超高層建筑深基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑對近距離相鄰地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響分析

孫 旻

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著上海城區(qū)地下軌道交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及可開發(fā)土地資源的日益減少，緊鄰地下軌道交通結(jié)構(gòu)進行地塊開發(fā)常常無法避免。根據(jù)相關(guān)保護條例，緊鄰地下軌道交通的超高層建筑結(jié)構(gòu)施工，需分析基坑開挖及超高層結(jié)構(gòu)完工后樁基礎(chǔ)對地下軌道交通結(jié)構(gòu)的影響。本文以實際工程為例，采用三維有限元法對超高層建筑深基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑施工全過程對近距離軌道交通區(qū)間隧道的影響進行分析，并找到其變形規(guī)律，希望為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

海南路10號地塊綜合開發(fā)項目（C塊）位于虹口區(qū)乍浦路以東、海南路以南、吳淞路以西、武進路以北地塊內(nèi)。項目包括1幢29層塔樓、地上2層裙房及3層地下室（靠近地鐵區(qū)間局部2層）。項目基坑分為南C1、北C2兩部分。南側(cè)基坑C1分成6個小坑：近10號線一側(cè)留出10m寬緩沖區(qū)，緩沖區(qū)為地下二層，緩沖區(qū)內(nèi)分成4個小坑，3#～6#坑，開挖深度為9.1m；緩沖區(qū)外分成兩個小坑，1#和2#坑，其中裙房區(qū)坑開挖深度12.75m，塔樓區(qū)開挖深度為14.05m。北側(cè)基坑C2，開挖深度為9.5m?；游恢眉皠澐忠妶D1。基坑圍護及分隔墻均采用地下連續(xù)墻，厚度為800mm和600mm。地鐵緩沖區(qū)及C2坑設(shè)置1道混凝土支撐＋兩道鋼支撐，其余坑設(shè)置3道混凝土支撐。

圖1 基坑布置總圖

基坑C1、C2距離軌道交通10號線盾構(gòu)區(qū)間最近距離分別為7.7m和7m，10號線隧道中心大致與C1區(qū)裙房坑底齊平，隧道內(nèi)頂大致與C2區(qū)坑底齊平。基坑C1西南側(cè)為四川北路車站，車站底板埋深約16m，車站東端頭井及三角區(qū)距C1圍護邊約22m，東端頭井距C2圍護平面邊約4.9m。

基坑施工順序為 2#→（5#、6#）→1#→（3#、4#）→C2。為保證工期，2＃基坑結(jié)構(gòu)出地面后即施工塔樓超高層結(jié)構(gòu)。

場地內(nèi)土層主要物理力學性質(zhì)見表1。

2 三維數(shù)值模型

傳統(tǒng)的荷載-結(jié)構(gòu)法只能對結(jié)構(gòu)本身受力特點進行分析，無法反映土體與結(jié)構(gòu)相互作用以及土體變形對周邊環(huán)境的影響。基于連續(xù)介質(zhì)的有限元的地層-結(jié)構(gòu)法可以較為完美地解決這一問題。四川北路C塊周邊建筑情況復雜，涉及地鐵車站、區(qū)間隧道等重要構(gòu)筑物，故分析采用MIDAS公司的巖土工程有限元分析軟件GTS基于連續(xù)介質(zhì)有限元法對四川北路C塊基坑開挖施工及內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑對近距離軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響性進行分析。

表1 土層物理力學參數(shù)表

2.1 計算模型

數(shù)值模型模擬區(qū)域尺寸需在滿足分析要求的情況下考慮計算效率，即兼顧計算結(jié)果精度及計算消耗資源。本次分析目的主要是研究四川北路C塊基坑開挖施工對軌道交通10號線區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，但由于四川北路C塊周邊建筑情況復雜，故本次模擬范圍還包括四川北路車站及相鄰已建四川北路B塊結(jié)構(gòu)地下室部分。在確定模型尺寸時，充分考慮了工程的影響范圍，模型邊界距離基坑邊不小于5倍基坑開挖深度。C塊基坑樁長最長為58m，取其下方20m為模型下表面，即模型下表面取至距上表面90m。有限元模型見圖2、圖3。

