綜合交通樞紐深大基坑開挖對鄰近機場塔臺的影響研究*

王華平,莫 凡,林忠和,徐前衛,顏 慧,林細桃

(1.中國建筑第八工程局有限公司,廣東 深圳 518038; 2.同濟大學交通運輸工程學院,上海 201804)

0 引言

近年來,隨著地下空間不斷開發,綜合交通樞紐基坑開挖也面臨更復雜的工程條件,當基坑鄰近地區存在建筑物時,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,已經成為基坑工程研究的重要內容。目前,國內外已有許多關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]結合試驗和數值仿真,分析了在隧道掘進和開挖過程中引起的地面運動響應。Boone等[3]對多個在建基坑進行了跟蹤研究,得到了基坑開挖時周邊建筑物沉降規律。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]通過理論計算和實測分析相結合的方法,對深基坑開挖過程中周邊建筑物影響進行分析,得到建筑物位移與基坑開挖深度有很大關系的結論。施有志等[6]通過構建三維有限元模型,研究了車站深基坑開挖過程對鄰近建筑物變形的影響,發現鄰近建筑結構變形主要表現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律。鄭翔等[8]通過對鄰近建筑物和地表變形進行監測分析,得到基坑開挖過程引起的鄰近建筑物沉降具有空間效應和時間效應的結論。譚維佳等[9]分析了基坑開挖對不同建筑物沉降的影響,并與現場監測結果進行對比分析,得到建筑物沉降與建筑物至基坑距離、角度、基礎方式、建筑物總重等因素有關的結論。

上述研究主要集中在不同地質條件下基坑開挖引起周邊土體及建筑物變形影響預測及其影響因素的分析,對于指導工程實踐發揮了積極作用。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,還有待進一步深入探索。本文根據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例,通過數值模擬和實測數據相結合的方法,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計與施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

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航站樓和規劃T3航站樓,東西長約1 350m、南北寬約230m,樞紐基坑場區占地面積大、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。本研究場區涉及的部分樞紐基坑范圍及周邊環境和塔臺位置如圖1所示。其中,機場塔臺為頂部帶有航管指揮層、設備層等在內的圓筒形塔體建筑,地上總高度為89m,為高聳結構,如圖2所示。

圖1 樞紐基坑范圍及周邊環境和塔臺位置示意

圖2 機場塔臺

1.2 工程地質條件

根據地質勘察資料,場區內所揭露地層的地質時代、成因類型、巖性特征、風化程度等工程特性,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、粉質黏土、黏土、角礫土和白云質灰巖。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 基坑開挖區域地層參數

總體而言,場區內存在特殊地質,褶皺、斷裂發育,地下水埋深較淺,下臥土層粉質黏土、黏土為主,巖溶發育,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,施工易出現涌水涌砂和管涌等病害,施工難度大。

1.3 工程難點

根據設計文件,主體結構西北側距離T2航站樓、旅客過夜用房、空管指揮塔等既有建(構)筑物25m以上,施工場地具備放坡條件,采用放坡+土釘支護結構形式。為此,地下1層基坑擬采用1∶1.5放坡開挖(鋪設綠色裝配式邊坡),基坑西南側設置1道止水帷幕;地下2層基坑采用樁錨支護形式(即φ1 000mm@1 200mm鉆孔灌注樁,2道預應力錨索),外圍設置φ850mm@600mm水泥攪拌樁止水帷幕。基坑圍護結構設計剖面如圖3所示。

圖3 基坑圍護結構設計剖面

根據檔案資料,塔臺基礎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 塔臺基礎鉆孔灌注樁布置

根據施工方案,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黏土、黏土及白云質灰巖,采用樁錨支護。開挖過程按基坑內外降水至基底下1m考慮。因此,本基坑屬于典型坑中坑結構,施工難度大,且工序繁多。基坑開挖過程中,由于大面積開挖卸載,會使地層中的應力重分布,導致周邊地層和建筑物出現變形。機場指揮塔距離基坑開挖邊界較近,又因塔臺結構屬于高聳建筑物,因此,在基坑開挖過程中極易產生不均勻沉降,可能會誘發塔臺發生較大變形,嚴重時會造成極大影響。

2 有限元仿真模擬

2.1 計算模型

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

圖5 樞紐基坑鄰近塔臺位置三維有限元計算模型(單位:m)

2.2 土體本構模型及計算參數

在計算模型中,地層采用修正莫爾-庫侖(M-C)本構3D實體單元模擬。對于基坑樁錨支護體系,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,按同一長度范圍內的面積相等原則將錨索截面積進行等效。對于塔臺結構,因屬框架結構,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,塔臺基礎鉆孔灌注樁采用梁單元模擬。相關材料物理力學參數及工程結構單元參數分別如表2,3所示。

