王華平,莫 凡,林忠和,徐前衛(wèi),顏 慧,林細(xì)桃
(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,廣東 深圳 518038; 2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804)
近年來(lái),隨著地下空間不斷開(kāi)發(fā),綜合交通樞紐基坑開(kāi)挖也面臨更復(fù)雜的工程條件,當(dāng)基坑鄰近地區(qū)存在建筑物時(shí),基坑開(kāi)挖會(huì)引起鄰近建筑物變形。因此,如何保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中附近地表和鄰近建筑物變形滿足要求,已經(jīng)成為基坑工程研究的重要內(nèi)容。目前,國(guó)內(nèi)外已有許多關(guān)于基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響的研究。例如,Schuster等[1]提出了一種簡(jiǎn)化模型用于評(píng)估基坑開(kāi)挖附近建筑物的損壞幾率,評(píng)估了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物造成損壞的可能性。Dalgic等[2]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值仿真,分析了在隧道掘進(jìn)和開(kāi)挖過(guò)程中引起的地面運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。Boone等[3]對(duì)多個(gè)在建基坑進(jìn)行了跟蹤研究,得到了基坑開(kāi)挖時(shí)周邊建筑物沉降規(guī)律。王琳等[4]以天津市某地鐵車站基坑工程為研究對(duì)象,分析了基坑開(kāi)挖對(duì)周圍房屋及土體的影響,為分析類似問(wèn)題提供了參考。金艷平等[5]通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的方法,對(duì)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊建筑物影響進(jìn)行分析,得到建筑物位移與基坑開(kāi)挖深度有很大關(guān)系的結(jié)論。施有志等[6]通過(guò)構(gòu)建三維有限元模型,研究了車站深基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)鄰近建筑物變形的影響,發(fā)現(xiàn)鄰近建筑結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為沉降和指向基坑的水平位移。楊忠平等[7]通過(guò)三維有限元模擬揭示了深厚淤泥土層中深長(zhǎng)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響規(guī)律。鄭翔等[8]通過(guò)對(duì)鄰近建筑物和地表變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,得到基坑開(kāi)挖過(guò)程引起的鄰近建筑物沉降具有空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)的結(jié)論。譚維佳等[9]分析了基坑開(kāi)挖對(duì)不同建筑物沉降的影響,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得到建筑物沉降與建筑物至基坑距離、角度、基礎(chǔ)方式、建筑物總重等因素有關(guān)的結(jié)論。
上述研究主要集中在不同地質(zhì)條件下基坑開(kāi)挖引起周邊土體及建筑物變形影響預(yù)測(cè)及其影響因素的分析,對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐發(fā)揮了積極作用。然而,針對(duì)超大型坑中坑基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高聳建筑物施工影響的研究尚不多見(jiàn),還有待進(jìn)一步深入探索。本文根據(jù)南寧國(guó)際空港綜合交通樞紐深大基坑接近既有航管樓的工程實(shí)例,通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,研究了高聳建筑物在鄰近基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形特征,從而為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。
南寧國(guó)際空港綜合交通樞紐是集鐵路、公路長(zhǎng)途、城市軌道交通、城市公交、出租車及社會(huì)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(guī)劃T3航站樓,東西長(zhǎng)約1 350m、南北寬約230m,樞紐基坑場(chǎng)區(qū)占地面積大、范圍廣,基坑深度大,基坑北部?jī)H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(guó)鐵站位于地下2層,沿行車方向橫跨于整個(gè)基坑,地下2層建筑面積約27萬(wàn)m2,地上1層建筑面積約3萬(wàn)m2。本研究場(chǎng)區(qū)涉及的部分樞紐基坑范圍及周邊環(huán)境和塔臺(tái)位置如圖1所示。其中,機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)為頂部帶有航管指揮層、設(shè)備層等在內(nèi)的圓筒形塔體建筑,地上總高度為89m,為高聳結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖1 樞紐基坑范圍及周邊環(huán)境和塔臺(tái)位置示意

