唐 康，王觀璐，司小東

(1. 青島市嶗山區(qū)城市管理局，山東 青島 266100；2. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

0 引言

地鐵上蓋物業(yè)以其獨(dú)有的經(jīng)濟(jì)性和便捷性受到人們的青睞[1-4]，物業(yè)開發(fā)對運(yùn)營線路有不利的影響同樣不容忽視，國內(nèi)學(xué)者開展了一系列外部施工影響既有結(jié)構(gòu)的研究。陳斌[5]對地鐵車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵工程問題進(jìn)行了闡述，指出上蓋物業(yè)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后期運(yùn)營過程中噪聲、振動、固體廢棄物、排水等相關(guān)問題；遲勝超[6],郭偉等在青島地區(qū)對鄰近或穿越施工情況下既有軌道交通結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)查及評估做過專項(xiàng)研究，通過結(jié)構(gòu)檢測、三維激光掃描建模以及數(shù)值模擬的方式對地鐵運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行安全評估；韓侃、司小東等人在青島花崗巖地層地鐵車站結(jié)構(gòu)變形特性做過專題研究[7]，通過監(jiān)測的手段分析明挖與暗挖基坑對周邊結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；黃信[8]分析天津地區(qū)上蓋建筑對既有隧道的影響，文章指出對既有結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在基坑開挖對結(jié)構(gòu)位移上；唐樹賀、劉陽等[9-10]通過數(shù)值模擬分析與實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，研究上蓋及基坑開挖對既有結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力的影響。前文主要是國內(nèi)其他地區(qū)施工對地鐵既有結(jié)構(gòu)的影響和青島地區(qū)地鐵施工對周邊環(huán)境的影響，對青島地區(qū)鄰近基坑和上蓋物業(yè)協(xié)同作用下對既有車輛段的影響的研究相對空白，隨著青島地鐵的建設(shè)，上蓋物業(yè)與基坑共同影響的場景越來越多，非常有必要對其影響規(guī)律開展研究。本文主要數(shù)值模擬分析與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證的方式研究上蓋物業(yè)與周邊基坑施工共同作用下的影響，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某上蓋項(xiàng)目占地約1.9×105m2，建筑面積約4.7×105m2，包括C區(qū)基坑及建筑施工、D區(qū)上蓋高層建筑。C區(qū)擬建3棟辦公建筑，其中1棟24層，2棟22層，基坑深度約7.9～19.9 m，與車輛段運(yùn)用庫最近距離18.5 m。蓋上結(jié)構(gòu)為一層車庫和12幢11層的住宅樓，結(jié)構(gòu)總高度為54.3 m。平面位置及空間位置關(guān)系見圖1。

圖1 運(yùn)用庫與新建項(xiàng)目位置關(guān)系

運(yùn)用庫區(qū)域?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，層高為10.3 m，場地地形起伏大、地層不均勻，基巖深度淺的位置采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，其余采用樁基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地地質(zhì)自上而下為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，揭露層厚0.50～11.90 m；中風(fēng)化花崗巖，揭露層厚0.60 ～7.90 m；微風(fēng)化花崗巖，揭露層厚1.40～8.40 m。地下水以基巖裂隙水為主。

2 有限元模型建立

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際狀況，沿縱向取900 m，沿橫向取550 m。深度取地面以下50m(微風(fēng)化層巖層以上)，其中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚4 m，中風(fēng)化花崗巖層厚46 m。運(yùn)用庫上部結(jié)構(gòu)分為單層框架結(jié)構(gòu)，下部為樁基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)。

約束情況均為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由表面。地層結(jié)構(gòu)采用修正摩爾庫倫模型，車輛段建筑梁、板、柱、基礎(chǔ)均采用1D梁單元模擬。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告及相關(guān)資料[11]，數(shù)值計(jì)算模型中所采用的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 各結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)匯總表

表2 各巖土層力學(xué)指標(biāo)匯總表

2.3 荷載模擬

上蓋建筑與車輛段運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)之間以柱網(wǎng)的方式連接，可認(rèn)為作用在車輛段運(yùn)用庫上部的建筑荷載以集中荷載的形式施加到運(yùn)用庫框架柱柱頂，計(jì)算結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力場下的影響。

3 數(shù)值模擬對既有結(jié)構(gòu)的影響分析

根據(jù)工程概況及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算分析分為4個(gè)模擬工序，階段1：初始地應(yīng)力平衡、階段2：運(yùn)用庫上蓋建筑、階段3 ：C區(qū)基坑開挖、階段4 ：C區(qū)建筑施工。