表2 材料物理力學參數

表3 工程結構單元參數

2.3 邊界條件及荷載施加

模型在四周邊界上設置法向水平位移約束,模型底部在x,y,z3個方向上設置約束,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,每根樁基承擔的荷載約為1 172kPa;③施工荷載 基坑北側有出土堆載、車輛動荷載、施工材料堆載等,根據現場分布,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。施工階段步序為:①施工步0 初始應力場分析;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 監測數據與模擬結果對比分析

3.1 基坑北側監測點布置

根據基坑施工過程中對周邊環境影響和有效監測數據值,選取圍護結構及土石方工程2021年5月15日監測數據,此時所研究區域的基坑開挖全部完成。基坑北側周圍監測點布置如圖7所示。

圖7 基坑北側周圍監測點布置

3.2 結果對比分析

1)基坑北側邊坡變形對比

基坑北側S129處邊坡豎向變形實測與模擬結果對比如圖8所示。

圖8 基坑北側邊坡豎向變形歷時曲線

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

2)基坑周邊地表沉降對比

基坑周邊地表沉降模擬值和實測值對比如圖9所示。由圖9可知,監測值與模擬值變化趨勢基本一致,模擬值較監測值較小,除與模型簡化有關外,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測與模擬結果對比

3)塔臺沉降對比

基坑開挖完成后,塔臺周邊監測點沉降變形和數值模擬結果對比如表4所示。由表4可知,數值模擬得到的塔臺周邊沉降值和實測數據變化趨勢相符,即在靠近基坑開挖一側的塔臺沉降值大于遠離基坑開挖一側,并且模擬值和監測值較接近,模擬得到的沉降值稍小于實際監測值。因此,通過數值模擬計算得到的結果與現場監測值間存在一定差異,但兩者差距較小且總體變形規律大致相同,驗證了該模型的合理性。

表4 塔臺周邊沉降監測值和模擬值對比

4 不同開挖順序對周邊環境的影響

4.1 工況設置

為研究不同開挖順序對基坑周邊環境的影響,通過數值模擬新增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為地層豎向沉降變形,體現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曲線

圖13 基坑中間位置隆起變形歷時曲線

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位置處地表隨施工階段的進行水平位移變形歷時曲線對比如圖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曲線

2)基坑開挖對邊坡的影響

基坑北側第1層為放坡開挖,第2,3層土體開挖支護形式為鉆孔灌注樁,基坑南側3層土體均采用三級放坡開挖形式。3種工況下基坑南、北側坡頂中間位置豎向變形歷時曲線對比如圖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,由于距離北側邊坡較近,北側邊坡沉降值發生突變,而南側邊坡距離第3層土體開挖較遠,該側邊坡變形值不大。對于北側邊坡坡頂沉降,最終沉降值從高到低排序為工況1>工況2>工況3,其中工況3開挖方式對于減少北側邊坡坡頂沉降效果最明顯。對于南側邊坡坡頂沉降,工況3南側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、北側坡頂中間位置豎向變形歷時曲線

3種工況下的基坑南、北側坡頂中間位置水平變形歷時曲線對比如圖16所示。對于基坑北側邊坡,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、北側坡頂中間位置水平變形歷時曲線

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構傾斜如圖17所示。由圖17可知,根據位移矢量,可以發現在基坑開挖完成后,整個塔臺結構表現出沿y軸負方向斜向下的傾斜,即向基坑內傾斜。

圖17 工況1下基坑開挖后塔臺結構傾斜云圖(單位:mm)

工況1下基坑土體最終開挖完成后的塔臺基礎沉降如圖18所示。可以看出,塔臺基礎遠離基坑結構變形較小,靠近基坑一側基礎結構變形較大。

圖18 工況1下基坑開挖后塔臺基礎沉降云圖(單位:mm)

3種工況下塔臺整體與基礎變形值與傾斜率如表5所示。GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定的建筑物地基允許變形值如表6所示。可以發現,基坑開挖對塔臺及基礎傾斜影響較小,均在規范要求范圍內,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構與基礎變形與傾斜率

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,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,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對于北側邊坡坡頂變形,工況3開挖方式對于減少北側邊坡坡頂變形的效果最明顯。對于南側邊坡坡頂變形,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范允許范圍內,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,通過有限元軟件進行數值模擬,將分析結果與現場實際監測數據進行對比,驗證了模型參數選取的合理性和準確性,對比不同開挖順序對周圍地層及塔臺的影響,并得到如下結論。

1)隨著基坑開挖進行,塔臺沉降逐漸增大,塔臺靠近基坑一側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沉降傾斜規范。通過分析實際工程情況可得到,由于塔臺基礎埋置深度較大,基礎剛度較大,且基礎實際嵌固在基巖中,由于開挖而導致的應力場改變不足以使建筑物上部結構產生較大變化。

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)局部場區樞紐基坑開挖會對既有機場塔臺結構產生一定影響,但影響程度較小,在實際基坑開挖過程中,要嚴格按相關規范要求進行施工,注重對塔臺及基坑周邊地表監測,嚴格確保施工過程中的安全。