圖2 有限元整體模型

圖3 基坑圍護體系、車站及隧道模型

四川北路車站梁柱、四川北路B塊梁柱、所有結(jié)構(gòu)工程樁及C塊基坑內(nèi)支撐體系采用梁單元模擬；四川北路車站及B塊頂、中、底板及側(cè)墻，圍護墻體采用板殼單元模擬；模型中所有土體采用實體單元模擬。土體本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，庫倫-摩爾屈服準則；其余材料采用理想彈性本構(gòu)模型。

模型共計79829個單元，70634個節(jié)點。模型邊界條件均為位移邊界條件。其中地表為自由邊界條件；模型左右前后四側(cè)邊界的側(cè)向水平位移限制為零，豎向自由；模型底部邊界的豎向及水平向位移限制為零。

2.2 施工工序模擬

根據(jù)問題的需要，結(jié)合實際施工工序，對計算工序和步驟作如下定義：

土體初始應力計算：初始地應力的計算主要考慮土體自重，計算時四川北路車站，盾構(gòu)區(qū)間及四川北路B塊地下室作為已建結(jié)構(gòu)模型中已激活；

工序1：施工地下連續(xù)墻圍護及樁基礎(chǔ)。

工序2：2#基坑施工第一道支撐；

工序3：2#基坑第一次開挖并施工第二道支撐；工序4：2#基坑第二次開挖并施工第三道支撐；工序5：2#基坑第三次開挖；

工序6：2#基坑地下室回筑并施工5#、6#基坑第一道支撐；

工序7：5#、6#基坑第一次開挖并施工第二道支撐；

工序8：5#、6#基坑第二次開挖并施工第三道支撐；

工序9：5#、6#基坑第三次開挖；

工序10：5#、6#基坑地下室回筑，施工1#坑第一道支撐；

工序11：1#基坑第一次開挖并施工第二道支撐，2#、5#、6#地上兩層裙房施工；

工序12：1#基坑第二次開挖并施工第三道支撐，2#高層結(jié)構(gòu)增加4層；

工序13：1#基坑第三次開挖，2#高層結(jié)構(gòu)增加4層；

工序14：1#基坑地下室回筑至中板，3#、4#基坑施工第一道支撐，2#高層結(jié)構(gòu)增加4層；

工序15：3#、4#基坑第一次開挖并施工第二道支撐；

工序16：3#、4#基坑第二次開挖并施工第三道支撐；

工序17：3#、4#基坑第三次開挖并回筑至中板，C2基坑施工第一道支撐，2#高層結(jié)構(gòu)增加4層；

工序 18：1#、3#、4#基坑地下室頂板澆注，2#高層結(jié)構(gòu)增加11層；

工序19：C2基坑第一次開挖并施工第二道支撐；

工序20：C2基坑第二次開挖并施工第三道支撐；

工序21：C2基坑第三次開挖并施工底板，1#、3#、4#地上兩層裙房施工。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 隧道結(jié)構(gòu)位移

在地鐵上、下行線盾構(gòu)區(qū)間隧道上選取施工過程中豎向、水平位移最大的點作為特征點，見圖4。每條隧道各選取兩點。圖5、圖6給出了該特征點豎向位移、水平位移隨C塊施工工序的變化曲線。

