既有地鐵車(chē)站結(jié)合商業(yè)體基坑開(kāi)挖對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響分析

肖 乾 張少樺

(1.湖南湘江新區(qū)管理委員會(huì) 湖南 長(zhǎng)沙 410000 2.湖南湘江新區(qū)投資集團(tuán)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn),與既有地鐵車(chē)站結(jié)合建設(shè)的商業(yè)工程也隨之增多,其施工對(duì)地鐵車(chē)站的影響問(wèn)題在實(shí)際工程中引起了廣泛的關(guān)注。如何準(zhǔn)確模擬和有效控制施工引起的車(chē)站結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化,確保施工和既有地鐵安全,已成為城市地下空間開(kāi)發(fā)工程中需要解決的重要課題,而數(shù)值模擬方法是探究該類(lèi)問(wèn)題常用的方法之一。本文以長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線工程某地鐵車(chē)站結(jié)合商業(yè)體為例,采用有限元軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬,從車(chē)站結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化的角度進(jìn)行分析,為評(píng)價(jià)基坑支護(hù)方案的合理性及對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全性提供理論依據(jù),并提出建議性處理措施。

1 工程概況

某商業(yè)體地鐵上蓋城市綜合體項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙縣星沙片區(qū),該項(xiàng)目作為星沙首座地鐵上蓋城市綜合體,由住宅、公寓、商業(yè)、寫(xiě)字樓、酒店等多種物業(yè)形態(tài)組成,肩負(fù)“為城市造中心”的使命,成為星沙城市新標(biāo)桿。項(xiàng)目總占地面積8.5萬(wàn)平方米,總建筑面積約47萬(wàn)平方米,由總部國(guó)際辦公區(qū),城市商業(yè)區(qū),品質(zhì)生活區(qū),精英SOHO區(qū)四個(gè)職能部分組成,融合了辦公,購(gòu)物,娛樂(lè),生活等多種功能。

該項(xiàng)目基坑全長(zhǎng)165m,寬110m,南側(cè)緊鄰長(zhǎng)沙市軌道交通3號(hào)線已運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站,部分建商業(yè)體結(jié)構(gòu)與既有車(chē)站合建。車(chē)站長(zhǎng)210.2m,標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m,基坑開(kāi)挖面積約4230平方米;物業(yè)結(jié)合頂板長(zhǎng)119.5m,中板長(zhǎng)119.5m,底板長(zhǎng)163.35m,寬度9.018～10.67m。車(chē)站采用明挖法施工,北側(cè)采用放坡＋土釘支護(hù),南側(cè)采用鉆孔灌注樁＋預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),東西端墻采用鉆孔灌注樁＋預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。

商業(yè)體基坑鄰近地鐵車(chē)站部分邊線長(zhǎng)約57m,靠近地鐵區(qū)間部分邊線長(zhǎng)約7m;基坑沿車(chē)站主體北部與物業(yè)接駁工程場(chǎng)地邊線開(kāi)挖,距地鐵車(chē)站附屬最小平面距離約為5m,距地鐵區(qū)間最小平面距離約為14.39m。商業(yè)體基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁＋錨桿的支護(hù)形式,設(shè)計(jì)采用直徑1.2m、間距2.0m的鉆孔樁,錨索長(zhǎng)15.2m、間距2m。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 數(shù)值計(jì)算基本假定和參數(shù)選擇

(1)基本假定

數(shù)值模擬過(guò)程中,為了盡可能達(dá)到與實(shí)際相符的計(jì)算環(huán)境,需要對(duì)地層及結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和處理,以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件,本次計(jì)算基本假定包括:

①初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力,忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響;

②所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性,土體水平成層分布;

③圍巖按修正摩爾—庫(kù)倫理想彈性材料考慮;

④機(jī)械荷載不考慮機(jī)械在運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)荷載。

(2)參數(shù)選取

①基坑開(kāi)挖及超載模擬。

基坑開(kāi)挖采用單元鈍化的方式進(jìn)行模擬,地面超載采用均布荷載的形式施加在基坑外側(cè)地表,超載取值為20 KN/m。

②結(jié)構(gòu)及地層模擬

基坑圍護(hù)樁和車(chē)站主體結(jié)構(gòu)在模擬時(shí)采用彈性本構(gòu)模擬。均質(zhì)彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律,可用矩陣表達(dá)為:

式中[D]為剛度矩陣,

修正摩爾庫(kù)倫模型是對(duì)摩爾庫(kù)倫模型的改進(jìn),由非線性彈性模型和彈塑性模型組合,適用于淤泥或沙土行為特性,模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。

相對(duì)于摩爾庫(kù)倫模型,這是個(gè)材料模型更加詳細(xì)的模型,彈性模量可根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同的值。但一般情況下卸載時(shí)彈性模量設(shè)置更大的值,以防止開(kāi)挖模型時(shí)由于應(yīng)力釋放引起的過(guò)大隆起(膨脹的現(xiàn)象)。

修正的莫爾－庫(kù)倫模型的屈服面是解耦雙硬化模型,剪切破壞和壓縮破壞互不影響。這種雙屈服面在p—q空間中有如下方程:

f1－切線屈服函數(shù) f2－壓縮屈服函數(shù)

修正M－C本構(gòu)模型是在M－C基礎(chǔ)上改善的本構(gòu)模型,剪切屈服面與M－C本構(gòu)屈服面相同,壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構(gòu)。同時(shí),修正M－C本構(gòu)偏平面采用了圓角處理,消除M－C本構(gòu)偏平面六邊形計(jì)算頂點(diǎn)塑應(yīng)變方向時(shí)的不穩(wěn)定因素,使計(jì)算的收斂性更好,因此在實(shí)際工程模擬中有著很好的推廣價(jià)值。