3.1 對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

上蓋物業(yè)柱網(wǎng)與地鐵柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)一致，框架柱、基礎(chǔ)為軸心受壓構(gòu)件，主要考慮軸力對結(jié)構(gòu)的影響；框架梁為受彎構(gòu)件，主要分析彎矩對結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度的影響。

(1) 對框架柱及基礎(chǔ)軸力的影響

驗(yàn)算框架柱及基礎(chǔ)的承載力是否滿足有限元軟件模擬出的最大軸力的要求。由圖2、圖3可知，運(yùn)用庫框架柱在階段2軸力最大，最大軸力值為27818.3 kN，框架柱正截面受壓承載力應(yīng)滿足公式(1)要求，地基承載力應(yīng)滿足公式(2)要求。

(1)

NK≤R

(2)

圖2 運(yùn)用庫框架柱軸力云圖

圖3 運(yùn)用庫框架柱最大軸力曲線圖

式中，NSK為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，基樁或復(fù)合基樁的平均豎向力；R為基樁或復(fù)合基樁豎向承載力特征值。

模擬計(jì)算的數(shù)值應(yīng)小于框架柱正截面承載力設(shè)計(jì)值與單樁承載力設(shè)計(jì)值兩者中的最小值，由表3可知，框架柱滿足數(shù)值模擬計(jì)算的最大軸力的要求。

表3 設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬軸力對比表

(2) 對框架梁彎矩的影響

由圖4、圖5可知，階段2框架梁彎矩值最大，跨中彎矩最大值892.9 kN×m，梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩最大值為1326.3 kN×m。驗(yàn)算框架梁在正常使用極限狀態(tài)下是否滿足0.2 mm裂縫的要求，計(jì)算公式(3)、(4)：

MK=σskASηh0

(3)

(4)

圖4 運(yùn)用庫框架梁彎矩云圖

圖4 運(yùn)用庫框架梁彎矩云圖(續(xù))

圖5 運(yùn)用庫框架梁彎矩變化曲線圖

由表4可知，施工全過程框架梁在正常使用極限狀態(tài)下裂縫驗(yàn)算滿足要求。

表4 運(yùn)用庫框架梁彎矩統(tǒng)計(jì)表

3.2 對結(jié)構(gòu)位移的影響分析

由圖6、7可知，施工全過程運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)水平位移變化較小，位移變化主要出現(xiàn)在蓋上工程施工階段，最大值為-0.25 mm，位于C區(qū)基坑開挖附近的框架柱柱底位置，基坑開挖過程中位移持續(xù)變大。

圖6 運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)水平位移云圖

圖6 運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)水平位移云圖(續(xù))

圖7 結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線圖

由圖8、9可知，運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)垂直位移在蓋上工程施工階段垂直方向位移變化較大，最大值為-3.27 mm，位于上蓋建筑剪力墻下方位置?？拷麮區(qū)基坑的位置受基坑開挖及建筑施工影響，隨施工進(jìn)展有一定的變化，變化值為-3.09 mm。垂直位移主要受蓋上工程施工影響。

圖8 運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)垂直位移云圖

圖9 運(yùn)用庫結(jié)構(gòu)垂直位移變化曲線圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果比對

本項(xiàng)目采用自動化監(jiān)測對車輛段結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測，沿柱網(wǎng)縱向選擇有代表性測點(diǎn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示既有結(jié)構(gòu)豎向位移累計(jì)變量在-0.80～-1.16 mm之間，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)顯示豎向位移累計(jì)變量在-1.03～-1.24 mm 之間，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確。

圖10 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比圖

5 結(jié)論

(1) 基坑距離既有結(jié)構(gòu)有18 m的花崗巖地層中，相較于基坑開挖，上蓋建筑對下部結(jié)構(gòu)影響更為明顯。

(2) 對既有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響主要體現(xiàn)在框架柱軸力和框架梁的彎矩，彎矩及軸力最大位置出現(xiàn)在上蓋物業(yè)剪力墻對應(yīng)的位置。

(3) 垂直方向變形主要體現(xiàn)在上蓋物業(yè)施工對既有結(jié)構(gòu)的影響。

(4) 靠近基坑位置的結(jié)構(gòu)在基坑開挖階段水平位移逐漸增大，位移方向朝向基坑方向，基坑開挖對既有結(jié)構(gòu)水平位移有影響。