圖2 機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)
根據(jù)地質(zhì)勘察資料,場(chǎng)區(qū)內(nèi)所揭露地層的地質(zhì)時(shí)代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性,將沿線巖土層分為10層。塔臺(tái)位置樞紐基坑范圍所涉及的主要土層為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、角礫土和白云質(zhì)灰?guī)r。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑開(kāi)挖區(qū)域地層參數(shù)
總體而言,場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在特殊地質(zhì),褶皺、斷裂發(fā)育,地下水埋深較淺,下臥土層粉質(zhì)黏土、黏土為主,巖溶發(fā)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(xiàn)涌水涌砂和管涌等病害,施工難度大。
根據(jù)設(shè)計(jì)文件,主體結(jié)構(gòu)西北側(cè)距離T2航站樓、旅客過(guò)夜用房、空管指揮塔等既有建(構(gòu))筑物25m以上,施工場(chǎng)地具備放坡條件,采用放坡+土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。為此,地下1層基坑擬采用1∶1.5放坡開(kāi)挖(鋪設(shè)綠色裝配式邊坡),基坑西南側(cè)設(shè)置1道止水帷幕;地下2層基坑采用樁錨支護(hù)形式(即φ1 000mm@1 200mm鉆孔灌注樁,2道預(yù)應(yīng)力錨索),外圍設(shè)置φ850mm@600mm水泥攪拌樁止水帷幕。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面如圖3所示。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面
根據(jù)檔案資料,塔臺(tái)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁支撐,樁身長(zhǎng)16m,樁徑1.5m,平面布置如圖4所示。

圖4 塔臺(tái)基礎(chǔ)鉆孔灌注樁布置
根據(jù)施工方案,基坑地下1層開(kāi)挖深度為8~12m,開(kāi)挖深度范圍基本為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土,采用1∶1.5放坡開(kāi)挖;基坑地下1層施工后再施工地下2層,地下2層開(kāi)挖深度為8~12m,開(kāi)挖深度范圍基本為粉質(zhì)黏土、黏土及白云質(zhì)灰?guī)r,采用樁錨支護(hù)。開(kāi)挖過(guò)程按基坑內(nèi)外降水至基底下1m考慮。因此,本基坑屬于典型坑中坑結(jié)構(gòu),施工難度大,且工序繁多。基坑開(kāi)挖過(guò)程中,由于大面積開(kāi)挖卸載,會(huì)使地層中的應(yīng)力重分布,導(dǎo)致周邊地層和建筑物出現(xiàn)變形。機(jī)場(chǎng)指揮塔距離基坑開(kāi)挖邊界較近,又因塔臺(tái)結(jié)構(gòu)屬于高聳建筑物,因此,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中極易產(chǎn)生不均勻沉降,可能會(huì)誘發(fā)塔臺(tái)發(fā)生較大變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成極大影響。
為方便模型建立與求解分析,選取樞紐基坑部分區(qū)域作為研究對(duì)象,建立如圖5所示部分場(chǎng)區(qū)基坑和塔臺(tái)三維有限元模型,計(jì)算模型尺寸為250m(長(zhǎng))×200m(寬)×50m(高)。

圖5 樞紐基坑鄰近塔臺(tái)位置三維有限元計(jì)算模型(單位:m)
在計(jì)算模型中,地層采用修正莫爾-庫(kù)侖(M-C)本構(gòu)3D實(shí)體單元模擬。對(duì)于基坑樁錨支護(hù)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(zhǎng)度范圍內(nèi)的面積相等原則將錨索截面積進(jìn)行等效。對(duì)于塔臺(tái)結(jié)構(gòu),因?qū)倏蚣芙Y(jié)構(gòu),其變形主要受建筑物剛度影響,為此對(duì)地上部分采用無(wú)重力柱和板單元模擬,即柱采用1D梁?jiǎn)卧?下部承臺(tái)簡(jiǎn)化為2D板單元,塔臺(tái)基礎(chǔ)鉆孔灌注樁采用梁?jiǎn)卧M。相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)及工程結(jié)構(gòu)單元參數(shù)分別如表2,3所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

