超高層建筑深基坑開挖及結構回筑對近距離相鄰地鐵區間結構的影響分析

孫 旻

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著上海城區地下軌道交通建設事業的蓬勃發展，以及可開發土地資源的日益減少，緊鄰地下軌道交通結構進行地塊開發常常無法避免。根據相關保護條例，緊鄰地下軌道交通的超高層建筑結構施工，需分析基坑開挖及超高層結構完工后樁基礎對地下軌道交通結構的影響。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構回筑施工全過程對近距離軌道交通區間隧道的影響進行分析，并找到其變形規律，希望為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

海南路10號地塊綜合開發項目（C塊）位于虹口區乍浦路以東、海南路以南、吳淞路以西、武進路以北地塊內。項目包括1幢29層塔樓、地上2層裙房及3層地下室（靠近地鐵區間局部2層）。項目基坑分為南C1、北C2兩部分。南側基坑C1分成6個小坑：近10號線一側留出10m寬緩沖區，緩沖區為地下二層，緩沖區內分成4個小坑，3#～6#坑，開挖深度為9.1m；緩沖區外分成兩個小坑，1#和2#坑，其中裙房區坑開挖深度12.75m，塔樓區開挖深度為14.05m。北側基坑C2，開挖深度為9.5m。基坑位置及劃分見圖1?；訃o及分隔墻均采用地下連續墻，厚度為800mm和600mm。地鐵緩沖區及C2坑設置1道混凝土支撐＋兩道鋼支撐，其余坑設置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號線盾構區間最近距離分別為7.7m和7m，10號線隧道中心大致與C1區裙房坑底齊平，隧道內頂大致與C2區坑底齊平。基坑C1西南側為四川北路車站，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＃基坑結構出地面后即施工塔樓超高層結構。

場地內土層主要物理力學性質見表1。

2 三維數值模型

傳統的荷載-結構法只能對結構本身受力特點進行分析，無法反映土體與結構相互作用以及土體變形對周邊環境的影響。基于連續介質的有限元的地層-結構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、區間隧道等重要構筑物，故分析采用MIDAS公司的巖土工程有限元分析軟件GTS基于連續介質有限元法對四川北路C塊基坑開挖施工及內部結構回筑對近距離軌道交通區間結構的影響性進行分析。

表1 土層物理力學參數表

2.1 計算模型

數值模型模擬區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號線區間結構的影響，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塊結構地下室部分。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、所有結構工程樁及C塊基坑內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模型。

模型共計79829個單元，70634個節點。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；模型左右前后四側邊界的側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

根據問題的需要，結合實際施工工序，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，盾構區間及四川北路B塊地下室作為已建結構模型中已激活；

工序1：施工地下連續墻圍護及樁基礎。

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#高層結構增加4層；

工序13：1#基坑第三次開挖，2#高層結構增加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#高層結構增加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#高層結構增加4層；

工序 18：1#、3#、4#基坑地下室頂板澆注，2#高層結構增加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 數值分析結果

3.1 隧道結構位移

在地鐵上、下行線盾構區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#坑結構回筑的影響，結構回筑造成特征點1、3在前期沉降的基礎上隆起。（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。基坑1#、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最大豎向變形發生在工序9，最大沉降量為6.00mm。特征點2最大豎向發生在工序17，最大沉降量為7.38mm。特征點3最大豎向變形發生在工序9，最大沉降量為1.39mm。特征點4最大豎向變形發生在工序17，最大沉降量為3.17mm。

圖6表明，特征點側向位移極大值發生規律同豎向位移曲線相似。值得說明的是，基坑結構回筑對豎向位移和側向位移的影響程度不同。通過圖5與圖6的比較表明，結構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 隧道結構縱向變形

三維有限元數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，近基坑側區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向左側，距離車站工作井約70 m位置，已發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，隧道左側也產生一個位移極值點，而中部位移并沒有減小，形成“雙峰”曲線。

圖7 近基坑側區間隧道結構變形曲線（豎向位移）

圖8 近基坑側區間隧道結構變形曲線（水平位移）

4 結論

通過以上分析可以得出以下結論：

（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）結構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#基坑內超高層建筑回筑加載影響，最終近基坑側區間隧道豎向變形曲線最大豎向變形發生于1#、3#、4#基坑對應位置，呈“單峰”形態。近基坑側區間隧道水平變形受結構回筑影響較小，最終水平變形曲線呈“雙峰”形態。

[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管理暫行規定[Z].1994.

[2]王衛東,王建華.深基坑支護結構與主體結構相結合的設計、分析與實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.