張 偉
(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)
隨著我國城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,土地開發(fā)強度日益增加,在集約節(jié)約利用有限空間的背景下也帶來了項目周邊環(huán)境日趨復(fù)雜、項目建設(shè)條件日趨緊張、項目實施風(fēng)險逐步加劇等問題。
在城市成熟建成區(qū),大量的擬建地下工程鄰近既有建筑物、大直徑管線、已運營的地鐵及市政橋隧設(shè)施等[1],且距離關(guān)系也越來越小。在以往的近接施工案例中,建(構(gòu))筑物沉降、變形超限,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫,后期修補的案例常有發(fā)生,較大的工程事故也偶有所聞。結(jié)合以往的案例分析,對周邊既有建(構(gòu))筑物保護的通用措施主要有明挖結(jié)構(gòu)加強支護體系,暗挖結(jié)構(gòu)加強初支、二襯背后注漿,施工期間加密監(jiān)測頻率等;專用措施主要有在擬建工程與既有建(構(gòu))筑物間設(shè)置隔離樁,暗挖結(jié)構(gòu)輔以深孔注漿加固開挖面周邊土體。其中隔離樁措施作為控制建筑物沉降與變形最常用的方法之一,廣泛應(yīng)用于各工法的近接施工保護中[2]。
隔離樁的作用是隔斷開挖施工引起的附加應(yīng)力傳播路徑,并承受附加應(yīng)力及地基差異產(chǎn)生的摩阻力,限制樁后土體變形發(fā)展;隔斷開挖面與建筑物間的土體滑移面,減小隔離樁后建筑物的變形[3-5],其作用機理見圖 1。
圖1 隔離樁作用機理
本文以北京地鐵某線暗挖車站(PBA工法)鄰近既有5層建筑物為例,建立洞外不設(shè)置隔離樁、洞外設(shè)置隔離樁、洞外不設(shè)置隔離樁(洞內(nèi)增加土體超前加固范圍)三種工況,并通過有限元差分軟件對三種工況進行數(shù)值模擬,分析既有建筑物在不同工況下受影響程度,評估隔離樁在鄰近建筑物施工過程中的隔離防沉效果,為后續(xù)類似工程提供參考。
車站主體為地下兩層雙柱三跨直墻三連拱結(jié)構(gòu),采用PBA工法施工,頂拱覆土約12.4 m。
既有建筑物為地上五層框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)東西長約13.8 m,柱距3.9 m;南北長約10.1 m,柱距3.1~3.7 m。其中局部一層為機房,為后加附屬結(jié)構(gòu)?;A(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ),底部標(biāo)高為地面下約2.5 m。車站與建筑物平面位置見圖2。
圖2 車站與建筑物平面(單位:mm)
車站邊導(dǎo)洞外皮距離建筑物基礎(chǔ)最小水平距離為2.746 m,基本滿足施工一排隔離樁空間需求;車站拱頂距離建筑物基礎(chǔ)底豎向凈距約9.9 m,既有建筑物所處位置位于車站開挖施工強烈影響區(qū)內(nèi)。車站與建筑物剖面位置見圖3。
圖3 車站與建筑物剖面(單位:mm)
場區(qū)地表為人工堆積層,其下為一般第四紀(jì)沖洪積層,自上而下粒度變粗。上部巖性主要以粉土、黏性土與砂類土互層為主,下部以砂類土、碎石類土為主。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
