廣深港客運專線福田地下車站基坑施工對周邊建筑物的影響分析及控制技術(shù)

王振卿，李權(quán)福

(1.中鐵十五局集團公司，河南洛陽 471013;2.神華集團貨車公司，北京 100011)

1 工程概況

廣深港客運專線福田車站全長1 023 m，最深32.15 m、最寬78.86 m，站場規(guī)模4臺8線。該地下車站基坑周邊高樓林立，道路密集，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜。基坑周圍相鄰10多棟200 m左右的高層建筑，且距免稅大廈僅為13.4 m，與地鐵2號線、11號線垂直交叉。基坑開挖土石方183.3萬m3。

本文結(jié)合福田站基坑開挖工程，提出建立該車站基坑蓋挖逆作和明挖順作兩大工法及周圍建筑物狀況三維模型，通過仿真分析計算，按施工步驟和順序模擬實時對照分析計算深基坑變形和對周邊建筑物的影響程度，及時提出加強監(jiān)控的重點部位及相應(yīng)技術(shù)措施，從而進一步優(yōu)化基坑開挖和支撐體系施工方案。

2 深基坑受荷分析方法

2.1 蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)分析計算模型

采用一次加載計算法和增量法全過程分析法分別計算，采用增量法計算得到的結(jié)果要比一次性加載計算法要大。就連續(xù)墻而言在頂板連接處兩種方法得到的結(jié)果大致相同，但在中板連接處用全過程分析模型得到的側(cè)墻彎矩在數(shù)值上要大很多，到了底板連接處，側(cè)墻彎矩的方向甚至發(fā)生了變化。一次加載計算法不能夠很好反映結(jié)構(gòu)的實際受力性態(tài)。蓋挖逆作法采用增量法原理對結(jié)構(gòu)進行全過程結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析，結(jié)果表明，在與板的結(jié)合部位出現(xiàn)了負(fù)彎矩，從設(shè)計角度來看，則需要在負(fù)彎矩一側(cè)增加配筋，這與順作法結(jié)構(gòu)存在較大區(qū)別。一般經(jīng)驗而言，采用順作法在基坑深度范圍內(nèi)連續(xù)墻墻身幾乎全部為正彎矩。

2.2 明挖順作法結(jié)構(gòu)分析計算模型

圍護結(jié)構(gòu)及支撐體系受力計算按施工過程進行。圍護結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu)，承受全部的水土壓力及路面荷載。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則。根據(jù)地質(zhì)情況取不同地質(zhì)鉆孔，主要采用同濟啟明星深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件FRWS 2006進行結(jié)構(gòu)計算，并采用理正深基坑FSPW、大型巖土工程分析有限元軟件 Plaxis進行校核。

對側(cè)向水土壓力，施工階段采用朗肯主動土壓力，黏土層采用水土合算，其他土層采用水土分算。

3 施工過程結(jié)構(gòu)受力變形及對周邊建筑物影響的分析

3.1 蓋挖逆作施工過程結(jié)構(gòu)受力變形分析

設(shè)計中選取D區(qū)中的關(guān)鍵斷面對頂板和中板的型鋼梁、支座施工采用數(shù)值模擬的方法進行分析(圖1)，以頂板及頂板型鋼在施工過程中的受力和變形特征為例進行解析。

蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件常兼有臨時結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的雙重功能。結(jié)構(gòu)受力與施工方法、開挖步驟和施工措施關(guān)系密切，且荷載效應(yīng)有繼承性。

3.1.1 頂板驗算分析

圖1 蓋挖逆作施工過程結(jié)構(gòu)受力變形分析數(shù)值模型

根據(jù)分析模型和設(shè)計的要求，建立頂板為矩形板的數(shù)值模型，并設(shè)定基本結(jié)構(gòu)條件:頂板寬度為1 000 mm，厚度為1 200 mm，頂板混凝土強度等級 C40，fc=19.10 N/mm2，縱筋級別 HRB335，fy=300 N/mm2。計算結(jié)果如下:

1)頂板橫向跨中最大彎矩設(shè)計值為2 772 kN·m，剪力設(shè)計值為84 kN。驗算頂板正截面受彎承載力和裂縫寬度，截面承載力5 419.63 kN，正截面受彎承載力和配置鋼筋均能滿足要求。

2)頂板橫向支座處彎矩設(shè)計值3 135 kN·m，剪力設(shè)計值4 012 kN。

3)頂板縱向跨中彎矩設(shè)計值1 033 kN·m，剪力設(shè)計值84 kN。

4)頂板縱向支座處彎矩設(shè)計值1 848 kN·m。

以上2)至4)項驗算的要求為頂板正截面受彎承載力和裂縫寬度。通過模型分析，截面承載力、正截面受彎承載力和配置鋼筋均能滿足要求。

3.1.2 頂板型鋼梁驗算分析

1)縱向型鋼梁驗算分析

頂板縱向型鋼梁截面為1 400 mm×2 200 mm，鋼骨截面為800 mm×1 600 mm×40 mm×40 mm。采用LBW型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)計算軟件計算，得到最大彎矩為8 421 kN·m。

2)橫向型鋼梁驗算分析

頂板橫向型鋼梁截面為1 400 mm×2 500 mm，鋼骨截面為800 mm×1 900 mm×30 mm×40 mm，C軸處局部鋼骨截面為800 mm×1 900 mm×30 mm×60 mm。計算得到最大彎矩為－39 334 kN·m。