表3 工程結(jié)構(gòu)單元參數(shù)
模型在四周邊界上設(shè)置法向水平位移約束,模型底部在x,y,z3個(gè)方向上設(shè)置約束,模型頂部為自由面。
在整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中有3種荷載:①自重荷載 對(duì)整個(gè)模型施加自重荷載;②周邊建筑物荷載 主要為鄰近塔臺(tái)荷載,采用等效施加在各樁基上的方式模擬,每根樁基承擔(dān)的荷載約為1 172kPa;③施工荷載 基坑北側(cè)有出土堆載、車輛動(dòng)荷載、施工材料堆載等,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分布,在基坑0~30m范圍施加均布荷載5kPa。
根據(jù)施工方案,基坑南部放坡開(kāi)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(kāi)挖(工況1),如圖6所示。施工階段步序?yàn)?①施工步0 初始應(yīng)力場(chǎng)分析;②施工步1 塔臺(tái)施工;③施工步2 位移清0;④施工步3~10 基坑第1層開(kāi)挖;⑤施工步11 施作圍護(hù)墻;⑥施工步12~19 基坑第2層開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖工況
根據(jù)基坑施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境影響和有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值,選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土石方工程2021年5月15日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),此時(shí)所研究區(qū)域的基坑開(kāi)挖全部完成。基坑北側(cè)周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 基坑北側(cè)周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
1)基坑北側(cè)邊坡變形對(duì)比
基坑北側(cè)S129處邊坡豎向變形實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 基坑北側(cè)邊坡豎向變形歷時(shí)曲線
由圖8可知,基坑開(kāi)挖過(guò)程中邊坡豎向變形模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)趨于一致,數(shù)值上存在一定差異,原因主要是數(shù)值建模時(shí)簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、施工擾動(dòng)、周邊環(huán)境等因素。
2)基坑周邊地表沉降對(duì)比
基坑周邊地表沉降模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖9所示。由圖9可知,監(jiān)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)基本一致,模擬值較監(jiān)測(cè)值較小,除與模型簡(jiǎn)化有關(guān)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(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比
3)塔臺(tái)沉降對(duì)比
基坑開(kāi)挖完成后,塔臺(tái)周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。由表4可知,數(shù)值模擬得到的塔臺(tái)周邊沉降值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符,即在靠近基坑開(kāi)挖一側(cè)的塔臺(tái)沉降值大于遠(yuǎn)離基坑開(kāi)挖一側(cè),并且模擬值和監(jiān)測(cè)值較接近,模擬得到的沉降值稍小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。因此,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值間存在一定差異,但兩者差距較小且總體變形規(guī)律大致相同,驗(yàn)證了該模型的合理性。

表4 塔臺(tái)周邊沉降監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比
為研究不同開(kāi)挖順序?qū)又苓叚h(huán)境的影響,通過(guò)數(shù)值模擬新增2種施工工況,即工況2和工況3,新增的2個(gè)工況除開(kāi)挖順序與工況1不同外,其余設(shè)置均一致。工況2采用從中間向兩邊開(kāi)挖施工順序,開(kāi)挖順序如圖10所示。工況3采用跳倉(cāng)開(kāi)挖施工順序,開(kāi)挖順序如圖11所示。

圖10 從中間向兩端開(kāi)挖工況

圖11 跳倉(cāng)開(kāi)挖工況
1)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地層的影響
基坑開(kāi)挖對(duì)地層的影響主要表現(xiàn)為地層豎向沉降變形,體現(xiàn)在周邊地表沉降和坑底土體隆起。3種開(kāi)挖工況下基坑與塔臺(tái)連線中間位置處豎向位移變形歷時(shí)曲線對(duì)比如圖12所示,3種工況下基坑中間位置處隆起變形歷時(shí)曲線對(duì)比如圖13所示。

