地鐵與地上建筑同步施工結構變形分析

陳浩 宗振宇

【摘? ? 要】：針對坑蓋挖逆作地鐵深基坑與地上結建建筑同步施工問題，通過有限元數值分析方法，分析施工過程圍護結構、建筑主體結構受力變形情況。計算結果可知，基坑地下圍護結構與上部建筑地下結構樁基礎間差異沉降未超過規范控制值，地下一層頂板結構應力未超過混凝土結構允許應力，結構受力可靠。

【關鍵詞】：蓋挖逆作；地鐵；深基坑；同步施工

【中圖分類號】：TU753【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）03-27-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.009

Structural Deformation Analysis of Metro? Synchronous Construction of

Aboveground Buildings

CHEN Hao，ZONG Zhenyu

（Tianjin Underground Railway Group Co. LTD.，Tianjin 300011，China）

【Abstract】：In view of the synchronous construction of deep foundation pit cover excavation and overground construction， by the finite element numerical analysis method， the paper analyzes envelope structure during construction and the stress deformation of building main structure . The calculation results show that settlement difference between the foundation pit underground envelope structure and the pile foundation of the underground structure of the superstructure does not exceed the code control value， the structural stress of the underground roof does not exceed the allowable stress of the concrete structure， and the structural stress is reliable.

【Key words】：cover and cut-top down; metro; deep fundation pit; synchronous construction

城市地下工程施工方法有明挖法、暗挖法、蓋挖法。綜合考慮周邊環境和路面交通影響，蓋挖逆作法具有過程地層沉降較小，對地面周邊環境和交通影響較小，工期較長特點。目前國內對蓋挖逆作法施工過程結構強化措施的可靠性分析不足[1～8]；而超深基坑蓋挖逆作法地下結構與高層建筑同步施工的工程國內罕見。本文通過有限元分析，結合規范要求，對施工過程圍護差異沉降變化和上下結構受力變化進行分析，論證蓋挖逆作與地上建筑同步施工的可靠性。

1 工程概況

北京地鐵16號線和10號線的換乘車站蘇州街站一體化棚戶區改造項目為兩線地鐵換成通道與地上棚改還遷房共建。見圖1。

地下共5層，1～4層為住宅設備機房及地下車庫，5層為地鐵設備用房及地鐵換乘廳。地上22層（局部23層），1～2層為配套商業，3～22（23）層為住宅，建筑高度78.5 m。地下5層與地鐵16號線站廳層及出入口為同一標高，地下3層與地鐵10號線站廳層及出入口為同一標高，16號線與10號線通過地下5層換乘廳進行換乘。

綜合考慮場地條件、風險控制、工程投資，結合工程質量控制和工期因素，采用蓋挖逆作法施工。迫于工期壓力，上下建筑同步逆作施工。地下為框架結構，圍護為地下連續墻與樁基礎、蓋挖鋼管柱（框架結構柱），局部設計核心筒。地上為剪力墻結構。

2 蓋挖逆作同步施工數值分析

重點分析基坑施工、地下和地上建筑施工對核心筒地下連續墻和樁基、建筑主體結構的影響[7]。

2.1 分析思路

1）確定圍護結構、樁基和主體結構變形控制指標。

2）建立地層-結構模型，根據設計荷載、地勘參數和實際邊界條件進行施工全過程計算。

3）分析計算結果，與控制指標進行對比，確定圍護結構、樁基和主體結構的受力狀態。

采用Midas GTS NX有限元軟件，建立三維地層-結構模型。周圍土體、地下連續墻采用實體單元，核心筒和內部結構（板、剪力墻）采用板單元，結構柱、梁和樁采用樁單元和梁單元[4]。見圖2-圖4。

2.2 計算步序

將施工中梁上線荷載和板上面荷載換算成恒荷載與活荷載的組合荷載，施加到有限元相關梁板單元，全面考慮施工期間結構承受荷載情況。

地下結構核心筒按照圍護墻（地下連續墻）厚度800 mm、鋼筋籠按照圍護墻厚度500 mm施作，混凝土保護層厚度過大，因此在施工過程中，將核心筒厚度鑿薄至500 mm，施工一層，鑿薄一層。

