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地下车站与临近高层建筑同步施工相互影响分析陈春强

发表时间：2020/7/22 来源：建筑模拟2020年第6期作者：陈春强

[导读] 以珠三角城际轨道交通某地下车站及临近同步建设的高层建筑为例，利用Midas GTS/NX建立三维数值模拟分析模型，并考虑该地区花岗岩残积土遇水软化及高层塔楼风荷载作用的不利影响，分析车站基坑开挖与高层建筑同步建设施工过程及项目使用阶段相互影响，提出基坑支护针对性加强措施，结果显示计算结果与实测值比较接近，验证了三维数值模拟分析比较符合实际受力情况，为类似项目建设提供了有益参考。

        中铁四院集团广州设计院有限公司
        摘要：以珠三角城际轨道交通某地下车站及临近同步建设的高层建筑为例，利用Midas GTS/NX建立三维数值模拟分析模型，并考虑该地区花岗岩残积土遇水软化及高层塔楼风荷载作用的不利影响，分析车站基坑开挖与高层建筑同步建设施工过程及项目使用阶段相互影响，提出基坑支护针对性加强措施，结果显示计算结果与实测值比较接近，验证了三维数值模拟分析比较符合实际受力情况，为类似项目建设提供了有益参考。
        关键词：地下车站；基坑开挖；同步施工；数值分析

        一、引言
        随着城市建设的快速发展，交通拥堵问题日益严重，发展轨道交通成为当下之急，轨道交通的发展同时也带动城市发展，特别是临近轨道交通车站周边地块是开发建设的热点地区。常规的建设时序为一方先施工回筑到地面时，另一方再施工。由于轨道交通车站基坑面积和深度均比较大，建设工期长，当轨道交通车站建设与临近地块建设工期无法协调，则面临车站与临近建筑同步建设的难题，其工程风险也会增加。其主要风险因素有：1）地下车站基坑开挖卸土对导致周边应力场和变形场发生改变，从而引起高层建筑基础发生沉降，结构倾斜；2）临近高层建筑荷载大且较集中，传至地基的附加荷载经应力扩散后，转化为作用在车站基坑支护结构上的附加荷载，会进一步引起支护结构变形增大，从而危机高层建筑的安全。因此需要对二者同步施工进行数值模拟分析，为车站基坑支护及高层建筑地基基础设计采取合理措施提供依据。
        二、项目概况
        城际轨道交通线路运行时速为200km/h，车站主体为地下两层车站，基坑开挖深度约20.0m，采用明挖顺做法施工，支护型式为：800mm厚地下连续墙+1道砼支撑及4道钢支撑（含一道换撑，钢支撑为φ609*16）。临近高层建筑为一栋地上24层，地下一层的建筑，总高度88.6m，地下外墙距离车站地连墙边约4m。基础采用桩筏基础，基础埋深约4m，桩型为φ600PHC预应力管桩基础，持力层为强风化花岗岩，强风化岩面起伏较大，部分桩底落于基坑开挖深度范围内。二者关系见图1。

        图1 车站与临近高层建筑关系图
        三、工程地质及水文条件
        项目场地地貌类型为珠江三角洲冲积平原区。场地地形较为平坦，场地内地层按时代与成因从上往下有：1、第四系人工堆积层（Q4ml）、2、第四系冲积相冲积层（Q4m+al）、3、第四系坡残积层（Q4dl+pl）、4、震旦系二长花岗岩（Z）。地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，勘察期间测得地下水稳定水位埋深1.50～4.80m。其中靠车站与高层建筑之间土层从上往下分布有：素填土、淤泥中黏土、粉质黏土、粉砂、全风化二长花岗岩、强风化二长花岗岩、中风化二长花岗岩，其中全风化及强风化花岗岩虽承载力高，但浸水软化、崩解。其主要物理力学性质指标如表1所示。
        表1 土层主要物理力学指标表

四、计算分析思路及计算模型
        根据两个项目的工期计划，车站基坑正在施工地连墙，高层建筑已完成桩基础及负一层地下室，正在地上结构施工，经综合判断最不利工况按高层建筑结构封顶后，即房屋基础超载最大时候，车站基坑开始下挖考虑。高层建筑重量按18KN/m2每层考虑。为合理考虑基础在开挖阶段超载，对高层建筑重量区分基坑开挖阶段及使用阶段分析的荷载，荷载分析见表2。
        本项目临近高层建筑高度较高，且主迎风面与基坑受力方向相同，考虑到高层地下室底板及部分桩基位于基坑开挖范围内，影响分析中考虑高层风荷载的不利影响，风荷载基本风压按50年一遇考虑，建筑各层风压标准值按《建筑结构荷载规范》计算。为考虑坑底风化花岗岩遇水软化的不利影响，对坑底1.5m范围内风化花岗岩通过降低其模量至正常情况的1/2来模拟。三维整体计算模型见图2，模型剖面见图3。
        采用四个模型对比分析同步建设相互影响，其中模型1、2采用原车站基坑方案，模型3、4对车站基坑的内支撑结构进行加强，模型类型说明见下表3。