圖12 基坑與塔臺(tái)連線中間位置豎向變形歷時(shí)曲線

圖13 基坑中間位置隆起變形歷時(shí)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(duì)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(kāi)挖對(duì)基坑的最終隆起值影響不大,但在基坑開(kāi)挖過(guò)程中工況2的開(kāi)挖方式將引起地表隆起明顯提前,采取工況3的開(kāi)挖方式能有效延后坑底隆起。
塔臺(tái)與基坑開(kāi)挖連線中點(diǎn)位置處地表隨施工階段的進(jìn)行水平位移變形歷時(shí)曲線對(duì)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(kāi)挖方式對(duì)于控制周圍地表水平位移最有利。

圖14 基坑與塔臺(tái)連線中間位置水平變形歷時(shí)曲線
2)基坑開(kāi)挖對(duì)邊坡的影響
基坑北側(cè)第1層為放坡開(kāi)挖,第2,3層土體開(kāi)挖支護(hù)形式為鉆孔灌注樁,基坑南側(cè)3層土體均采用三級(jí)放坡開(kāi)挖形式。3種工況下基坑南、北側(cè)坡頂中間位置豎向變形歷時(shí)曲線對(duì)比如圖15所示。由圖15可知,隨著開(kāi)挖深度增加,邊坡豎向變形逐漸增大;在開(kāi)挖第3層土體時(shí),由于距離北側(cè)邊坡較近,北側(cè)邊坡沉降值發(fā)生突變,而南側(cè)邊坡距離第3層土體開(kāi)挖較遠(yuǎn),該側(cè)邊坡變形值不大。對(duì)于北側(cè)邊坡坡頂沉降,最終沉降值從高到低排序?yàn)楣r1>工況2>工況3,其中工況3開(kāi)挖方式對(duì)于減少北側(cè)邊坡坡頂沉降效果最明顯。對(duì)于南側(cè)邊坡坡頂沉降,工況3南側(cè)邊坡最終沉降值略小于其他2種工況,并且在開(kāi)挖過(guò)程中,工況3能有效延后南側(cè)邊坡坡頂沉降。綜合來(lái)看,采用工況3開(kāi)挖方式更有利于控制基坑邊坡沉降。

圖15 基坑南、北側(cè)坡頂中間位置豎向變形歷時(shí)曲線
3種工況下的基坑南、北側(cè)坡頂中間位置水平變形歷時(shí)曲線對(duì)比如圖16所示。對(duì)于基坑北側(cè)邊坡,工況3邊坡最終水平變形小于其他2種工況。對(duì)于基坑南側(cè)邊坡,3種工況最終水平變形幾乎一致,但在開(kāi)挖過(guò)程中采用工況3開(kāi)挖方式能有效延后基坑邊坡水平變形。綜合來(lái)看,采用工況3開(kāi)挖方式更有利于控制邊坡水平變形。

圖16 基坑南、北側(cè)坡頂中間位置水平變形歷時(shí)曲線
3)基坑開(kāi)挖對(duì)塔臺(tái)的影響
工況1基坑土體最終開(kāi)挖完成后塔臺(tái)結(jié)構(gòu)傾斜如圖17所示。由圖17可知,根據(jù)位移矢量,可以發(fā)現(xiàn)在基坑開(kāi)挖完成后,整個(gè)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出沿y軸負(fù)方向斜向下的傾斜,即向基坑內(nèi)傾斜。

圖17 工況1下基坑開(kāi)挖后塔臺(tái)結(jié)構(gòu)傾斜云圖(單位:mm)
工況1下基坑土體最終開(kāi)挖完成后的塔臺(tái)基礎(chǔ)沉降如圖18所示。可以看出,塔臺(tái)基礎(chǔ)遠(yuǎn)離基坑結(jié)構(gòu)變形較小,靠近基坑一側(cè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形較大。