圖4 隧道襯砌特征點位置示意

圖5 隧道特征點豎向位移隨工序變化曲線

圖6 隧道特征點水平位移隨工序變化曲線

圖5表明：（1）特征點1及特征點3位移曲線變化趨勢較為相近，豎向極值點均發(fā)生于工序5及工序9，這是因為特征點1及3基本位于基坑2#、5#、6# 中軸線上。基坑 2#、5#、6# 開挖到底時，兩特征點豎向位移達到極大值，但特征點3距離基坑較遠，故位移值較特征點1小。工序9以后，特征點1、3豎向變形減小，這是因為周邊1#、3#、4#坑開挖的影響小于2#、5#、6#坑結(jié)構(gòu)回筑的影響，結(jié)構(gòu)回筑造成特征點1、3在前期沉降的基礎(chǔ)上隆起。（2）特征點2及特征點4曲線變化趨勢較為相近，由于基坑2#、5#、6#開挖對其影響較小，因此特征點在工序9之前豎向變形較小。兩點豎向變形極值點均發(fā)生于工序13及工序17，這是因為特征點2及4位于基坑1#、3#、4#中軸位置?；?#、3#、4#開挖到底時，兩特征點豎向位移達到極大值。（3）特征點1、3因其離基坑較近豎向位移大于特征點2、4。

圖5中，特征點1最大豎向變形發(fā)生在工序9，最大沉降量為6.00mm。特征點2最大豎向發(fā)生在工序17，最大沉降量為7.38mm。特征點3最大豎向變形發(fā)生在工序9，最大沉降量為1.39mm。特征點4最大豎向變形發(fā)生在工序17，最大沉降量為3.17mm。

圖6表明，特征點側(cè)向位移極大值發(fā)生規(guī)律同豎向位移曲線相似。值得說明的是，基坑結(jié)構(gòu)回筑對豎向位移和側(cè)向位移的影響程度不同。通過圖5與圖6的比較表明，結(jié)構(gòu)回筑對豎向位移影響較大，對水平位移影響較小。

圖6中，特征點1最大水平位移發(fā)生在工序9，最大位移量為7.95mm，最終位移量為6.46mm。特征點2最大水平位移發(fā)生在工序17，最大位移量為6.51mm，最終位移量為5.41mm。特征點3最大水平位移發(fā)生在工序9，最大位移量為5.31mm，最終位移量為3.80mm。特征點4最大水平位移發(fā)生在工序17，最大位移量為5.2 mm，最終位移量為3.90 mm。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)縱向變形

三維有限元數(shù)值模型所涵蓋的隧道的長度約為240 m。圖7及圖8給出了在各主要工序下，近基坑側(cè)區(qū)間隧道縱向變形曲線。從圖7中可以看到，隨著2#、5#、6#基坑開挖，隧道中部豎向變形增大，最大豎向變形發(fā)生于距車站工作井約130 m位置。隨1#、3#、4#基坑開挖，隧道最大豎向變形由中部轉(zhuǎn)向左側(cè)，距離車站工作井約70 m位置，已發(fā)生于中部的豎向變形由于回筑加載顯著減小。隨C2基坑開挖，隧道最大豎向變形位置進一步左移，發(fā)生于距離車站工作井約40 m位置處。而圖8中，2#、5#、6#基坑開挖時，隧道中部水平變形增大，但基坑1#、3#、4#開挖后，隧道左側(cè)也產(chǎn)生一個位移極值點，而中部位移并沒有減小，形成“雙峰”曲線。

圖7 近基坑側(cè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形曲線（豎向位移）

圖8 近基坑側(cè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形曲線（水平位移）

4 結(jié)論

通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

（1）地鐵隧道施工過程中最大變形為9.96 mm。開挖造成的隧道縱向變形的最大附加曲率半徑為63 500 m，最大相對彎曲為1/10 000,均滿足保護要求。

（2）結(jié)構(gòu)回筑對隧道豎向變形量的影響遠大于對隧道水平變形量的影響。由于2#基坑內(nèi)超高層建筑回筑加載影響，最終近基坑側(cè)區(qū)間隧道豎向變形曲線最大豎向變形發(fā)生于1#、3#、4#基坑對應位置，呈“單峰”形態(tài)。近基坑側(cè)區(qū)間隧道水平變形受結(jié)構(gòu)回筑影響較小，最終水平變形曲線呈“雙峰”形態(tài)。

[1]上海市市政工程管理局.上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定[Z].1994.

[2]王衛(wèi)東,王建華.深基坑支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計、分析與實例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.