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摘要:地鐵建設(shè)一般位于城市繁華地段，周邊超高層建筑較多，在地鐵基坑開(kāi)挖過(guò)程中，如何保證基坑的開(kāi)挖安全和超高層建筑物不產(chǎn)生破壞，一直是地鐵基坑開(kāi)挖的難題。以北京地鐵14號(hào)線麗澤商務(wù)區(qū)站基坑開(kāi)挖為依托，考慮地鐵車站臨近超高層建筑物的相互影響，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和分析預(yù)測(cè)，確定超高層建筑變形控制指標(biāo)、地鐵基坑支護(hù)及開(kāi)挖要求，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證了這種方法的合理性。

關(guān)鍵詞:數(shù)值模型;結(jié)構(gòu)參數(shù);超高層;基坑開(kāi)挖

1概述

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市用地日趨緊張，發(fā)展利用地下空間已成為首要選擇，城市地下空間利用越來(lái)越多［1］。隨著高層建筑、地鐵及其他大型市政設(shè)施的建造，促使基坑工程快速發(fā)展。地鐵車站一般建設(shè)在城市繁華區(qū)段，周圍建筑物、道路、管線及其他市政設(shè)施密集，對(duì)基坑變形要求嚴(yán)格［2］?；娱_(kāi)挖前，土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)基坑內(nèi)土體開(kāi)挖卸載后，打破原有的平衡，引起土體應(yīng)力變化［3］，坑底土體產(chǎn)生回彈變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形、基坑周邊地面沉降(隆起)，從而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響［4］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果。張維來(lái)等通過(guò)對(duì)地鐵深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境的影響研究，得出在深基坑建設(shè)過(guò)程中對(duì)周圍的建筑物進(jìn)行地面注漿和袖閥管注漿效果明顯;馮曉臘等［5］通過(guò)復(fù)雜條件下基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境變形影響的數(shù)值模擬分析，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建(構(gòu))筑物及土體的變形均滿足規(guī)范關(guān)于變形控制的要求;孫明祥［6］通過(guò)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物的影響研究，得出基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物的影響較小，均在控制范圍以內(nèi);張旺生［7］通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響研究，得出開(kāi)挖基坑前對(duì)周圍建筑的加固措施能有效地減少基坑開(kāi)挖對(duì)建筑的影響;施有志等［8］通過(guò)地鐵深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響分析，得出鄰近建筑物越靠近基坑部分受基坑開(kāi)挖影響越大，基坑開(kāi)挖后，鄰近建筑物結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為沉降和指向基坑的水平位移;奚家米等［9］通過(guò)基于時(shí)空效應(yīng)的深基坑工程變形規(guī)律分析，得出變形主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖階段，底板可以有效地控制基坑自身和周圍環(huán)境的變形;孫超等通過(guò)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響研究，得出對(duì)于淺基礎(chǔ)建筑物，在距離基坑0．6H～0．8H(H為基坑開(kāi)挖深度)處建筑物沉降和地表沉降差異較大，建筑物表現(xiàn)為不均勻沉降;孫小力等通過(guò)地鐵基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬及變形特征研究，得出開(kāi)挖過(guò)程中，地下連續(xù)墻沿深度方向的水平位移曲線近似呈“弓”形，且隨著開(kāi)挖深度的增加“弓”形趨勢(shì)越大;宋旭輝［10］通過(guò)地鐵基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物沉降的影響研究，得出建筑沉降量隨著基坑間距的增加，均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且隨著基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度以及建筑物強(qiáng)度的增加逐漸減小;秦勝伍等通過(guò)基坑開(kāi)挖與支撐拆除對(duì)周圍環(huán)境影響的研究，得出支撐拆除階段與基坑開(kāi)挖階段的變形規(guī)律一致，受時(shí)空作用影響明顯，“中間大、兩邊小”;郭家武等［11］通過(guò)深基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析，得出基坑變形大的位置主要發(fā)生在深基坑開(kāi)挖的長(zhǎng)邊中部，隨著深度的加大，變形起初是增大的，到達(dá)一定深度變形最大，隨后由于土體的約束作用使得變形減小。以上主要對(duì)基坑施工引起的周邊環(huán)境變形及其規(guī)律開(kāi)展的研究，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下通過(guò)建立開(kāi)挖卸荷數(shù)值模型計(jì)算分析超高層建筑容許變形能力，從而確定超高層建筑變形控制指標(biāo)、地鐵基坑支護(hù)及開(kāi)挖要求，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證其合理性，研究較少。本文對(duì)上述方法進(jìn)行了分析研究，為類似工程提供參考借鑒［12］。

2工程概況

2．1地鐵麗澤商務(wù)區(qū)站概況

麗澤商務(wù)區(qū)站位于規(guī)劃的麗澤商務(wù)區(qū)核心區(qū)域，是地鐵14號(hào)線與16號(hào)線的十字換乘站，位于麗澤路與駱駝灣西路交叉路口處，車站東西向?yàn)?4號(hào)線，總長(zhǎng)355m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為27．5m，頂板覆土厚度為4．2m，底板埋深19．6m，建筑面積25092．22m2，地下2層(局部1層、3層)三跨結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁(地連墻)+錨索支護(hù)體系，詳見(jiàn)圖1，圖2。