地鐵結(jié)構(gòu)、物業(yè)結(jié)合板、墻采用二維板單元進(jìn)行模擬,車(chē)站和物業(yè)結(jié)合梁、柱采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雙排樁、單排樁采用等剛度轉(zhuǎn)化為墻,采用二維板單元模擬,錨索采用桁架單元模擬,冠梁采用梁?jiǎn)卧M,土層采用三維實(shí)體單元模擬。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

本文中的數(shù)值計(jì)算采用巖土工程有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS NX。計(jì)算采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬,三維模型尺寸采用300m(長(zhǎng))×100m(寬)×50m(深),地鐵結(jié)構(gòu)、物業(yè)結(jié)合板、墻片采用二維板單元進(jìn)行模擬,車(chē)站和物業(yè)結(jié)合梁、柱采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雙排樁、單排樁采用等剛度轉(zhuǎn)化為墻,采用二維板單元模擬,錨索采用桁架單元模擬,冠梁采用梁?jiǎn)卧M,土層采用三維實(shí)體單元模擬。模型邊界條件:模型外側(cè)土體四周約束其水平位移,底部邊界約束其豎方向的位移,地表為自由邊界。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型

2.3 土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

土層參數(shù)。本次模擬土層參數(shù)根據(jù)地勘資料確定,采用工程詳勘鉆孔,由上至下依次為素填土、強(qiáng)風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化礫巖,土層參數(shù)按詳勘報(bào)告中參數(shù)。

車(chē)站頂板厚度800mm,中板厚400mm,底板厚900mm,側(cè)墻厚700mm,頂縱梁1000mm×2000mm,中縱梁900mm×1000mm,底縱梁1000mm×2400mm(雙柱段為:900x2000),采用C35混凝土;中柱800mm×1100mm,采用C50混凝土。

2.4 計(jì)算工況及初始應(yīng)力

本次研究主要針對(duì)商業(yè)體基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響,為得到準(zhǔn)確的結(jié)果,需進(jìn)行以下工況的研究:(1)初始地應(yīng)力,考慮地層為原始應(yīng)力狀態(tài),地鐵車(chē)站未施工。(2)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)施工,進(jìn)行應(yīng)力平衡計(jì)算,作為影響評(píng)估的初始狀態(tài)。(3)商業(yè)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和基坑開(kāi)挖,評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)和結(jié)合物業(yè)的影響;此工況為最終工序。第一、二工況均為初始工況,故不做展開(kāi)分析,提取相關(guān)應(yīng)力結(jié)果作為后續(xù)影響研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.5 計(jì)算結(jié)果

圖2 基坑開(kāi)挖后車(chē)站和結(jié)合物業(yè)板彎矩云圖

圖3 基坑開(kāi)挖后地鐵車(chē)站側(cè)墻彎矩云圖

由圖可知,商業(yè)體基坑的開(kāi)挖,導(dǎo)致一側(cè)土體卸載,下部土體產(chǎn)生回彈變形,車(chē)站側(cè)向土壓力也隨之發(fā)生變化,引起地鐵車(chē)站產(chǎn)生偏向基坑方向的位移。由于土體開(kāi)挖卸荷,側(cè)向土壓力降低,車(chē)站結(jié)構(gòu)板最大彎矩值從初始的541.8 KN?m減少至521.7KN?m、側(cè)墻最大彎矩值從初始的494.0 KN?m減少至434.4KN?m、車(chē)站中柱軸力由8696.0 KN減少至8681.9KN,最大變化幅度為12.06%,變化后的值及變化幅度均在可接受范圍,車(chē)站結(jié)構(gòu)受力可滿(mǎn)足要求。另外,由于商業(yè)體基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地質(zhì)情況好,地鐵車(chē)站和結(jié)合物業(yè)結(jié)構(gòu)埋深大,且車(chē)站主體結(jié)構(gòu)存在抗拔樁,地鐵車(chē)站的整體剛度較大,同時(shí)車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)也起到了較大的隔離保護(hù)作用。

表1 商業(yè)體基坑開(kāi)挖前后車(chē)站和結(jié)合物業(yè)內(nèi)力對(duì)比表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知,商業(yè)體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁＋錨索的形式,較好的控制住地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化,而最大程度減少了對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響,保證了其結(jié)構(gòu)安全。

結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS NX分析了商業(yè)體基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車(chē)站的內(nèi)力及變形的影響,通過(guò)上述對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)受力模擬計(jì),由計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知:

(1)商業(yè)體基坑開(kāi)挖引起的車(chē)站主體結(jié)構(gòu)水平、豎向位移均較小,均處在一級(jí)基坑的變形控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),在滿(mǎn)足基坑本身安全的前提下,說(shuō)明基坑施工引起的變形在規(guī)范可控范圍內(nèi)。且基坑開(kāi)挖引起的車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值處在車(chē)站結(jié)構(gòu)可承受的變化范圍內(nèi),故基坑施工不會(huì)對(duì)車(chē)站造成結(jié)構(gòu)破壞。

(2)商業(yè)體基坑開(kāi)挖采用鉆孔樁＋錨桿的支護(hù)方案是合理的,可有效控制開(kāi)挖各工況車(chē)站結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化,保障基坑施工期間地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

(3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果是在一定的假定條件的理論分析,針對(duì)實(shí)際工程中地質(zhì)條件的復(fù)雜性及差異變化性,應(yīng)采用信息化施工,加強(qiáng)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè),針對(duì)地鐵制定針對(duì)性地監(jiān)控量測(cè)方案和應(yīng)急預(yù)案,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理,保證地鐵結(jié)構(gòu)安全。