上盖与邻近基坑协同作用下对既有车辆段的影响

唐 康，王观璐，司小东

(1. 青岛市崂山区城市管理局，山东 青岛 266100；2. 中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

0 引言

地铁上盖物业以其独有的经济性和便捷性受到人们的青睐[1-4]，物业开发对运营线路有不利的影响同样不容忽视，国内学者开展了一系列外部施工影响既有结构的研究。陈斌[5]对地铁车辆段上盖物业开发的关键工程问题进行了阐述，指出上盖物业在建筑结构设计及后期运营过程中噪声、振动、固体废弃物、排水等相关问题；迟胜超[6],郭伟等在青岛地区对邻近或穿越施工情况下既有轨道交通结构状态调查及评估做过专项研究，通过结构检测、三维激光扫描建模以及数值模拟的方式对地铁运营状态进行安全评估；韩侃、司小东等人在青岛花岗岩地层地铁车站结构变形特性做过专题研究[7]，通过监测的手段分析明挖与暗挖基坑对周边结构的影响规律；黄信[8]分析天津地区上盖建筑对既有隧道的影响，文章指出对既有结构的影响主要体现在基坑开挖对结构位移上；唐树贺、刘阳等[9-10]通过数值模拟分析与实测监测数据对比，研究上盖及基坑开挖对既有结构位移及内力的影响。前文主要是国内其他地区施工对地铁既有结构的影响和青岛地区地铁施工对周边环境的影响，对青岛地区邻近基坑和上盖物业协同作用下对既有车辆段的影响的研究相对空白，随着青岛地铁的建设，上盖物业与基坑共同影响的场景越来越多，非常有必要对其影响规律开展研究。本文主要数值模拟分析与自动化监测数据相互验证的方式研究上盖物业与周边基坑施工共同作用下的影响，为后续类似项目提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

某上盖项目占地约1.9×105m2，建筑面积约4.7×105m2，包括C区基坑及建筑施工、D区上盖高层建筑。C区拟建3栋办公建筑，其中1栋24层，2栋22层，基坑深度约7.9～19.9 m，与车辆段运用库最近距离18.5 m。盖上结构为一层车库和12幢11层的住宅楼，结构总高度为54.3 m。平面位置及空间位置关系见图1。

图1 运用库与新建项目位置关系

运用库区域为框架结构，层高为10.3 m，场地地形起伏大、地层不均匀，基岩深度浅的位置采用柱下独立基础，其余采用桩基础。

1.2 工程地质条件

场地地质自上而下为强风化花岗岩，揭露层厚0.50～11.90 m；中风化花岗岩，揭露层厚0.60 ～7.90 m；微风化花岗岩，揭露层厚1.40～8.40 m。地下水以基岩裂隙水为主。

2 有限元模型建立

2.1 计算模型

根据工程实际状况，沿纵向取900 m，沿横向取550 m。深度取地面以下50m(微风化层岩层以上)，其中强风化花岗岩层厚4 m，中风化花岗岩层厚46 m。运用库上部结构分为单层框架结构，下部为桩基础和独立基础。

约束情况均为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由表面。地层结构采用修正摩尔库伦模型，车辆段建筑梁、板、柱、基础均采用1D梁单元模拟。

2.2 计算参数

根据本工程岩土工程勘察报告及相关资料[11]，数值计算模型中所采用的参数如表1、表2所示。

表1 各结构力学指标汇总表

表2 各岩土层力学指标汇总表

2.3 荷载模拟

上盖建筑与车辆段运用库结构之间以柱网的方式连接，可认为作用在车辆段运用库上部的建筑荷载以集中荷载的形式施加到运用库框架柱柱顶，计算结构在自重应力场下的影响。

3 数值模拟对既有结构的影响分析

根据工程概况及相关经验，本次计算分析分为4个模拟工序，阶段1：初始地应力平衡、阶段2：运用库上盖建筑、阶段3 ：C区基坑开挖、阶段4 ：C区建筑施工。

3.1 对结构内力的影响分析

上盖物业柱网与地铁柱网结构一致，框架柱、基础为轴心受压构件，主要考虑轴力对结构的影响；框架梁为受弯构件，主要分析弯矩对结构正常使用极限状态下裂缝宽度的影响。

(1) 对框架柱及基础轴力的影响

验算框架柱及基础的承载力是否满足有限元软件模拟出的最大轴力的要求。由图2、图3可知，运用库框架柱在阶段2轴力最大，最大轴力值为27818.3 kN，框架柱正截面受压承载力应满足公式(1)要求，地基承载力应满足公式(2)要求。

(1)

NK≤R

(2)

图2 运用库框架柱轴力云图

图3 运用库框架柱最大轴力曲线图

式中，NSK为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；R为基桩或复合基桩竖向承载力特征值。

模拟计算的数值应小于框架柱正截面承载力设计值与单桩承载力设计值两者中的最小值，由表3可知，框架柱满足数值模拟计算的最大轴力的要求。

表3 设计及数值模拟轴力对比表

(2) 对框架梁弯矩的影响

由图4、图5可知，阶段2框架梁弯矩值最大，跨中弯矩最大值892.9 kN×m，梁柱节点弯矩最大值为1326.3 kN×m。验算框架梁在正常使用极限状态下是否满足0.2 mm裂缝的要求，计算公式(3)、(4)：

MK=σskASηh0

(3)

(4)

图4 运用库框架梁弯矩云图

图4 运用库框架梁弯矩云图(续)

图5 运用库框架梁弯矩变化曲线图

由表4可知，施工全过程框架梁在正常使用极限状态下裂缝验算满足要求。

表4 运用库框架梁弯矩统计表

3.2 对结构位移的影响分析

由图6、7可知，施工全过程运用库结构水平位移变化较小，位移变化主要出现在盖上工程施工阶段，最大值为-0.25 mm，位于C区基坑开挖附近的框架柱柱底位置，基坑开挖过程中位移持续变大。

图6 运用库结构水平位移云图

图6 运用库结构水平位移云图(续)

图7 结构水平位移变化曲线图

由图8、9可知，运用库结构垂直位移在盖上工程施工阶段垂直方向位移变化较大，最大值为-3.27 mm，位于上盖建筑剪力墙下方位置。靠近C区基坑的位置受基坑开挖及建筑施工影响，随施工进展有一定的变化，变化值为-3.09 mm。垂直位移主要受盖上工程施工影响。

图8 运用库结构垂直位移云图

图9 运用库结构垂直位移变化曲线图

4 监测数据与数值模拟结果比对

本项目采用自动化监测对车辆段结构变形进行监测，沿柱网纵向选择有代表性测点与数值模拟计算结果进行比较。监测数据显示既有结构竖向位移累计变量在-0.80～-1.16 mm之间，数值模拟数据显示竖向位移累计变量在-1.03～-1.24 mm 之间，数值模拟计算结果与实测结果基本吻合，数值计算的结果准确。

图10 监测数据与数值模拟数据对比图

5 结论

(1) 基坑距离既有结构有18 m的花岗岩地层中，相较于基坑开挖，上盖建筑对下部结构影响更为明显。

(2) 对既有结构的内力影响主要体现在框架柱轴力和框架梁的弯矩，弯矩及轴力最大位置出现在上盖物业剪力墙对应的位置。

(3) 垂直方向变形主要体现在上盖物业施工对既有结构的影响。

(4) 靠近基坑位置的结构在基坑开挖阶段水平位移逐渐增大，位移方向朝向基坑方向，基坑开挖对既有结构水平位移有影响。