近距离分别为7.7m和7m，10号线隧道中心大致与C1区裙房坑底齐平，隧道内顶大致与C2区坑底齐平。基坑C1西南侧为四川北路车站，车站底板埋深约16m，车站东端头井及三角区距C1围护边约22m，东端头井距C2围护平面边约4.9m。

基坑施工顺序为 2#→（5#、6#）→1#→（3#、4#）→C2。为保证工期，2＃基坑结构出地面后即施工塔楼超高层结构。

场地内土层主要物理力学性质见表1。

2 三维数值模型

传统的荷载-结构法只能对结构本身受力特点进行分析，无法反映土体与结构相互作用以及土体变形对周边环境的影响。基于连续介质的有限元的地层-结构法可以较为完美地解决这一问题。四川北路C块周边建筑情况复杂，涉及地铁车站、区间隧道等重要构筑物，故分析采用MIDAS公司的岩土工程有限元分析软件GTS基于连续介质有限元法对四川北路C块基坑开挖施工及内部结构回筑对近距离轨道交通区间结构的影响性进行分析。

表1 土层物理力学参数表

2.1 计算模型

数值模型模拟区域尺寸需在满足分析要求的情况下考虑计算效率，即兼顾计算结果精度及计算消耗资源。本次分析目的主要是研究四川北路C块基坑开挖施工对轨道交通10号线区间结构的影响，但由于四川北路C块周边建筑情况复杂，故本次模拟范围还包括四川北路车站及相邻已建四川北路B块结构地下室部分。在确定模型尺寸时，充分考虑了工程的影响范围，模型边界距离基坑边不小于5倍基坑开挖深度。C块基坑桩长最长为58m，取其下方20m为模型下表面，即模型下表面取至距上表面90m。有限元模型见图2、图3。

图2 有限元整体模型

图3 基坑围护体系、车站及隧道模型

四川北路车站梁柱、四川北路B块梁柱、所有结构工程桩及C块基坑内支撑体系采用梁单元模拟；四川北路车站及B块顶、中、底板及侧墙，围护墙体采用板壳单元模拟；模型中所有土体采用实体单元模拟。土体本构模型采用理想弹塑性模型，库伦-摩尔屈服准则；其余材料采用理想弹性本构模型。

模型共计79829个单元，70634个节点。模型边界条件均为位移边界条件。其中地表为自由边界条件；模型左右前后四侧边界的侧向水平位移限制为零，竖向自由；模型底部边界的竖向及水平向位移限制为零。

