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摘要:随着我国经济的迅速发展,城市化进程的加快,致使城市用地日益紧张、交通拥堵不断发生,开发地下空间、建设轨道交通已成为一种必然趋势。目前,大城市地下空间施工所需的基坑朝着深大的方向发展,因此,深大基坑如何与周边环境和谐共存成为工程各方关注的焦点和施工控制的难点,尤其在中心城区大型地下空间综合开发项目的深基坑分块施工或多个项目同时施工造成相邻的多个基坑搭接、同步开挖,这种深大群坑施工工况给工程界带来新的挑战。本文以深圳地铁11号线后海站为例,通过运用MIDAS/GTS软件建立三维有限元分析模型,对群坑工程进行模拟分析,提前预测了群坑工程的耦合效应,为施工提供了可靠的安全保障。
关键词:深圳地铁,深大基坑,群坑效应
1引言
随着城市功能的扩展、轨道交通的迅速发展、中心城区用地的减少,越来越多组合多种城市功能的区域性超大型基坑将会出现,并且这些基坑往往与轨道交通基坑伴生或上下套叠。这些基坑的出现不同于以往的单一基坑,其对施工技术及环境保护技术的要求将更为复杂。
基坑群开挖作用结果与单个基坑开挖不同,与基坑群的形状、大小、空间相对位置、施工顺序有关,这些作用与其作用结果共同组成“群坑效应”。由于基坑的大小、形状、深度的不同,会影响基坑间的相互作用效果,也会影响对周边环境的叠加影响效果,群坑的这些特点与其所带来的问题就是“群坑效应”。
本文使用MIDAS/GTS软件建立三维有限元分析模型,模拟后海站群坑开挖过程中对周围土体的影响范围、地面沉降量等,定性分析了群坑之间的相互影响。
2工程概况
深圳地铁11号线后海站位于南山区海德三道与后海滨路交叉口处,沿海德三道呈东西向布置,为地下三层换乘站,站前设停车线,停车线上方形成两层物业空间。本站与正在运营的2号线采用通道换乘,与规划的前海环线、15号线远期预留远期换乘条件。车站周边为南山商业中心,规划高层建筑密集。后海站为明挖车站,设计为地下三层,车站总长496m,车站总建筑面积60600m2。
图2.后海站基坑支护横断面图
后海站场地内地层自上而下依次为:素填土、淤泥及填石层、中粗砂层、砾质粘性土层、全、强风化岩。后海站基坑南侧为鹏润达基坑,北侧为航天国际中心基坑、卓越后海写字楼基坑,各基坑之间的位置关系见下图3。航天国际中心基坑最先施工,航天基坑支护施工完成后,卓越后海写字楼基坑开始施工;卓越基坑支护施工完成后,鹏润达项目基坑与后海站基坑准备施工,鹏润达基坑施工稍微领先于后海站基坑。后海站主体围护结构采用1000mm厚地下连续墙,基坑开挖深度为26.9m,后海站基坑竖向设置5道支撑,其中第1、4道为钢筋混凝土支撑,其余为钢支撑。周边各基坑开挖深度均在26m左右,其中航天科技广场和卓越大厦基坑采用双排桩+锚索,鹏润达商业广场采用环形内混凝土内支撑结构。
图4.后海站群坑施工现场图
3群坑工程同步施工的计算分析
3.1计算模型及工况
本次分析采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS进行计算。为研究施工过程中各构件的荷载效应,以便指导设计,经综合考虑,采用三维有限元模型分别进行分析。土体模型采用三维体单元模拟,基坑围护结构、车站围护结构采用二维平面单元,桩、支撑等采用一维梁单元模拟。
本次分析主要考虑航天科技基坑、卓越大厦基坑、后海站地铁基坑及鹏润达基坑先后开挖的围护结构位移及地面沉降影响,计算过程分为13个工况,工况1:初始地应力计算。位移清零。工况2:航天科技基坑及卓越大厦基坑围护结构完成。工况3:航天科技基坑及卓越大厦基坑第一次开挖。工况4:航天科技基坑及卓越大厦基坑第二次开挖。工况5:航天科技基坑及卓越大厦基坑第三次开挖。工况6:航天科技基坑及卓越大厦基坑回筑完成。工况7:后海站地铁基坑及鹏润达基坑围护结构完成。工况8:后海站地铁基坑及鹏润达基坑第一次开挖。工况9:后海站地铁基坑及鹏润达基坑第二次开挖,并设置第一道支撑。工况10:后海站地铁基坑第三次开挖,并设置第二道支撑。工况11:后海站地铁基坑第四次开挖,并设置第三道支撑;鹏润达基坑第三次开挖,并设置第二道支撑。工况12:后海站地铁基坑第五次开挖,并设置第四道支撑。工况13:后海站地铁基坑及鹏润达基坑开挖至坑底,并设置最下一道支撑。