工序如下：第一步開始施作核心筒地下連續墻；第二步核心筒地下連續墻施工完畢后，開始進行一樁一柱施工；第三步明挖地下第1步土方，施作地下一層頂板；第四步施作地下第2層頂板、地下2層開挖、施作到地上結構5層；第五步施作地下第3層頂板，施作到地上結構8層；第六步地下3層開挖，施作地下4層頂板，施作地上結構10層；第七步地下4層開挖，施作地下5層頂板，施作到地上結構15層；第八步地下5層開挖，地下5層底板澆筑；第九步施作地上結構16、17層，鑿薄地下5層核心筒；第十步施作地上結構18、19層，鑿薄地下4層核心筒；第十一步施作地上結構20、21層，鑿薄地下3層核心筒；第十二步施作地上結構22、23層，鑿薄地下2層核心筒；第十三步鑿薄地下1層核心筒。

3 結果分析

3.1 地下樁基礎與地下連續墻沉降分析

隨著基坑開挖同步施工，地下連續墻和樁基沉降增大，兩者差異沉降在地下5層頂板施工后增大明顯。樁基礎豎向沉降10.5 mm、地下連續墻豎向沉降7.91 mm（其中包含了地基基礎沉降帶來的一部分位移），樁基沉降超過地下連續墻沉降，考慮為地上結構施工，地上整體荷載進一步增大。見圖5。

在基礎底板施工之前，相鄰支承柱與圍護結構間的差異變形不宜大于1/400柱距且≯20 mm[5]。位移最大、最不利的鋼管柱距為6 500/400=16.25，本工程最大沉降差2.59 mm＜16.25 mm。

3.2 地下鋼管柱與核心筒地下連續墻沉降分析

隨著基坑開挖同步施工，核心筒和鋼管柱沉降增大，在地下5層頂板施工后兩者差異沉降平穩。見圖6。

對比不鑿薄核心筒，鑿薄對結構影響不甚明顯。見圖7。

施工結束，鋼管柱豎向變形為18.8 mm、核心筒地下連續墻豎向變形為14.0 mm（包括地基基礎沉降帶來的一部分位移）。位移最大、最不利的鋼管柱距為5 650/400=14.125，本工程最大沉降差4.8 mm＜14.125 mm。

地下核心筒與地下鋼管柱差異沉降平穩，地下一層頂板的應力為建筑受力最大的板，故對其進行拉壓應力分析。隨著同步施工，頂板拉壓應力均逐漸增大，核心筒鑿薄結束后，地下一層頂板最大拉應力為26.1 MPa，小于鋼筋抗拉強度；最小壓應力為24.5 MPa，小于板材料C50混凝土抗壓強度，結構受力滿足要求。見表1。

4 結論

在城市繁華地區地鐵及上蓋結構施工，迫于工期壓力，采用蓋挖逆作法上下結構同步施工可大大縮短工期，有利于節省工程成本；蓋挖逆作上下結構同步施工，圍護結構與地下結構樁基礎之間差異沉降及高程核心筒與地下結構柱支撐之間差異沉降隨著施工推進逐漸增大，在地下結構施工完成，地上結構施作15層時，差異沉降增大明顯，需加強施工措施控制，直到施工全部完成，差異沉降未超規范控制值，施工過程地下一層頂板結構應力未超過混凝土結構允許應力；因此，在城市繁華地區蓋挖逆作上下結構同步施工不失為一種高效安全的工法。

參考文獻：

[1]李想. 基于合肥市某地鐵車站深基坑開挖蓋挖順作法與逆作法對比分析[D].合肥：安徽建筑大學，2019.

[2]白冰. 地下人防工程蓋挖逆作法施工過程模擬及風險控制技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

[3]溫宜臻. 沈陽北站地鐵車站蓋挖逆作法施工風險分析[D].沈陽：沈陽建筑大學，2019.

[4]徐亮. 地鐵站蓋挖逆作施工數值模擬與監測研究[D]. 西安：西安理工大學，2018.

[5]王志虹. 大型地下空間蓋挖逆作法關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2018.

[6]靳晨輝. 深圳地區地鐵樞紐工程施工對周圍環境影響研究[D]. 北京：北京交通大學，2016.

[7]張寶森. 地鐵車站蓋挖逆作施工安全風險分析與控制研究[D].徐州：中國礦業大學，2016.

[8]李強. 蓋挖逆作法基坑開挖對周邊環境的影響研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2016.