2.2 施工工序模拟

根据问题的需要，结合实际施工工序，对计算工序和步骤作如下定义：

土体初始应力计算：初始地应力的计算主要考虑土体自重，计算时四川北路车站，盾构区间及四川北路B块地下室作为已建结构模型中已激活；

工序1：施工地下连续墙围护及桩基础。

工序2：2#基坑施工第一道支撑；

工序3：2#基坑第一次开挖并施工第二道支撑；工序4：2#基坑第二次开挖并施工第三道支撑；工序5：2#基坑第三次开挖；

工序6：2#基坑地下室回筑并施工5#、6#基坑第一道支撑；

工序7：5#、6#基坑第一次开挖并施工第二道支撑；

工序8：5#、6#基坑第二次开挖并施工第三道支撑；

工序9：5#、6#基坑第三次开挖；

工序10：5#、6#基坑地下室回筑，施工1#坑第一道支撑；

工序11：1#基坑第一次开挖并施工第二道支撑，2#、5#、6#地上两层裙房施工；

工序12：1#基坑第二次开挖并施工第三道支撑，2#高层结构增加4层；

工序13：1#基坑第三次开挖，2#高层结构增加4层；

工序14：1#基坑地下室回筑至中板，3#、4#基坑施工第一道支撑，2#高层结构增加4层；

工序15：3#、4#基坑第一次开挖并施工第二道支撑；

工序16：3#、4#基坑第二次开挖并施工第三道支撑；

工序17：3#、4#基坑第三次开挖并回筑至中板，C2基坑施工第一道支撑，2#高层结构增加4层；

工序 18：1#、3#、4#基坑地下室顶板浇注，2#高层结构增加11层；

工序19：C2基坑第一次开挖并施工第二道支撑；

工序20：C2基坑第二次开挖并施工第三道支撑；

工序21：C2基坑第三次开挖并施工底板，1#、3#、4#地上两层裙房施工。

3 数值分析结果

3.1 隧道结构位移

在地铁上、下行线盾构区间隧道上选取施工过程中竖向、水平位移最大的点作为特征点，见图4。每条隧道各选取两点。图5、图6给出了该特征点竖向位移、水平位移随C块施工工序的变化曲线。

图4 隧道衬砌特征点位置示意

图5 隧道特征点竖向位移随工序变化曲线

图6 隧道特征点水平位移随工序变化曲线

图5表明：（1）特征点1及特征点3位移曲线变化趋势较为相近，竖向极值点均发生于工序5及工序9，这是因为特征点1及3基本位于基坑2#、5#、6# 中轴线上。基坑 2#、5#、6# 开挖到底时，两特征点竖向位移达到极大值，但特征点3距离基坑较远，故位移值较特征点1小。工序9以后，特征点1、3竖向变形减小，这是因为周边1#、3#、4#坑开挖的影响小于2#、5#、6#坑结构回筑的影响，结构回筑造成特征点1、3在前期沉降的基础上隆起。（2）特征点2及特征点4曲线变化趋势较为相近，由于基坑2#、5#、6#开挖对其影响较小，因此特征点在工序9之前竖向变形较小。两点竖向变形极值点均发生于工序13及工序17，这是因为特征点2及4位于基坑1#、3#、4#中轴位置。基坑1#、3#、4#开挖到底时，两特征点竖向位移达到极大值。（3）特征点1、3因其离基坑较近竖向位移大于特征点2、4。

图5中，特征点1最大竖向变形发生在工序9，最大沉降量为6.00mm。特征点2最大竖向发生在工序17，最大沉降量为7.38mm。特征点3最大竖向变形发生在工序9，最大沉降量为1.39mm。特征点4最大竖向变形发生在工序17，最大沉降量为3.17mm。

图6表明，特征点侧向位移极大值发生规律同竖向位移曲线相似。值得说明的是，基坑结构回筑对竖向位移和侧向位移的影响程度不同。通过图5与图6的比较表明，结构回筑对竖向位移影响较大，对水平位移影响较小。

图6中，特征点1最大水平位移发生在工序9，最大位移量为7.95mm，最终位移量为6.46mm。特征点2最大水平位移发生在工序17，最大位移量为6.51mm，最终位移量为5.41mm。特征点3最大水平位移发生在工序9，最大位移量为5.31mm，最终位移量为3.80mm。特征点4最大水平位移发生在工序17，最大位移量为5.2 mm，最终位移量为3.90 mm。

3.2 隧道结构纵向变形

三维有限元数值模型所涵盖的隧道的长度约为240 m。图7及图8给出了在各主要工序下，近基坑侧区间隧道纵向变形曲线。从图7中可以看到，随着2#、5#、6#基坑开挖，隧道中部竖向变形增大，最大竖向变形发生于距车站工作井约130 m位置。随1#、3#、4#基坑开挖，隧道最大竖向变形由中部转向左侧，距离车站工作井约70 m位置，已发生于中部的竖向变形由于回筑加载显著减小。随C2基坑开挖，隧道最大竖向变形位置进一步左移，发生于距离车站工作井约40 m位置处。而图8中，2#、5#、6#基坑开挖时，隧道中部水平变形增大，但基坑1#、3#、4#开挖后，隧道左侧也产生一个位移极值点，而中部位移并没有减小，形成“双峰”曲线。