        图2 三维有限元计算整体模型

        图3 模型剖面图
        表2 高层建筑荷载分析表   KN/m2

表3 模型类型说明表

计算分析采用MIDAS GTS/NX有限元软件，施工阶段分析采用的是累加模型，模拟施工步骤见表4。岩土材料采用MIDAS GTS/NX提供的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。车站结构、地连墙及支撑等构件采用线弹性模型。模型四周节点约束法向位移，底部各节点铰接。模型计算范围为：计算深度为50m，宽度为200m，长度为260m。
        表4 模拟施工步骤

五、基坑开挖阶段影响分析计算结果
        通过MIDAS GTS/NX有限元计算，三个模型各种工况下最大变形及内力对比见下表5～7。
        表5 各工况基坑横向最大变形汇总表           mm

注：向基坑内变形为正值，反之为负。
        表6 车站基坑结构各工况最大内力汇总表

表7 高层塔楼基础各工况最大变形汇总表

注：横向变形为向基坑内变形为正，竖向变形向下为正，反之为负。
        根据计算结果可以判断，采用原基坑方案情况下，考虑高层建筑影响，因基础底板超载与高层风荷载的增加，同时考虑坑底土层软化不利影响，引起了基坑水平变形的增加，钢支撑轴力增大。基坑最大横向水平位移42.53mm>[30]mm，钢支撑轴力为2912KN，轴力增幅为39.3%，应力为225Mpa>[215]Mpa，超出规范允许值范围，应对车站基坑内支撑进行加强。
        根据表5、表6所示，提高内支撑刚度及承载力是加强基坑支护的主要措施，采用φ800*20钢管支撑替换原基坑4根φ609*16钢支撑。加强后的支护方案主要计算结果云图见图4，基坑横向最大水平位移下降至29.56<[30]mm，钢支撑轴力为3107KN，应力为126Mpa>[215]Mpa，满足规范限值要求。根据模型3与模型4计算结果对比分析，考虑坑底土层软化与高层风荷载不利影响，对基坑、高层建筑变形及支撑轴力等均有所增大，但幅度不大。
        对基坑采取加强方案后，基坑开挖过程引起高层建筑基础侧向变形由14.9mm减小为10.6mm，竖向位移由8.3mm为4.2mm，相邻柱不均匀沉降最大为1.3mm<0.002l=[3.5]mm，满足《建筑地基基础设计规范》要求。高层塔楼桩基剪力设计值181.75×1.25= 226.25kN<[273kN]，弯矩设计值50.85×1.25=63.56kN<[186]kN·m，可满足预应力管桩基础承载力要求。

        图4 加强后基坑方案主要计算结果云图
        六、使用阶段对车站影响分析结果
        由于车站与高层塔楼的空间横向、竖向关系近，距离均约为4m，高层塔楼采用桩筏基础，在使用阶段的活荷载会进一步加大，占总建筑物荷载的16%。在使用阶段建筑基础超载会传至车站主体结构上，引起车站主体结构变形增大，经计算分析，结果云图见图5，高层建筑使用活载满载工况下，车站结构临近高层建筑一侧结构变形为约0.2mm，小于《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）铁运（2012）83号》中200～250km/h线路轨道静态几何尺寸作业验收标准中轨距±1.0mm容许偏差要求，且不会危及铁路运营及车站结构安全。

        图5 车站结构在高层建筑使用阶段变形云图
        七、实际监测结果
        在车站基坑及高层建筑同步施工过程中，对基坑与高层建筑均进行了位移及沉降监测，监测结果与分析结果对比汇总见表8。经对比分析，模拟计算结果与实际监测结果基本吻合，除基坑最大横向水平变形超过规范限值外，其余监测的变形都在规范允许范围内，初步判断因钢支撑架设不及时，造成地连墙变形增大，但钢支撑内力较计算值小。目前地下车站及高层建筑均已竣工，情况良好。
        表8 模拟计算与实际监测汇总表

         八、总结与建议
        1、地下车站深基坑开挖阶段需重点研究临近高层建筑物基础超载引起的基坑支护结构变形及内力变化，可区分高层建筑施工过程中不同阶段荷载加载情况，与基坑施工相匹配，在确保基坑及高层建筑安全同时，可优化基坑的加强措施。
        2、高层风荷载及坑底风化花岗岩遇水软化对计算结果虽影响不大，但实际监测结果的主要变形值超过计算值，所以考虑其不利影响是有必要的。
        3、影响地连墙水平变形因素较多，特别是支撑架设需及时，才能充分发挥支撑作用，控制基坑及临近高层建筑变形。
        4、三维有限元数值模拟分析作为当下安全影响分析常用手段，能一定程度反映工程实际情况，但应注意选择合理计算参数，考虑准确计算工况，才能取得较为正确的计算结果。
        参考文献：
        [1]乐师军．大型基坑施工对临近运营地铁影响分析[J] ．现代城市轨道交通．2020（1）．
        [2]江智鹏．基坑开挖方式对轨道交通结构变形影响分析[J] ．铁道工程学报．2019（6）．
        [3]GB50009-2012．建筑结构荷载规范[S]．
        [4]GB50007-2011．建筑地基基础设计规范[S]．
        [5]JGJ 120-2012．建筑基坑支护技术规程[S]．
        [6]铁运（2012）83号．高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）．