機(jī)場(chǎng)線龍門(mén)站明挖基坑施工引起既有車(chē)站沉降的影響因素分析

機(jī)場(chǎng)線龍門(mén)站明挖基坑施工引起既有車(chē)站沉降的影響因素分析

1地鐵13號(hào)線東南角車(chē)站結(jié)構(gòu)北京軌道交通第一目的地國(guó)際機(jī)場(chǎng)線東門(mén)站位于東門(mén)外道路北側(cè)。車(chē)站沿東西方向配置，13號(hào)線位于北側(cè)，靠近南北。圖1顯示了兩者的平面關(guān)系。由于受道路交通、建(構(gòu))筑物及地下管線的控制,機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜,主體結(jié)構(gòu)分為4段,自西向東依次為:A區(qū)———暗挖段(單層雙連拱結(jié)構(gòu),長(zhǎng)34.57m,寬18.74m),B區(qū)———明挖段(4層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)56.70m,寬22.24m),C區(qū)———明、暗挖段(上、下穿越13號(hào)線東直門(mén)站后折返線區(qū)間,長(zhǎng)32.16m,寬22.24m),D區(qū)———明挖段(5層3跨矩形框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)32.75m,寬22.44m)。地鐵13號(hào)線東直門(mén)站為一座地下車(chē)站,與擬建的東直門(mén)交通樞紐、機(jī)場(chǎng)高速鐵路及地面開(kāi)發(fā)建筑合建在一起設(shè)計(jì)方案為地下層地上層結(jié)構(gòu)自下而上依次為:地下2層(13號(hào)線車(chē)站),地下1層(樞紐人流層),首層(樞紐車(chē)流層),2層(高速鐵路站廳層),3層(高速鐵路站臺(tái)層),4至7層(樞紐開(kāi)發(fā)層)。2002年,先期建成地下2層,其余各層均為遠(yuǎn)期預(yù)留;同年底,處于地下2層的13號(hào)線投入運(yùn)營(yíng),地下1層則暫時(shí)閑置。13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)南北長(zhǎng)160m,東西寬72m,為框架結(jié)構(gòu),其上部預(yù)留結(jié)構(gòu)亦為框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)。該車(chē)站采用明挖法施工,基坑深約16m,除東側(cè)采用放坡開(kāi)挖外,西側(cè)及南、北側(cè)均采用鉆孔灌注樁加錨桿支護(hù)體系。機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)結(jié)構(gòu)與13號(hào)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)凈距僅2.1m,該區(qū)采用明挖法施工,基坑深約27m,采用鉆孔灌注樁加鋼支撐支護(hù)體系?；悠矫嬉?jiàn)圖2,剖面見(jiàn)圖3。2道床混凝土抗壓強(qiáng)度由于13號(hào)線東直門(mén)站建于2002年,為了掌握車(chē)站結(jié)構(gòu)目前的工作狀態(tài),北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司委托市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心第三檢測(cè)所于年2月對(duì)13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)及道床現(xiàn)狀進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果為:(1)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)外觀良好,未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫,無(wú)明顯外觀質(zhì)量缺陷;(2)梁、板、柱構(gòu)件的混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)要求,混凝土碳化深度均小于保護(hù)層厚度;(3)道床混凝土表面平整,不存在蜂窩、麻面等缺陷,但局部小范圍道床表面混凝土有粗糙麻面現(xiàn)象,部分鋼軌下的凸起道床、墊塊存在輕微邊角破損,墊塊邊角處有裂縫,扣件與鋼軌結(jié)合緊密,螺栓之間無(wú)裂紋,道床與底板連接處結(jié)合緊密,無(wú)明顯脫空現(xiàn)象。檢測(cè)報(bào)告表明,13號(hào)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)總體狀況良好。由于機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑施工對(duì)13號(hào)線東直門(mén)站而言是一個(gè)土壓卸載過(guò)程,必然會(huì)引起13號(hào)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)的變形,為確保機(jī)場(chǎng)線基坑施工過(guò)程中13號(hào)線車(chē)站的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全,需要對(duì)13號(hào)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性力學(xué)分析。目的在于:評(píng)估新建明挖基坑施工對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響;根據(jù)行車(chē)安全的要求,綜合各種影響因素,提出新建線明挖基坑施工時(shí)對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的沉降控制指標(biāo)。3有限模型3.1基坑開(kāi)挖引起的變形(1)13號(hào)站南北兩側(cè)自身的圍護(hù)樁仍能有效地承受側(cè)土壓力,13號(hào)線東直門(mén)基坑北側(cè)土體按照靜止土壓力考慮;(2)13號(hào)線東直門(mén)站主體結(jié)構(gòu)與其南側(cè)圍護(hù)樁之間已經(jīng)回填,由于基坑開(kāi)挖前已經(jīng)使用較長(zhǎng)時(shí)間,假定其已經(jīng)完成固結(jié)并密實(shí),且本次施工時(shí)進(jìn)行注漿加固改良,計(jì)算中按照壓桿考慮;(3)經(jīng)水平注漿加固后,13號(hào)線東直門(mén)站底板在開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的土彈簧剛度能恢復(fù)到開(kāi)挖前的剛度,而且不考慮水平注漿滯后于開(kāi)挖的實(shí)際效應(yīng);(4)13號(hào)線東直門(mén)站北端底板不產(chǎn)生水平位移;(5)忽略鋼支撐預(yù)加軸力的影響。