陳 侃
(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014)
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朱宅城中村改造工程對(duì)溫州市域鐵路S1線影響分析
陳侃
(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210014)
摘要:市域鐵路S1線全線鋪設(shè)無(wú)縫線路無(wú)砟軌道,是溫州重要的城市軌道交通路線。列車運(yùn)行對(duì)軌道的豎向、橫向變形有較高要求。朱宅城中村改造工程鄰近市域鐵路S1線高架橋,相鄰建筑物的施工有可能對(duì)市域鐵路S1線橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成不利影響,對(duì)行車平順性甚至行車安全造成威脅。通過(guò)在朱宅城中村改造工程(一期)項(xiàng)目施工之前開(kāi)展分析計(jì)算,以確保建筑物及鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。
關(guān)鍵詞:基坑開(kāi)挖;止水帷幕;沉降
1工程概況
受城中村改造工程基坑開(kāi)挖影響的溫州市域鐵路S1線構(gòu)造物主要為市域鐵路S1線南洋大道特大橋,其大部分墩臺(tái)均位于南洋大道中央隔離帶,受影響范圍為緯五十一路(規(guī)劃)至直洋河區(qū)間,樁號(hào)DK28+885.00—DK28+991.00,受影響橋梁墩號(hào)以及里程分別為54#墩(DK28+901.0)、55#墩(DK28+941.0)、56#墩(DK28+981.0)。兩者平面距離最近處凈距20.8 m(至市域鐵路中心線處,下同),平面距離最遠(yuǎn)處凈距42.4 m,基坑深度約為5 m。見(jiàn)圖1。
受朱宅城中村改造工程(一期)影響的橋梁區(qū)段孔跨布置為(40+70+40)m連續(xù)梁+40 m簡(jiǎn)支梁+40 m簡(jiǎn)支梁,橋墩形式均為矩形墩,基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁。朱宅城中村改造工程為26~27層高層,全場(chǎng)設(shè)置一層大面積地下室,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。其靠近市域鐵路S1線的構(gòu)造物為附屬商業(yè)辦公樓,該辦公樓為地下1層,地上5層,采用框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。
圖1 市域鐵路S1線與朱宅城中村改造工程關(guān)系圖
根據(jù)《溫州市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理辦法》,軌道交通建設(shè)規(guī)劃確定的近期實(shí)施項(xiàng)目,原則上按照下列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立規(guī)劃控制區(qū)和規(guī)劃影響區(qū):軌道交通線路中心線兩側(cè)各15 m劃定為軌道交通規(guī)劃控制區(qū);規(guī)劃控制區(qū)外兩側(cè)各20 m劃定為軌道交通規(guī)劃影響區(qū);對(duì)于線路曲線段以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告有明確要求的,根據(jù)技術(shù)要求設(shè)立相應(yīng)規(guī)劃控制區(qū)和規(guī)劃影響區(qū)。城中村改造工程距離市域鐵路S1線結(jié)構(gòu)外側(cè)約18.8~40.4 m,屬于控制區(qū)以外,影響區(qū)以內(nèi)。
根據(jù)目前兩個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況,朱宅城中村改造工程施工圖設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,即將施工,市域鐵路S1線南洋大道特大橋已經(jīng)完成施工。
2分析思路
在地基上進(jìn)行基坑開(kāi)挖以及建筑物施工會(huì)引起相鄰的既有構(gòu)造物較大的附加沉降及不均勻沉降、土體水平位移、樁側(cè)負(fù)摩阻力等一系列巖土工程問(wèn)題[1-3]。因此,對(duì)這類工程需要合理分析,妥善處理,以減小對(duì)周圍環(huán)境及建筑的影響。
基坑開(kāi)挖不可避免地會(huì)干擾附近地層原有的平衡狀態(tài),引起附近地層應(yīng)力重分布和變形,構(gòu)成對(duì)周邊既有構(gòu)造物的附加荷載,使其發(fā)生附加變形?;邮┕ひ鸬牡貙討?yīng)力和變形是造成附近既有構(gòu)造物承受附加荷載、產(chǎn)生附加變形的根本原因。