2．2麗澤SOHO建筑概況

基坑中部靠南側(cè)為麗澤SOHO建筑，地上45層，主體為框架－核心筒混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板體系，結(jié)構(gòu)高度191．50m，主要柱網(wǎng)跨度為9m，13．5m，地下共4層，地下室頂板覆土厚度為0．6m～3．0m，為框架－剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)，地下1層～4層采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板體系。裙房和車庫(kù)采用抗拔灌注樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，樁徑0．6m、有效樁長(zhǎng)12．0m，單樁豎向抗拔承載力特征值1200kN。主體結(jié)構(gòu)核心筒部分采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度3．0m，純地下室部分采用梁式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度0．6m，局部1．9m。主樓采用鉆孔灌注樁，樁徑0．85m、樁長(zhǎng)16．5m，樁端持力層為第(6)層卵石土，單樁豎向抗壓承載力特征值Ｒa=10000kN。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2．3地鐵車站與臨近麗澤SOHO位置關(guān)系

麗澤SOHO位于14號(hào)線麗澤商務(wù)區(qū)站南側(cè)，地下室東西向120m范圍臨近地鐵車站，麗澤SOHO與地鐵車站共用此范圍內(nèi)的圍護(hù)樁，地鐵地下2層主體結(jié)構(gòu)距離麗澤SOHO地下室水平約14．9m;地下1層主體結(jié)構(gòu)距離麗澤SOHO地下室水平約3．6m。地鐵基坑底距離麗澤SOHO基礎(chǔ)底豎向約1．5m。麗澤SO-HO為地鐵基坑施工的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。麗澤SOHO與地鐵相對(duì)位置平面圖見(jiàn)圖3，麗澤SOHO與地鐵相對(duì)位

3工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

地層自上而下為:雜填土①1層，粉土填土①層，粉土②層，細(xì)砂②3層，圓礫，卵石②5層，卵石，圓礫⑤層，卵石⑦層?；字饕挥诼咽邔?，其中14號(hào)線地下1層部位位于卵石、圓礫⑤層。車站主要賦存有1層地下水，其類型為潛水。潛水主要賦存于工程地質(zhì)剖面圖中的⑦層中。平均穩(wěn)定水位標(biāo)高為23．2m，位于14號(hào)線基底以下1m，位于16號(hào)線。

4超高層麗澤SOHO荷載作用下計(jì)算模型分析

本文主要采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬計(jì)算和分析預(yù)測(cè)，地下結(jié)構(gòu)采用荷載－結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算，數(shù)值模擬計(jì)算采用YJK和Midas-gen進(jìn)行建模計(jì)算(見(jiàn)圖5)。麗澤SOHO為超高層建筑，對(duì)差異沉降較為敏感，此次計(jì)算采用在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上(臨近地鐵側(cè))施加豎向強(qiáng)制位移的方法，來(lái)模擬地鐵施工過(guò)程中產(chǎn)生的沉降變形，進(jìn)而驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)承載力及變形，保證主體結(jié)構(gòu)的安全，確保其產(chǎn)生的變形滿足規(guī)范要求且不影響正常使用。本文計(jì)算中假定:1)假定既有建筑結(jié)構(gòu)為線彈性材料;2)假定地鐵施工處于正常良好控制的條件下;3)假定既有建筑物結(jié)構(gòu)在項(xiàng)目施工前為均勻沉降，結(jié)構(gòu)內(nèi)力未發(fā)生變化。對(duì)主體結(jié)構(gòu)采用有限元分析軟件Midas-gen建立數(shù)值分析模型，對(duì)框架結(jié)構(gòu)主要梁、柱受力構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M，剪力墻、樓面板采用板單元模擬。分析地鐵車站施工對(duì)麗澤SOHO建筑物的影響，考慮最不利原則，通過(guò)在臨近地鐵側(cè)地下室底板施加豎向強(qiáng)制位移，模擬施工過(guò)程中引起的豎向沉降變形對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。基坑開(kāi)挖施工過(guò)程產(chǎn)生的豎向變形，主要為土體開(kāi)挖產(chǎn)生土體擾動(dòng)引起沉降變形以及土體卸載產(chǎn)生的土拱效應(yīng)，將模型主要計(jì)算工況及其施工階段進(jìn)行劃分，如表2所示。假設(shè)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同豎向差異沉降位移時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力能力與變形結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。分別在支座處施加豎向向下位移8mm和9mm進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與施工圖進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加豎向位移9mm時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不再滿足受力要求。在施加8mm差異沉降位移時(shí)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在各種性能指標(biāo)下的彈性分析，罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析等結(jié)果均滿足超限審查中的性能指標(biāo)要求。受力模型見(jiàn)圖6～圖8。綜合考慮多工況組合下安全系數(shù)及麗澤SOHO主體建成后基礎(chǔ)可能已經(jīng)發(fā)生的差異沉降等因素，施工過(guò)程中麗澤商務(wù)區(qū)站臨近麗澤SOHO的變形控制指標(biāo)確定為:麗澤SOHO地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)豎向變形不大于10mm，差異豎向變形不超過(guò)6mm，變形速率小于1mm/d。既有圍護(hù)樁樁頂水平位移不大于20mm。重點(diǎn)對(duì)麗澤SOHO地下室受力最大的外墻及結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)內(nèi)力及變形監(jiān)測(cè)。

