陳　侃

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，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)無縫線路無砟軌道，是溫州重要的城市軌道交通路線。列車運行對軌道的豎向、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市域鐵路S1線橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成不利影響，對行車平順性甚至行車安全造成威脅。通過在朱宅城中村改造工程(一期)項目施工之前開展分析計算，以確保建筑物及鐵路運營的安全。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；止水帷幕；沉降

1工程概況

受城中村改造工程基坑開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DK28+885.00—DK28+991.00，受影響橋梁墩號以及里程分別為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簡支梁+40 m簡支梁，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)劃確定的近期實施項目，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)；對于線路曲線段以及環(huán)境影響評價報告有明確要求的，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)目前兩個項目的進(jìn)展情況，朱宅城中村改造工程施工圖設(shè)計已經(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)行基坑開挖以及建筑物施工會引起相鄰的既有構(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題[1-3]。因此，對這類工程需要合理分析，妥善處理，以減小對周圍環(huán)境及建筑的影響。

基坑開挖不可避免地會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)成對周邊既有構(gòu)造物的附加荷載，使其發(fā)生附加變形。基坑施工引起的地層應(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。

基坑開挖是一個土體應(yīng)力釋放的過程，也是基坑開挖面上卸荷的過程，此過程導(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。垂直向卸荷會引起坑底原始應(yīng)力狀態(tài)改變。在開挖深度不大時，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，就會使圍護(hù)墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動，使坑底產(chǎn)生向上隆起，同時在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)并引起地面沉降，也會使臨近既有構(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)重時將導(dǎo)致構(gòu)造物的破壞。

高層建筑物的施工與運營也會對相鄰樁基產(chǎn)生影響。其主要集中在三個方面：

1)負(fù)摩阻力問題。高層建筑物建成運營之后會對地面施加豎向荷載，使地基土發(fā)生較大的沉降(包括瞬時沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降)，樁周土的沉降會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，會產(chǎn)生負(fù)摩阻力。這會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)水平位移問題。當(dāng)在樁側(cè)地面施加豎向荷載時，會使土體側(cè)向擠出而使鄰近樁基發(fā)生側(cè)向變形。高層建筑物建成運營之后對地面施加的豎向荷載會導(dǎo)致臨近樁基發(fā)生遠(yuǎn)離高層建筑物的水平向位移。

3)高層建筑物建成運營之后對地面施加的豎向荷載會給臨近既有構(gòu)造物一個很大的附加沉降量。

建筑物基礎(chǔ)靠近附加荷載的區(qū)域沉降量較大，遠(yuǎn)離這個附加荷載的區(qū)域沉降量較小，這勢必會形成一個差異沉降。

深基坑土方開挖過程中，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)重時會影響到周邊建筑物、道路、管線等的安全和正常使用。因此，基坑開挖過程中，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，評估基坑方案是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

其次，通過數(shù)值模擬計算基坑開挖與建筑物建成對市域鐵路S1線高架橋的影響。

最終，根據(jù)計算結(jié)果評價分析基坑開挖安全程度及其對市域鐵路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)計算分析

基坑支護(hù)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)基坑周圍環(huán)境條件、開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)功能等確定基坑工程等級。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)等級標(biāo)準(zhǔn)等[4-6]。本工程基坑安全等級為二級，東側(cè)南洋大道處圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級評定為一級，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)考慮加撐和開挖的實際施工及受荷狀態(tài)各工況的內(nèi)力及變形?；右韵峦恋淖饔貌捎脧椈赡M，支護(hù)形式為多支點桿系結(jié)構(gòu)，采用彈性支點桿系有限元法計算，被動土壓力按彈性地基梁考慮。計算簡圖見圖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)定性計算分析

基坑施工必須對場地孔隙潛水進(jìn)行有效處理并且采用對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。

本評估中對止水帷幕底端繞流的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，當(dāng)不滿足滲透穩(wěn)定性要求時，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基坑開挖對市域鐵路S1線的影響

3.3.1計算軟件

本次專項分析選取大型通用有限元軟件Midas-GTS作為計算平臺。

3.3.2計算模型

溫州的地質(zhì)條件比較差，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗。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位置關(guān)系，選取與建筑物最近的S1號線的54、55、56號墩及其樁基進(jìn)行安全驗算。因基坑范圍較大，且1～6號樓所處位置均與基坑?xùn)|側(cè)邊界較遠(yuǎn)。在建模過程中不予考慮其對市域鐵路S1號線東洋大道段的影響。根據(jù)上述計算參數(shù)建立如圖3所示三維Midas-GTS模型。整個模型長300m，寬250m，高100m，模型尺寸超過土體基坑開挖深度3倍，充分考慮到邊界條件的影響。對基坑?xùn)|側(cè)的冠梁及支撐以梁單元模擬，對S1號線樁基進(jìn)行實體模擬，考慮樁基礎(chǔ)與土體的接觸條件，考慮樁土效應(yīng)。開挖范圍及S1號線橋梁樁基相對位置見圖3。

圖3　開挖范圍及樁基實體模型

根據(jù)上述三維模型的計算結(jié)果，得出受到基坑開挖影響最大的橋墩為54號橋墩。但由于三維模型有限元單位多達(dá)100萬個，運行一次的時間長達(dá)4h。因此，在具體數(shù)據(jù)的計算過程中，參考已有的工程計算經(jīng)驗，二維模型的計算精度已經(jīng)足夠滿足基坑開挖過程數(shù)值仿真模擬。因此，截取54號墩所在的截面建立Midas-GTS二維建模(圖4)進(jìn)行計算。

根據(jù)基坑開挖施工對臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，決定有限元模型的尺寸大小。本項目基坑開挖深度約為4.3m，基坑外側(cè)邊緣距鄰近S1號線約25m。

本模型計算寬度取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。

對計算區(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、水平支撐等采用梁單元。

圖4　Midas-GTS二維模型圖

3.3.3計算結(jié)果分析及評估

根據(jù)以上模型計算結(jié)果，得出的數(shù)據(jù)見表2。

表2　模型計算結(jié)果

其中基坑開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，安置房項目的基坑開挖及其東側(cè)車道荷載及市域鐵路列車靜活載對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。

基坑開挖及安置房建成后的荷載對于橋梁樁基的影響計算結(jié)果見表3。

表3　橋梁樁基GTS計算結(jié)果對比

由表3所知，基坑的開挖及安置房建成后的附加荷載對于市域鐵路橋梁樁基的影響均特別小，可以忽略不計。

4結(jié)語

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對規(guī)范要求的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算分析。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)在開挖時的側(cè)向及豎向變形均保持在1 mm，對S1線基礎(chǔ)的影響可以忽略不計?；拥氖┕蛄航Y(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)計算，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。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]章榮軍.土體開挖引起的鄰近受荷樁基附加響應(yīng)分析[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[2]楊敏,周洪波,楊樺.基坑開挖與臨近樁基相互作用分析[J].土木工程學(xué)報,2005(4):91-96.

[3]鄭剛,顏志雄,雷華陽,等.基坑開挖對臨近樁基影響的實測及有限元數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學(xué)報,2007(5):638-643.

[4]中國建筑科學(xué)院.JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[6]中國建筑科學(xué)院.JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：陳侃(1978—)，男，山西晉城人，高級工程師，主要從事鐵路橋梁設(shè)計研究工作。

中圖分類號：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：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