基坑開(kāi)挖是一個(gè)土體應(yīng)力釋放的過(guò)程,也是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程,此過(guò)程導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)外土體產(chǎn)生應(yīng)力重分布。垂直向卸荷會(huì)引起坑底原始應(yīng)力狀態(tài)改變。在開(kāi)挖深度不大時(shí),坑底土體卸荷后發(fā)生垂直向上的彈性隆起,圍護(hù)墻隨土體回彈而抬高;當(dāng)開(kāi)挖到一定深度,基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用,就會(huì)使圍護(hù)墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動(dòng),使坑底產(chǎn)生向上隆起,同時(shí)在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)并引起地面沉降,也會(huì)使臨近既有構(gòu)造物發(fā)生不均勻沉降和向基坑內(nèi)側(cè)方向的水平位移,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致構(gòu)造物的破壞。
高層建筑物的施工與運(yùn)營(yíng)也會(huì)對(duì)相鄰樁基產(chǎn)生影響。其主要集中在三個(gè)方面:
1)負(fù)摩阻力問(wèn)題。高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后會(huì)對(duì)地面施加豎向荷載,使地基土發(fā)生較大的沉降(包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降),樁周土的沉降會(huì)直接影響到樁的承載變形特征。當(dāng)樁周土向下沉降變形大于樁身的沉降時(shí),會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。這會(huì)大大降低樁基承載力和增大樁基沉降;其次,由于不同位置處建筑物施加的豎向荷載不同,使得不同位置處的樁基上負(fù)摩阻力的大小和分布也存在差別,從而對(duì)不同位置處樁的承載力和沉降產(chǎn)生不同的影響。
2)水平位移問(wèn)題。當(dāng)在樁側(cè)地面施加豎向荷載時(shí),會(huì)使土體側(cè)向擠出而使鄰近樁基發(fā)生側(cè)向變形。高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后對(duì)地面施加的豎向荷載會(huì)導(dǎo)致臨近樁基發(fā)生遠(yuǎn)離高層建筑物的水平向位移。
3)高層建筑物建成運(yùn)營(yíng)之后對(duì)地面施加的豎向荷載會(huì)給臨近既有構(gòu)造物一個(gè)很大的附加沉降量。
建筑物基礎(chǔ)靠近附加荷載的區(qū)域沉降量較大,遠(yuǎn)離這個(gè)附加荷載的區(qū)域沉降量較小,這勢(shì)必會(huì)形成一個(gè)差異沉降。
深基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中,由于地基土體、地下水的平衡條件被打破,基坑周邊土體將產(chǎn)生變形,變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到周邊建筑物、道路、管線等的安全和正常使用。因此,基坑開(kāi)挖過(guò)程中,應(yīng)采用基坑支護(hù)措施,控制基坑周邊土體的變形,使其數(shù)值在允許的范圍內(nèi)。
綜上所述,本次依據(jù)以下步驟進(jìn)行分析:
首先,根據(jù)朱宅城中村改造工程(一期)施工方案,判別基坑安全等級(jí),評(píng)估基坑方案是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。
其次,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算基坑開(kāi)挖與建筑物建成對(duì)市域鐵路S1線高架橋的影響。
最終,根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)分析基坑開(kāi)挖安全程度及其對(duì)市域鐵路S1線高架橋位移、變形的影響是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3安置房與S1線相互影響及分析
3.1安置房圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)基坑周圍環(huán)境條件、開(kāi)挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)功能等確定基坑工程等級(jí)。參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—2012)》,以及杭州和寧波地鐵基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等[4-6]。本工程基坑安全等級(jí)為二級(jí),東側(cè)南洋大道處圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)評(píng)定為一級(jí),重要性系數(shù)1.1,采用鉆孔灌注樁加一道現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐支護(hù)。