3.2樁體的彎矩分析13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站結(jié)構(gòu)在機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑施工期間是否安全,主要看兩個(gè)方面:一是機(jī)場(chǎng)線基坑本身是否安全;二是13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)在發(fā)生變形之后內(nèi)力是否超過(guò)其自身承載能力。機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站的設(shè)計(jì)單位提供了B區(qū)基坑南、北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算書(shū),分別計(jì)算基坑南、北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。計(jì)算北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),將13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站結(jié)構(gòu)作為一種特殊的土層,并通過(guò)虛擬鋼支撐來(lái)模擬南側(cè)樁體的土壓力傳到北側(cè)樁體上的作用。計(jì)算結(jié)果顯示,北側(cè)樁體的彎矩及剪力較南側(cè)樁體小很多,北側(cè)樁體的最大彎矩設(shè)計(jì)值為344.5kN·m,分布在坑外側(cè);而南側(cè)樁體的最大彎矩設(shè)計(jì)值為1266.5kN·m,分布在坑內(nèi)側(cè)。進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí),將13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站結(jié)構(gòu)作為超載考慮,計(jì)算出13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站底板結(jié)構(gòu)的沉降曲線為拋物線,最大沉降值為8.1mm。分析上述計(jì)算過(guò)程,由于機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑屬于不對(duì)稱基坑,而“啟明星”軟件只適用于對(duì)稱基坑的計(jì)算,雖然計(jì)算中采用了虛擬鋼支撐來(lái)模擬鋼支撐的傳力作用,但模擬效果難以評(píng)判。由于計(jì)算模型做了很多簡(jiǎn)化,與實(shí)際情況相差較多,從而直接影響了計(jì)算結(jié)果的可信度。在本工程中,由于機(jī)場(chǎng)線基坑緊鄰13號(hào)線,13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的安全與基坑每一步的施工息息相關(guān),因此,要評(píng)估13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的安全,必須把基坑與13號(hào)線車(chē)站統(tǒng)一建模進(jìn)行計(jì)算。本次評(píng)估計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式,將13號(hào)線車(chē)站及機(jī)場(chǎng)線基坑簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題,選取13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的一個(gè)縱斷面,將13號(hào)線車(chē)站與機(jī)場(chǎng)線基坑共同建模,按照基坑施工順序分步計(jì)算,求出13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,再?gòu)?fù)核其配筋是否滿足要求,從而評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)是否安全。同時(shí),根據(jù)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)尺寸及所配鋼筋,通過(guò)強(qiáng)度控制及裂縫控制兩種工況,可計(jì)算出車(chē)站結(jié)構(gòu)所能承受的最大內(nèi)力,即允許內(nèi)力。將車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與允許內(nèi)力相比較,即可判斷車(chē)站結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),進(jìn)而評(píng)估車(chē)站結(jié)構(gòu)的安全性。3.3桿板及墻構(gòu)件的模擬本次計(jì)算針對(duì)13號(hào)線車(chē)站及機(jī)場(chǎng)線基坑建立平面有限元模型,將車(chē)站內(nèi)梁按剛度等效為板,車(chē)站內(nèi)柱及圍護(hù)樁、鋼支撐按剛度等效為連續(xù)墻,采用SAP2000(V9)程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中對(duì)車(chē)站板、墻構(gòu)件采用板單元進(jìn)行模擬,車(chē)站柱構(gòu)件及基坑圍護(hù)樁、鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。13號(hào)線車(chē)站北側(cè)自身的圍護(hù)樁與13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)之間以只能傳遞壓力,不能傳遞拉力、剪力和彎矩的連桿連接;南側(cè)圍護(hù)樁與機(jī)場(chǎng)線基坑北側(cè)圍護(hù)樁結(jié)合成一體,與13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)之間也以這種連桿連接。