圖18 工況1下基坑開(kāi)挖后塔臺(tái)基礎(chǔ)沉降云圖(單位:mm)
3種工況下塔臺(tái)整體與基礎(chǔ)變形值與傾斜率如表5所示。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的建筑物地基允許變形值如表6所示。可以發(fā)現(xiàn),基坑開(kāi)挖對(duì)塔臺(tái)及基礎(chǔ)傾斜影響較小,均在規(guī)范要求范圍內(nèi),其中工況2對(duì)于塔臺(tái)傾斜最不利,采用工況1或工況3開(kāi)挖方式較工況2來(lái)說(shuō)更有利于控制塔臺(tái)不均勻沉降。

表5 3種工況下塔臺(tái)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)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(tái)最大沉降歷時(shí)曲線如圖19所示。由圖19可知,3種工況下塔臺(tái)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(kāi)挖第1層基坑時(shí),不同工況對(duì)于塔臺(tái)最大沉降的影響不大,而在開(kāi)挖第2,3層基坑時(shí),工況2對(duì)塔臺(tái)的沉降影響明顯大于其他2種工況。相對(duì)于依次開(kāi)挖和跳倉(cāng)開(kāi)挖2種工況在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)塔臺(tái)沉降的影響,工況3能有效延后塔臺(tái)沉降,因此采取跳倉(cāng)開(kāi)挖施工方式更有利于控制塔臺(tái)沉降。

圖19 3種工況下塔臺(tái)最大沉降歷時(shí)曲線
綜合分析可知:①對(duì)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(kāi)挖方式最不利,采取工況3開(kāi)挖方式對(duì)于控制變形最為有利;②對(duì)于北側(cè)邊坡坡頂變形,工況3開(kāi)挖方式對(duì)于減少北側(cè)邊坡坡頂變形的效果最明顯。對(duì)于南側(cè)邊坡坡頂變形,工況3在開(kāi)挖過(guò)程中能有效延后邊坡坡頂變形;③3種工況下的塔臺(tái)變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi),其中工況3能有效延后塔臺(tái)沉降,因此采取跳倉(cāng)開(kāi)挖方式更有利于控制塔臺(tái)沉降。綜上所述,采用工況3開(kāi)挖方式對(duì)于控制基坑周圍地層及建筑物變形更有利。
本文基于南寧空港綜合交通樞紐基坑工程,通過(guò)有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,將分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型參數(shù)選取的合理性和準(zhǔn)確性,對(duì)比不同開(kāi)挖順序?qū)χ車貙蛹八_(tái)的影響,并得到如下結(jié)論。
1)隨著基坑開(kāi)挖進(jìn)行,塔臺(tái)沉降逐漸增大,塔臺(tái)靠近基坑一側(cè)的局部沉降變形稍大,但總體來(lái)看沉降較小,符合高層建筑物相關(guān)沉降傾斜規(guī)范。通過(guò)分析實(shí)際工程情況可得到,由于塔臺(tái)基礎(chǔ)埋置深度較大,基礎(chǔ)剛度較大,且基礎(chǔ)實(shí)際嵌固在基巖中,由于開(kāi)挖而導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)改變不足以使建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化。
2)對(duì)比3種工況,從中間向兩端的開(kāi)挖方式對(duì)于控制塔臺(tái)沉降最不利,依次開(kāi)挖和跳倉(cāng)開(kāi)挖2種工況下塔臺(tái)最終沉降值接近,但跳倉(cāng)開(kāi)挖能有效延后塔臺(tái)沉降,對(duì)于控制塔臺(tái)沉降變形更有利。
3)局部場(chǎng)區(qū)樞紐基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)既有機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響,但影響程度較小,在實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程中,要嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工,注重對(duì)塔臺(tái)及基坑周邊地表監(jiān)測(cè),嚴(yán)格確保施工過(guò)程中的安全。