本設(shè)計(jì)圍護(hù)樁及支撐、立柱樁的鋼筋主筋均為HRB400,箍筋為HRB400及HPB300。采用單排鉆孔灌注樁Φ600@800、Φ600@900,并選用C25水下混凝土,圍護(hù)樁伸入冠梁內(nèi)50mm。
冠梁斷面尺寸為900mm(b)×700mm(h),主支撐斷面尺寸為800mm(b)×650mm(h),連系梁斷面尺寸為600mm(b)×600mm(h),冠梁、支撐為現(xiàn)澆鋼筋混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。
本工程明挖段周邊有道路,應(yīng)嚴(yán)格控制基坑引起的地表沉降。因此,設(shè)計(jì)在圍護(hù)樁外圍設(shè)置了一排水泥攪拌樁止水帷幕。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮加撐和開(kāi)挖的實(shí)際施工及受荷狀態(tài)各工況的內(nèi)力及變形。基坑以下土的作用采用彈簧模擬,支護(hù)形式為多支點(diǎn)桿系結(jié)構(gòu),采用彈性支點(diǎn)桿系有限元法計(jì)算,被動(dòng)土壓力按彈性地基梁考慮。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。
圖2 基坑圍護(hù)剖面圖
基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)嵌固穩(wěn)定性安全系數(shù)抗隆起安全系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形/mm12.0>1.41.4>1.32.6>1.88.23<0.3%H=12.921.8>1.41.3>1.22.5>1.87.59<0.3%H=17.72'1.8>1.41.3>1.22.4>1.86.12<0.3%H=21.0
基坑穩(wěn)定性和變形滿足要求。
3.2止水帷幕穩(wěn)定性計(jì)算分析
基坑施工必須對(duì)場(chǎng)地孔隙潛水進(jìn)行有效處理并且采用對(duì)地下水損失最小的措施。本工程中采用周邊止水帷幕結(jié)合基坑外圍集水排水的處理措施。具體為:在圍護(hù)樁外圍設(shè)置一排Φ600水泥攪拌樁止水帷幕,沿基坑外圍一周設(shè)寬300mm、深400mm排水溝,每隔30m設(shè)600mm×600mm×600mm集水井。
本評(píng)估中對(duì)止水帷幕底端繞流的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,當(dāng)不滿足滲透穩(wěn)定性要求時(shí),應(yīng)采取增加帷幕深度等措施。根據(jù)相關(guān)規(guī)范將本次評(píng)估中止水帷幕的滲透穩(wěn)定性安全系數(shù)定為1.6。
3.2.1地下水位
根據(jù)本工程《工程地質(zhì)勘查報(bào)告》得知:1-1剖面地下水位為-3.69m。
3.2.2土的浮重度
土的浮重度為:γ′=(GS-1)×γw/(1+e)=(2.67-1)×10/(1+1.72)=6.14 kN/m3
3.2.3流土穩(wěn)定性安全系數(shù)Ksc
3.3基坑開(kāi)挖對(duì)市域鐵路S1線的影響
3.3.1計(jì)算軟件
本次專項(xiàng)分析選取大型通用有限元軟件Midas-GTS作為計(jì)算平臺(tái)。
3.3.2計(jì)算模型
溫州的地質(zhì)條件比較差,根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)。一般基坑的影響范圍達(dá)到3倍的基坑深度。根據(jù)基坑和周邊建筑物相對(duì)位置關(guān)系,選取與建筑物最近的S1號(hào)線的54、55、56號(hào)墩及其樁基進(jìn)行安全驗(yàn)算。因基坑范圍較大,且1~6號(hào)樓所處位置均與基坑?xùn)|側(cè)邊界較遠(yuǎn)。在建模過(guò)程中不予考慮其對(duì)市域鐵路S1號(hào)線東洋大道段的影響。根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)建立如圖3所示三維Midas-GTS模型。整個(gè)模型長(zhǎng)300m,寬250m,高100m,模型尺寸超過(guò)土體基坑開(kāi)挖深度3倍,充分考慮到邊界條件的影響。對(duì)基坑?xùn)|側(cè)的冠梁及支撐以梁?jiǎn)卧M,對(duì)S1號(hào)線樁基進(jìn)行實(shí)體模擬,考慮樁基礎(chǔ)與土體的接觸條件,考慮樁土效應(yīng)。開(kāi)挖范圍及S1號(hào)線橋梁樁基相對(duì)位置見(jiàn)圖3。
圖3 開(kāi)挖范圍及樁基實(shí)體模型
根據(jù)上述三維模型的計(jì)算結(jié)果,得出受到基坑開(kāi)挖影響最大的橋墩為54號(hào)橋墩。但由于三維模型有限元單位多達(dá)100萬(wàn)個(gè),運(yùn)行一次的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4h。因此,在具體數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程中,參考已有的工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn),二維模型的計(jì)算精度已經(jīng)足夠滿足基坑開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值仿真模擬。因此,截取54號(hào)墩所在的截面建立Midas-GTS二維建模(圖4)進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)基坑開(kāi)挖施工對(duì)臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn),決定有限元模型的尺寸大小。本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度約為4.3m,基坑外側(cè)邊緣距鄰近S1號(hào)線約25m。