13號(hào)線車(chē)站北端底板結(jié)構(gòu)的南北向位移受到限制,因此計(jì)算模型在該斷面的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置水平鉸支座?？紤]到基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施作、拆撐、換撐一般不控制基坑的安全,本次計(jì)算僅選取開(kāi)挖加撐的5步施工步驟,通過(guò)“總量法”進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型見(jiàn)圖4。3.4計(jì)算參數(shù)3.4.1結(jié)構(gòu)特性荷載計(jì)算考慮基本組合工況,結(jié)構(gòu)所受荷載為:恒荷載(分項(xiàng)系數(shù)取1.2),結(jié)構(gòu)自重+土壓力;活荷載(分項(xiàng)系數(shù)取1.35),地面超載(20kPa)+樓面人群荷載(4kPa)。上述荷載分項(xiàng)系數(shù)均按GBJ9—87《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》選取。3.4.2單元節(jié)點(diǎn)土體約束既有車(chē)站底板與新建線區(qū)間底板都受到基底土體的約束,因此計(jì)算模型在車(chē)站底板及區(qū)間底板單元節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了豎直方向的彈簧,模擬土體的約束作用,用以限制結(jié)構(gòu)的豎向位移?？紤]到新建線明挖基坑施工開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)的影響,將處于破裂面范圍內(nèi)的彈簧剛度從0到正常值作線性遞變。4計(jì)算結(jié)果和分析4.1現(xiàn)有車(chē)站沉降變形從計(jì)算分析可以看出,南北兩端底板最大差異沉降為5.0mm,且以拋物線形式過(guò)渡,結(jié)構(gòu)頂板處最大側(cè)向位移為4mm。4.2號(hào)線車(chē)站配筋設(shè)計(jì)對(duì)每一步施工步驟的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)線基坑開(kāi)挖對(duì)13號(hào)線車(chē)站頂板、樓板及柱子的內(nèi)力變化影響較小。下面重點(diǎn)分析13號(hào)線車(chē)站南北側(cè)墻、底板及機(jī)場(chǎng)線基坑圍護(hù)樁的內(nèi)力,其彎矩見(jiàn)圖5～圖7。根據(jù)計(jì)算內(nèi)力值,對(duì)13號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)的控制性部位按照GBJ10—89《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋計(jì)算,并與實(shí)際配筋進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,13號(hào)線東直門(mén)站(地下2層)北側(cè)墻中部所需鋼筋面積超出實(shí)際配筋面積,不滿足受力要求,其余部位的實(shí)際配筋尚有較大余量。同時(shí),根據(jù)計(jì)算出的機(jī)場(chǎng)線基坑圍護(hù)樁體內(nèi)力,按照GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋計(jì)算,并與設(shè)計(jì)配筋進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2的計(jì)算,機(jī)場(chǎng)線基坑圍護(hù)樁的設(shè)計(jì)配筋不滿足受力要求,尤其是北側(cè)樁差得較多。5直門(mén)站b區(qū)基坑施工機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能保證基坑本身的安全性;機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑施工不能保證13號(hào)線東直門(mén)車(chē)站結(jié)構(gòu)的安全;既有車(chē)站的最大差異沉降控制指標(biāo)取5mm;應(yīng)加強(qiáng)機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站B區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),可采取如調(diào)整鋼支撐布置、增大樁徑、增加樁體配筋等措施。6預(yù)應(yīng)力錨索的增加根據(jù)評(píng)估結(jié)論,設(shè)計(jì)單位結(jié)合具體情況,采取在13號(hào)線結(jié)構(gòu)底板以下部分的基坑內(nèi)南北各增加3排預(yù)應(yīng)力錨索的方式同時(shí)縮小支撐的豎向間距從而有效減小了圍護(hù)樁的內(nèi)力峰值,保證了基坑本身的安全。同時(shí),加強(qiáng)了13號(hào)線底板以下土體的注漿改良,有效減小了樁背土壓力,從而也有效減小了圍護(hù)樁的內(nèi)力峰值(見(jiàn)圖8)。7底板沉降測(cè)定監(jiān)測(cè)單位的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,車(chē)站本身為不對(duì)稱基坑,車(chē)站基坑的位移偏向一側(cè),但實(shí)測(cè)13號(hào)線東直門(mén)底板沉降均未超過(guò)允許值,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9,監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3～表7及圖10～圖11。從表中可以看出支撐軸力、錨索拉力均未超過(guò)預(yù)警值,最終13號(hào)線東直門(mén)站結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)。8付款時(shí)工程實(shí)際按照計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)加強(qiáng)后,保證了既有13號(hào)線的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全。目前,工程已經(jīng)施工完畢并投入運(yùn)營(yíng)各項(xiàng)指標(biāo)均在控制范圍之內(nèi)4.3基坑彎矩分布計(jì)算結(jié)果顯示,13車(chē)站北邊跨的彎矩普于南邊跨的彎矩,這為北側(cè)墻直接承受由1線自身圍護(hù)樁傳遞而側(cè)向壓力,而南側(cè)墻向荷載傳遞途