車站施工采用分步開挖,圍巖作用于結(jié)構(gòu)的壓力隨開挖不斷變化,其受力多次重新分配,最后由初支與二襯共同承擔(dān),因此結(jié)構(gòu)分析采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型,按實際施工過程進行模擬計算,以確定施工全過程對周邊環(huán)境的影響。采用有限元差分軟件建立三維計算模型,見圖4。模型大小為120 m(東西向)×110 m(南北向)×60 m(深度),對模型四周及底部施加法向約束,頂部采用自由邊界,土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,既有建筑物、隔離樁及暗挖車站結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型[6-8]。
圖4 結(jié)構(gòu)模型
結(jié)合周邊環(huán)境對本工程可能產(chǎn)生的限制條件,分別對三種不同工況進行建模計算分析。
工況一:不設(shè)置隔離樁。導(dǎo)洞及扣拱拱頂采用超前深孔注漿,加固范圍為初支外1.5 m。
工況二:在暗挖車站與既有建筑物間設(shè)置一排隔離樁,隔離樁為φ800@1 200 mm鉆孔灌注樁,樁底至邊導(dǎo)洞底以下4 m,地面打設(shè)。
工況三:不設(shè)置隔離樁,洞內(nèi)加大土體超前加固范圍。具體增加范圍為邊導(dǎo)洞、鄰近建筑物的邊拱外輪廓3 m及掌子面采用超前深孔注漿加固,見圖5[9]。施工步設(shè)置見表2。
圖5 結(jié)構(gòu)模型(不設(shè)置隔離樁,洞內(nèi)加大超前加固范圍)
表2 主要施工分步
根據(jù)建筑物檢測評估報告,建筑物沉降變形絕對值不大于20 mm,柱間基礎(chǔ)差異沉降不超過5 mm(柱間距為4 m),即換算后的建筑物傾斜率不大于1.25‰。
(1)地層沉降。
車站施工完成后,最終地層沉降曲線見圖6。在車站中拱附近,地層沉降達到最大值,向車站兩側(cè)呈遞減趨勢,形成標(biāo)準(zhǔn)拋物線式沉降槽。
圖6 地面沉降變化曲線
工況一在不設(shè)置隔離樁條件下,沉降曲線基本呈對稱分布。
工況二在設(shè)置隔離樁后,阻斷了隔離樁外建筑物側(cè)的土體向車站施工開挖處的滑動趨勢,隔斷車站開挖施工引起的附加應(yīng)力傳播路徑,地層沉降在隔離樁內(nèi)、外側(cè)有明顯的突變,隔離樁外側(cè)的地層沉降相比未設(shè)置隔離樁時減少14.17~15.08 mm,減少約48.8%,對控制周邊地層及鄰近建筑物沉降作用明顯。
工況三不設(shè)置隔離樁,但在洞內(nèi)對邊導(dǎo)洞及邊拱開挖外輪廓及掌子面加大土體超前加固范圍,通過改良土體、提高地層參數(shù)來控制地層沉降,加固后的土體沉降相比不設(shè)置隔離樁時減少約23.1%,對控制周邊地層及鄰近的建筑物沉降也起到一定的做用。
(2)建筑物南側(cè)墻沉降
建筑物南側(cè)墻與車站主體施工開挖方向平行,因此三個工況中的南側(cè)墻整體沉降曲線趨于平穩(wěn),南4、南5兩個測點之間由于部分墻體脫離施工開挖強烈影響區(qū),沉降值有減小趨勢。建筑物南側(cè)墻最終沉降曲線見圖7。
圖7 建筑物南側(cè)墻沉降變化曲線
工況一在不設(shè)置隔離樁條件下,南側(cè)墻沉降值在20.11~29.21 mm,南3、南4、南5三個測點的差異沉降分別為5.57 mm、3.87 mm??偝两抵导爸g差異沉降值多處超過評估限值。
