明挖區(qū)間施工對(duì)臨近重要建筑物的影響分析

張?jiān)讫? 趙子寅

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

隨著我國城市軌道交通工程的快速發(fā)展，地鐵在城市交通的作用和影響越來越明顯。在地鐵車站修建的過程中，明挖法具有造價(jià)低、工藝簡單、地質(zhì)條件適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，因此被廣泛采用。地鐵車站大部分位于城市中心區(qū)域，周邊建筑較多，風(fēng)險(xiǎn)較大。如何減小周邊建筑物的沉降變形，已經(jīng)成為地鐵車站施工中一個(gè)十分重要的課題。

1　工程概況

明挖區(qū)間包含濟(jì)南軌道交通M2線與M1線聯(lián)絡(luò)通道部分，位于緯二路與站前街交叉口南側(cè)，沿緯二路布設(shè)，起訖里程為YCK20+376.375～YCK448.175，全長71.8 m，最大寬度17.76 m，5 ‰單面下坡，底板最大埋深23.21 m。為緩解明挖施工帶來的交通壓力，區(qū)間采用明挖法+蓋挖法施工方法。

德華銀行舊址，國家級(jí)文保單位，建于1901年，位于經(jīng)二路與緯二路交叉口北側(cè)，地上三層，地下一層，結(jié)構(gòu)為磚木結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為毛石基礎(chǔ)，與明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)最近距離為9.60 m，一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。明挖區(qū)間與德華銀行舊址的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　明挖區(qū)間與風(fēng)險(xiǎn)源位置關(guān)系

區(qū)間沿線屬山前沖洪積傾斜平原地貌單元，南高北低，地勢由南至北逐漸趨于平緩，明挖區(qū)間地面標(biāo)高34.15～34.91 m。鉆探結(jié)果揭示本區(qū)間地質(zhì)從上至下依次為①2雜填土、①1素填土、⑩3碎石、⑩1粉質(zhì)黏土、1粉質(zhì)黏土、4碎石、1全風(fēng)化輝長巖、2強(qiáng)風(fēng)化輝長巖、3中風(fēng)化輝長巖。底板位于全風(fēng)化閃長巖層中。區(qū)間地下水位埋深較淺，施工期間水位按地表考慮。

明挖區(qū)間基坑采用鉆孔咬合樁+內(nèi)支撐體系，鉆孔灌注樁葷素樁間隔布置，樁徑1 000 mm，間距750 mm；內(nèi)支撐采用一道800 mm×800 mm混凝土支撐，四道鋼支撐(含一道倒撐)，第四道鋼支撐為φ800 mm，其余鋼支撐均為φ609 mm。施做臨時(shí)立柱及路面體系，咬合樁嵌入中風(fēng)化巖層2.6 m[1-2]。明挖區(qū)間基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　明挖區(qū)間維護(hù)結(jié)構(gòu)

2　臨近文保單位基坑開挖數(shù)值模擬

2.1　計(jì)算模型

利用MIDAS-GTSNX有限元軟件進(jìn)行基坑臨近風(fēng)險(xiǎn)源的開挖數(shù)值模擬，模型采用地層-荷載結(jié)構(gòu)模型，土體本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫倫。模型尺寸為183.2 m×80 m×50 m(圖3)。

圖3　明挖區(qū)間臨近風(fēng)險(xiǎn)源模型

地層及臨近建筑基礎(chǔ)采用三維實(shí)體單元模擬，建筑樓板及維護(hù)結(jié)構(gòu)采用二維板單元模擬，內(nèi)支撐、格構(gòu)柱及建筑內(nèi)部柱采用一維梁單元模擬。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格加密，共劃分293 943個(gè)單元，54 323個(gè)節(jié)點(diǎn)。約束土體周邊位移。施工階段設(shè)置10步，模擬至開挖完成。地層主要物理學(xué)參數(shù)如表1所示[3-4]。

表1　地層主要物理學(xué)參數(shù)