3.2 明挖順作施工過程結(jié)構(gòu)受力變形分析

3.2.1 內(nèi)力計算結(jié)果

計算得到的地下連續(xù)墻位移、內(nèi)力包絡(luò)圖見圖2。支點反力見表1。

3.2.2 地表沉降計算

采用同濟拋物線方法分別計算17種工況:開挖至2.8 m;安裝1號支撐;開挖至10.8 m;安裝2號支撐;開挖至19.2 m;安裝3號支撐;開挖至26.6 m;安裝4號支撐;開挖至31.9 m;底板完成;負(fù)二層中板完成;拆3號支撐;負(fù)一層中板完成;拆2號支撐;頂板完成;拆1號支撐;拆4號支撐。其中部分工況計算的地表沉降見圖3。

圖2 地連墻內(nèi)力計算結(jié)果

表1 支點反力

圖3 地表沉降分布

3.2.3 特殊地段計算

鄰近的香格里拉飯店地段地質(zhì)條件極差，距超高層建筑近，安全風(fēng)險最高。分別采用一維和二維計算分析并互相校核。計算的地下連續(xù)墻剪力、彎矩包絡(luò)圖見圖4。

圖4 地下連續(xù)墻剪力、彎矩包絡(luò)圖

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 圍護結(jié)構(gòu)變形對比分析

實際監(jiān)測出的連續(xù)墻累計變形和理論計算值基本一致。如香格里拉飯店附近，理論變形為0～18.8 mm，最大變形約發(fā)生在26～27 m深處，實際監(jiān)測變形為－4.04～24.87 mm，最大變形發(fā)生在25 m深處。

4.2 周邊建筑物變形分析

通過對周邊建筑物的沉降監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)建筑物沉降主要與自身基礎(chǔ)類型、相對基坑深度、樁底持力層承載力大小等因素有關(guān)，圍護結(jié)構(gòu)變形在允許范圍內(nèi)時，建筑物沉降與圍護結(jié)構(gòu)變形關(guān)系不明顯。以免稅大廈和港中旅大廈為例予以說明。①免稅大廈地上39層，地下3層，高160 m。基礎(chǔ)為摩擦樁，埋深20～28 m，基坑底以上巖性為全風(fēng)化花崗巖，強度底。距基坑約13.4 m。②港中旅大廈地上 24層，地下 3層，高110.7 m。基礎(chǔ)為端承樁，埋深30.00～35.35 m，基坑底以下巖性為弱風(fēng)化花崗巖，強度高。距基坑約16 m。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)免稅大廈沉降和差異沉降均較大，并且在結(jié)構(gòu)完成后一定時間內(nèi)，仍有小量沉降。最小沉降(J2測點)為－4.22 mm，最大沉降(J4測點)為－15.45 mm，最大差異沉降達11.23 mm。兩點水平距離約69.5 m，傾斜0.16‰。港中旅大廈沉降和差異沉降均較小，主要發(fā)生在基坑開挖初期，很快趨于穩(wěn)定。最小沉降(J7測點)為－3.80 mm，最大沉降(J2測點)為 －5.59 mm，最大差異沉降達1.79 mm。兩點水平距離約58.6 m，傾斜0.03‰。可見，兩者傾斜均遠(yuǎn)小于設(shè)計及規(guī)范要求的2‰。

基坑周邊沉降最大位置一般不在基坑最近處，而是在距離基坑12～17 m，約0.5倍基坑深度附近，再向遠(yuǎn)處逐漸減小，在1倍基坑深度以外，幾乎無沉降。

5 變形控制技術(shù)措施

5.1 周邊土體預(yù)加固、隔離

基坑開挖前，對基坑周邊建筑物較近的區(qū)域，采用格構(gòu)式旋噴樁加袖閥注漿進行預(yù)加固。預(yù)加固范圍盡量靠近建筑物，并與基坑邊留一定緩沖區(qū)，形成隔離狀態(tài)，使基坑變形盡量在緩沖區(qū)內(nèi)消散，不致影響到建筑物主體。

5.2 跳倉、分層分段分區(qū)開挖、及時支撐

根據(jù)設(shè)計要求，將主體結(jié)構(gòu)劃分成若干個小段，每段長約20～30 m，蓋挖逆作段按照跳倉原則，完成結(jié)構(gòu)板后，利用已完成的結(jié)構(gòu)板作為支撐，開挖剩余段落土體。

明挖順作法施工時，自一端向另一端，分層分段臺階法開挖，基坑較寬時，橫向再分區(qū)開挖，先挖中間再挖兩邊。到基底后，立即施工墊層，封閉基底。每開挖出一段，及時施工底板，嚴(yán)格控制底板與土方開挖間距，每隔兩段底板預(yù)留一個后澆帶。

5.3 預(yù)留反壓土

福田站D區(qū)，蓋挖逆作施工負(fù)三層時，為平衡C區(qū)土壓力，預(yù)留鄰近中隔墻的D1節(jié)段土體，開始從D2節(jié)段開挖，先施工偶數(shù)節(jié)段，再施工奇數(shù)節(jié)段，最后，待C區(qū)開挖二層后，再開挖D1節(jié)段。因底板下承臺和接地系統(tǒng)施工周期較長，為避免負(fù)三層長期暴露，圍護結(jié)構(gòu)變形發(fā)展造成結(jié)構(gòu)破壞，對負(fù)三層土體橫向分區(qū)開挖，并在基坑兩側(cè)預(yù)留反壓土，平衡基坑外側(cè)土壓力，降低圍護結(jié)構(gòu)變形。

6 結(jié)語

福田地下車站大型深基坑施工時，通過對蓋挖逆作和明挖順作兩大工法三維模擬計算綜合分析結(jié)構(gòu)受力與變形。根據(jù)模型計算結(jié)果及時針對性地調(diào)整開挖節(jié)奏，嚴(yán)格控制各項監(jiān)測指標(biāo)，使之滿足設(shè)計及規(guī)范的要求，最大限度地降低了對周邊建筑物的影響，確保了基坑及周邊建筑物的安全。

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