工況二在設(shè)置隔離樁條件下,南側(cè)墻沉降值在10.87~15.19 mm,南3、南4、南5三個測點的差異沉降分別為1.82 mm、1.92 mm,均小于評估限值??偝两抵迪啾裙r一減少約47%,柱間差異沉降值相比工況一減少50.4%~67.3%。設(shè)置隔離樁后,有效控制了建筑物基礎(chǔ)下方的土體位移,保證了建筑物總沉降與柱間差異沉降滿足建筑受力要求。
工況三在不設(shè)置隔離樁、增加開挖外輪廓及掌子面土體超前加固范圍的條件下,南側(cè)墻沉降值在13.21~21.62 mm,南3、南4、南5三個測點的差異沉降分別為5.49 mm、2.85 mm,南3與南4測點差異沉降不滿足評估限值??偝两抵迪啾裙r一減少26%~47%,柱間差異沉降值相比工況一減少約26%。增加周邊土體加固范圍后,對控制周邊地層及鄰近建筑物沉降起到一定的作用。
(3)建筑物西側(cè)墻沉降
建筑物西側(cè)墻與車站主體施工開挖方向垂直,因此建筑物基礎(chǔ)的差異沉降現(xiàn)象較為明顯,建筑物基礎(chǔ)變形指標(biāo)受總沉降及差異沉降雙控,基礎(chǔ)距離車站開挖面越近,其差異沉降值越大。建筑物西側(cè)墻最終沉降曲線見圖8。
圖8 建筑物西側(cè)墻沉降變化曲線
工況一在不設(shè)置隔離樁條件下,西側(cè)墻沉降值在12.21~29.21 mm,西A~西D四個測點的差異沉降分別為8.19 mm、4.57 mm、4.24 mm。距離車站開挖面越近,差異沉降值越大,總沉降值及柱間差異沉降值多處超過評估限值。
工況二在設(shè)置隔離樁條件下,西側(cè)墻沉降值在7.01~15.19 mm,西A~西D四個測點的差異沉降分別為3.18 mm、2.19 mm、2.18 mm,均小于評估限值??偝两抵迪啾裙r一減少40% ~48%,柱間差異沉降值相比工況一減少33% ~61%。設(shè)置隔離樁后,有效控制了建筑物基礎(chǔ)下方的土體豎向位移及南北向的水平位移,保證了建筑物總沉降與柱間差異沉降滿足建筑受力要求。
工況三在不設(shè)置隔離樁、增加開挖外輪廓及掌子面土體超前加固范圍的條件下,西側(cè)墻沉降值在10.21~21.62 mm,西A~西D四個測點的差異沉降分別為4.6 mm、3.57 mm、3.24 mm,均小于評估限值??偝两抵迪啾裙r一減少16% ~26%,柱間差異沉降值相比工況一減少21%~43%。增加周邊土體加固范圍后,對控制周邊地層及鄰近建筑物沉降起到一定的作用。
本文以北京地鐵某暗挖車站(PBA工法)鄰近既有5層建筑物為例,采用有限元差分軟件對三種工況進行數(shù)值模擬,分析三種不同工況對既有建筑物的影響程度,以評估隔離樁做為一種硬隔離措施在鄰近建筑物施工過程中控制環(huán)境變形的效果,主要結(jié)論如下:
(1)隔離樁做為一種硬隔離措施,在剛度足夠的條件下,可有效限制樁后的土體變形發(fā)展,隔斷開挖面與建筑物間的土體滑移面,減小隔離樁后建筑物的沉降變形。在暗挖車站鄰近建筑物施工時,隔離樁措施作為控制建筑物沉降與變形最常用的方法之一,其對建筑物沉降變形的控制效果較為明顯[10-12]。
(2)當(dāng)受管線、交通、占地等地面條件限制隔離樁無法實施時,可考慮增加超前注漿加固范圍,控制建筑物沉降變形,但效果沒有隔離樁措施明顯。同時在增加超前注漿加固范圍后,加固體隨范圍增大,施工質(zhì)量也較難控制,需對注漿工藝深入研究。
(3)隔離樁的設(shè)置有效控制了建筑物的沉降變形,但隔離樁在施工過程中,受成孔及振動等影響,不可避免地會出現(xiàn)施工沉降,考慮其影響較小,屬于非要因,本次分析不再贅述。
(4)類似地下工程可參考本工程分析結(jié)論,但對于鄰近建(構(gòu))筑物的不同基礎(chǔ)形式有待做針對性研究。