5超高層荷載(麗澤SOHO)作用下基坑開(kāi)挖

5．1基坑支護(hù)體系及開(kāi)挖方式的選用

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的要求，考慮到車站明挖基坑施工將引起臨近土層發(fā)生變形和應(yīng)力調(diào)整，基坑開(kāi)挖過(guò)程相當(dāng)于對(duì)建筑物進(jìn)行卸荷，會(huì)導(dǎo)致麗澤SOHO地基周邊土壓力變小，可能危害周邊建筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全。由于基坑埋深較深，基坑開(kāi)挖過(guò)快時(shí)，上覆土壓力突然減小，會(huì)導(dǎo)致地基土產(chǎn)生向上的應(yīng)力，地基土?xí)a(chǎn)生回彈，從而有可能帶動(dòng)臨近建筑物地基產(chǎn)生向上的變形。沉降和變形通過(guò)地下室結(jié)構(gòu)傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)上部結(jié)構(gòu)傾斜變形和開(kāi)裂等危險(xiǎn)。因此車站基坑采用了圍護(hù)樁(地連墻)+錨索支護(hù)體系，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，利用土體的時(shí)空效應(yīng)，平面將基坑劃分為多個(gè)開(kāi)挖區(qū)段，豎向按錨索劃分開(kāi)挖土層，采取拉槽開(kāi)挖方式進(jìn)行，根據(jù)施工監(jiān)測(cè)建筑物沉降、水平位移等數(shù)據(jù)結(jié)果，并嚴(yán)格控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整單步開(kāi)挖深度、長(zhǎng)度，及時(shí)施工錨索并施加預(yù)加力，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，采取信息化施工?；臃侄纬鐾疗矫嬉?jiàn)圖9。

5．2開(kāi)挖過(guò)程中的指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)測(cè)點(diǎn)布置。在麗澤SOHO結(jié)構(gòu)北側(cè)，考慮開(kāi)挖過(guò)程中地面沉降及SOHO建筑結(jié)構(gòu)能承受的位移，在地鐵車站和SOHO交接處布置建構(gòu)筑物沉降測(cè)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)角處布置建構(gòu)筑物傾斜測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖10。2)監(jiān)測(cè)成果分析基礎(chǔ)豎向變形，變形較大的點(diǎn)位為KJC－01－06，KJC－01－07，KJC－01－08，KJC－01－09，變形值分別為9．8mm，9．84mm，9．91mm，9．01mm，時(shí)間為2021年4月28日，點(diǎn)位分布在SOHO正北、東北方向，期間臨近SOHO處地鐵基坑已開(kāi)挖完成，主體結(jié)構(gòu)尚未施工。豎向差異變形，變形最大的點(diǎn)位為KJC－01－05～KJC－01－06，最大值為3mm。既有圍護(hù)樁樁頂水平位移，變形較大的點(diǎn)位為ZQS－02－06，ZQS－02－07，ZQS－02－08，變形值分別為11．1mm，10．7mm，14．8mm，時(shí)間為2021年5月下旬，點(diǎn)位位于SOHO的東北方向。期間臨近SOHO處地鐵車站主體結(jié)構(gòu)已施工完成，地鐵與SOHO間基坑肥槽尚未回填。

6結(jié)論

1)數(shù)值模擬計(jì)算中，地下結(jié)構(gòu)采用荷載－結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算，超高層建筑對(duì)差異沉降較為敏感，采用在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上(臨近地鐵側(cè))施加豎向強(qiáng)制位移的方法，來(lái)模擬地鐵施工過(guò)程中產(chǎn)生的沉降變形，進(jìn)而驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)承載力及變形，方法合理可行。2)考慮主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析成果，預(yù)留一定程度的變形能力安全儲(chǔ)備，提出既有建筑物的整體變形控制體系，包含完整的變形控制指標(biāo)和分區(qū)域、分階段的變形控制指標(biāo);保證了基坑開(kāi)挖過(guò)程中臨近建筑結(jié)構(gòu)的安全。3)地鐵基坑施工時(shí)選擇合理的施工工序，通過(guò)分層分塊開(kāi)挖，明確重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置和區(qū)域，從結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和受力特性角度出發(fā)提出測(cè)點(diǎn)布設(shè)，實(shí)現(xiàn)信息化施工，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方式，可有效控制基坑變形。

作者:彭海中 單位:北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司