图8.基坑围护结构侧向位移云图(m)
由计算结果可知:当后海站地铁基坑及鹏润达基坑开挖至坑底,并设置最下一道支撑完成后,后海站地铁基坑围护结构的最大水平变形为19.1mm;鹏润达基坑围护结构的最大水平变形为25.9mm;地面最大竖向变形为21.9mm(沉降)。
实际监测数据显示,鹏润达围护结构侧墙位移达到了6cm,测斜位移较大,但是得益于鹏润达采用环状混凝土支撑梁形式,有效的抵抗部分位移。而后海站第二、三道钢支撑轴力也显示,得益于第四道混凝土支撑配置了40根28的主筋,提高了混凝土支撑的抗拉,抗压能力,基坑未发生明显的变形。
3.2群坑开挖对周围土体的影响范围
图9和图10为在实际施工工况情况下,航天科技和后海站施工结束时周围土体竖向位移云图。
图10.后海站基坑开挖后地层位移场云图
从图中可以看出:在航天科技基坑施工结束后,受影响的土体还仅限于航天科技基坑周围区域,显典型基坑变形沉降规律,影响宽度约1.5~2倍基坑深度范围;而当鹏润达、后海站基坑施工完后,土体影响范围远超过车站周边区域,群坑开挖对周围土体的影响大于单个基坑开挖影响范围的线性迭加。
3.3群坑开挖对邻近地下建筑地面沉降量的影响
群坑开挖过程中,对航天科技周边地面计算和监测数据结果如图11和图12所示:
图11.航天科技地面沉降
图12.航天科技地面监测沉降
从图中可以看出:
1)群坑开挖期间,随着邻近后海站基坑的基坑开挖,地面沉降持续下降。
2)但是车站和鹏润达开挖期间,车站和航天科技间的地面沉降以及车站和鹏润达基坑间的沉降呈下降趋势,计算结果和监测数据一致。但车站和航天科技间的地面沉降小于车站和鹏润达之间的基坑沉降,说明基坑同时开挖对基坑的影响大于分开开挖的影响。
3.4群坑开挖各基坑之间的相互影响
在实际开挖工况中,三个基坑开挖卸载和结构施筑加载已经在周围土体的应力场和位移场中产生了群坑开挖的耦合效应,因此,通过分析后海站基坑地下连续墙的变形随模拟工况的变化可以说明群坑开挖各基坑之间是否存在相互影响。
图13.后海站地连墙初始与开挖后侧向变形曲线
图14.后海站地连墙初始与开挖后侧向变形监测曲线
从图13中可以看出,在基坑开挖结束时地下连续墙的最大变形为15mm,基坑开挖前,地下墙已经产生了7mm的初始变形,在最终形变量中约占30%,说明基坑开挖各基坑间的影响较为明显,群坑耦合效应不能忽视。
4小结
本文对群坑开挖的数值计算结果作了较详细地分析,结果表明:群坑开挖对环境的影响以及群坑开挖各基坑围护结构的位移和内力与单个基坑开挖不同,存在明显的群坑耦合效应。现总结如下:
1)在航天科技基坑施工结束后,受影响的土体还仅限于航天科技基坑周围区域,而当鹏润达、后海站基坑施工完后,土体影响范围较大,群坑开挖对周围土体的影响大于单个基坑开挖影响范围的线性迭加。
2)群坑开挖期间,随着邻近后海站基坑的基坑开挖,航天科技的竖向位移和水平位移影响不大,但是地面沉降持续下降,至基坑开挖、回筑后开始沉降趋于稳定。
3)单独基坑开挖,各自围护墙变形形状为对称分布;两基坑同步开挖,各自围护墙变形形状为不对称分布,表现为与鹏润达相邻侧围护墙变形大于与航天科技相邻围护墙变形。而与后海站相邻侧,鹏润达基坑围护桩变形小于与单独开挖基坑围护桩变形。
4)后海站第四道支撑原设计采用双拼钢支撑,通过群坑效应计算分析,由于基坑下部的支撑受力较大,容易产生失稳,而且下部受到相邻基坑开挖而导致地下连续墙向坑外偏移,因此将钢支撑调整为混凝土支撑,对墙体位移提前进行了控制,杜绝了安全隐患。
参考文献:
[1]耿进柱,张海荣,赵永光.建筑基坑群坑施工耦合效应及其控制技术[J].建筑施工,2009,31(9):746~750.
[2]李新星.邻近基坑开挖的运营地铁车站结构安全度分析[J].岩土力学,2009,30(增刊2):382~386