2.2　結(jié)果分析

施工模擬步序主要包括：(1)自重應(yīng)力場計(jì)算，位移清零；(2)第一次開挖；(3)施做第一道混凝土支撐及連系梁；(4)第二次開挖；(5)施做第二道鋼支撐及連系梁；(6)第三次開挖；(7)施做第三道鋼支撐及連系梁；(8)第四次開挖；(9)施做第四道鋼支撐及連系梁；(10)第五次開挖。取圍護(hù)結(jié)構(gòu)外5 m處作為沉降觀測點(diǎn)，基坑開挖至底部時(shí)，累積地表沉降如圖4所示。

圖4　地表沉降(單位:mm)

從圖4中可以看出，基坑開挖對(duì)南北兩側(cè)沉降量的影響遠(yuǎn)小于東西兩側(cè)的沉降影響。監(jiān)測位置距維護(hù)結(jié)構(gòu)距離5 m，南北兩側(cè)的地表沉降值為2.0～3.1 mm，東西兩側(cè)的地表沉降值為11.1～15.8 mm，且風(fēng)險(xiǎn)源附近地表沉降值均較大，均值在15.2 mm左右，布置內(nèi)支撐時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加密內(nèi)支撐，增大維護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，以減小風(fēng)險(xiǎn)源位置處的地表沉降。

為研究開挖施工步序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，取風(fēng)險(xiǎn)源附近及建筑基礎(chǔ)共4個(gè)測點(diǎn)，研究施工步序?qū)Φ乇沓两档挠绊戧P(guān)系，優(yōu)化維護(hù)形式。開挖至基坑底部時(shí)，測點(diǎn)沉降積累量如圖5所示，測點(diǎn)變形隨施工步序的變化如圖6所示。

圖5　累積沉降位移云圖

圖6　地表沉降隨施工步序的變化關(guān)系

從圖5中可以看出，基坑開挖對(duì)建筑物沉降影響較大，基坑附近地表沉降范圍在6～10 mm，建筑物基礎(chǔ)沉降范圍在10～16 mm，且距離建筑物越遠(yuǎn)，沉降量越小，但降低不明顯。

圖6表明，隨著基坑的開挖及支護(hù)，地表沉降呈波動(dòng)式增長規(guī)律，地表沉降量變化逐漸減小；內(nèi)支撐可以有效的減小地表沉降，如施工步序(3)、(5)、(7)、(9)；第二次開挖時(shí)，地表沉降變化達(dá)到最大6 mm，開挖引起建筑累積沉降15.8 mm，因此，應(yīng)適當(dāng)增加維護(hù)結(jié)構(gòu)剛度或?qū)ㄖ锊扇∮行У谋Ｗo(hù)措施。

綜上所述，明挖區(qū)間開挖對(duì)相鄰文保單位的變形影響較大，應(yīng)采取增加維護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、隔離文保單位措施、提高文保單位基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度等技術(shù)措施減小開挖對(duì)于文保單位的影響[5-6]。

3　結(jié)論與建議

本文通過對(duì)明挖區(qū)間基坑開挖的數(shù)值模擬，分析了現(xiàn)有支護(hù)方案下基坑開挖對(duì)臨近文保單位的變形影響。模擬結(jié)果表明，現(xiàn)有支護(hù)方案對(duì)文保單位的變形沉降具有一定的抑制作用，施工時(shí)，建議采取如下保護(hù)措施，防止沉降變形過大：

(1)明確文保單位沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，重視數(shù)值模擬在維護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的作用。

(2)優(yōu)化基坑開挖的深度，必要時(shí)，縱向分段開挖，增大支撐截面，提高支撐的結(jié)構(gòu)剛度。

(3)建議施工時(shí)在文保單位基礎(chǔ)位置施做注漿孔，根據(jù)施工期間的監(jiān)測沉降值決定是否采取注漿措施。

(4)優(yōu)化施工監(jiān)測，增加文保單位附近的沉降觀測點(diǎn)，加密關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測頻率。

(5)基坑開挖時(shí)，維護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)嵌入不透水層，降水措施采用坑內(nèi)降水，并增設(shè)坑外降水井，減小降水造成的建筑物沉降。