本模型計(jì)算寬度取200m,模型左側(cè)邊界距基坑外側(cè)邊緣60m,右側(cè)邊界距建筑地下室外墻約67.3m,模型高度取95m,距基底約90m。
對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維建模。其中,土體采用平面應(yīng)變單元,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、橋墩及承臺(tái)、水平支撐等采用梁?jiǎn)卧?/p>
圖4 Midas-GTS二維模型圖
3.3.3計(jì)算結(jié)果分析及評(píng)估
根據(jù)以上模型計(jì)算結(jié)果,得出的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表2 模型計(jì)算結(jié)果
其中基坑開(kāi)挖之前的自平衡階段,施加防護(hù)樁及支撐階段,默認(rèn)土體自平衡,土體位移為0 mm。由表2可知,基坑開(kāi)挖各工況下的橫豎向位移均滿足限值要求。
綜上所述,安置房項(xiàng)目的基坑開(kāi)挖及其東側(cè)車道荷載及市域鐵路列車靜活載對(duì)于基坑的變形影響均在規(guī)范限值要求之內(nèi),結(jié)構(gòu)安全。
基坑開(kāi)挖及安置房建成后的荷載對(duì)于橋梁樁基的影響計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 橋梁樁基GTS計(jì)算結(jié)果對(duì)比
由表3所知,基坑的開(kāi)挖及安置房建成后的附加荷載對(duì)于市域鐵路橋梁樁基的影響均特別小,可以忽略不計(jì)。
4結(jié)語(yǔ)
根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)規(guī)范要求的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)《溫州市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理辦法》,朱宅城中村改造工程(一期)進(jìn)入軌道交通規(guī)劃影響區(qū)。主體結(jié)構(gòu)及地下室均未進(jìn)入控制區(qū)。
經(jīng)計(jì)算,各剖面流土穩(wěn)定安全系數(shù)均符合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—2012)》[4]。
經(jīng)計(jì)算,基坑1-1、2-2、2′-2′斷面整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、抗隆起安全系數(shù)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形都在允許值范圍以內(nèi),圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案基本合理,因此基坑穩(wěn)定性和變形滿足要求。
經(jīng)計(jì)算,基坑側(cè)向最大位移為8.23 mm,地表最大沉降為6.512 mm,計(jì)算結(jié)果均在基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi);橋墩樁基礎(chǔ)在開(kāi)挖時(shí)的側(cè)向及豎向變形均保持在1 mm,對(duì)S1線基礎(chǔ)的影響可以忽略不計(jì)?;拥氖┕?duì)橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。
經(jīng)計(jì)算,鐵路橋墩樁基礎(chǔ)與建筑樁基礎(chǔ)兩者的樁基礎(chǔ)在相互豎向荷載作用下附加沉降可忽略不計(jì)。
參 考 文 獻(xiàn)
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收稿日期:2015-11-02
作者簡(jiǎn)介:陳侃(1978—),男,山西晉城人,高級(jí)工程師,主要從事鐵路橋梁設(shè)計(jì)研究工作。
中圖分類號(hào):TU473.1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號(hào):1008-3707(2016)05-0023-04
Analysis on the Influence of the Residential Renovation Projectfor the Village in the City to the Railway S1 Line of Wenzhou City
CHEN Kan