综合交通枢纽深大基坑开挖对邻近机场塔台的影响研究*

王华平,莫 凡,林忠和,徐前卫,颜 慧,林细桃

(1.中国建筑第八工程局有限公司,广东 深圳 518038; 2.同济大学交通运输工程学院,上海 201804)

0 引言

近年来,随着地下空间不断开发,综合交通枢纽基坑开挖也面临更复杂的工程条件,当基坑邻近地区存在建筑物时,基坑开挖会引起邻近建筑物变形。因此,如何保证基坑开挖过程中附近地表和邻近建筑物变形满足要求,已经成为基坑工程研究的重要内容。目前,国内外已有许多关于基坑开挖对邻近建筑物影响的研究。例如,Schuster等[1]提出了一种简化模型用于评估基坑开挖附近建筑物的损坏几率,评估了基坑开挖对邻近建筑物造成损坏的可能性。Dalgic等[2]结合试验和数值仿真,分析了在隧道掘进和开挖过程中引起的地面运动响应。Boone等[3]对多个在建基坑进行了跟踪研究,得到了基坑开挖时周边建筑物沉降规律。王琳等[4]以天津市某地铁车站基坑工程为研究对象,分析了基坑开挖对周围房屋及土体的影响,为分析类似问题提供了参考。金艳平等[5]通过理论计算和实测分析相结合的方法,对深基坑开挖过程中周边建筑物影响进行分析,得到建筑物位移与基坑开挖深度有很大关系的结论。施有志等[6]通过构建三维有限元模型,研究了车站深基坑开挖过程对邻近建筑物变形的影响,发现邻近建筑结构变形主要表现为沉降和指向基坑的水平位移。杨忠平等[7]通过三维有限元模拟揭示了深厚淤泥土层中深长基坑开挖对邻近建筑物的影响规律。郑翔等[8]通过对邻近建筑物和地表变形进行监测分析,得到基坑开挖过程引起的邻近建筑物沉降具有空间效应和时间效应的结论。谭维佳等[9]分析了基坑开挖对不同建筑物沉降的影响,并与现场监测结果进行对比分析,得到建筑物沉降与建筑物至基坑距离、角度、基础方式、建筑物总重等因素有关的结论。

上述研究主要集中在不同地质条件下基坑开挖引起周边土体及建筑物变形影响预测及其影响因素的分析,对于指导工程实践发挥了积极作用。然而,针对超大型坑中坑基坑开挖对邻近高耸建筑物施工影响的研究尚不多见,还有待进一步深入探索。本文根据南宁国际空港综合交通枢纽深大基坑接近既有航管楼的工程实例,通过数值模拟和实测数据相结合的方法,研究了高耸建筑物在邻近基坑开挖过程中的变形特征,从而为类似工程的设计与施工提供借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

南宁国际空港综合交通枢纽是集铁路、公路长途、城市轨道交通、城市公交、出租车及社会停车等功能于一体的大型综合交通枢纽。枢纽工程北、南两端分别衔接T2航站楼和规划T3航站楼,东西长约1 350m、南北宽约230m,枢纽基坑场区占地面积大、范围广,基坑深度大,基坑北部仅有地下1层,基坑南部具有地下2层,换乘站厅位于地下1层,地铁、国铁站位于地下2层,沿行车方向横跨于整个基坑,地下2层建筑面积约27万m2,地上1层建筑面积约3万m2。本研究场区涉及的部分枢纽基坑范围及周边环境和塔台位置如图1所示。其中,机场塔台为顶部带有航管指挥层、设备层等在内的圆筒形塔体建筑,地上总高度为89m,为高耸结构,如图2所示。

图1 枢纽基坑范围及周边环境和塔台位置示意

图2 机场塔台

1.2 工程地质条件

根据地质勘察资料,场区内所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性,将沿线岩土层分为10层。塔台位置枢纽基坑范围所涉及的主要土层为杂填土、粉质黏土、黏土、角砾土和白云质灰岩。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 基坑开挖区域地层参数

总体而言,场区内存在特殊地质,褶皱、断裂发育,地下水埋深较浅,下卧土层粉质黏土、黏土为主,岩溶发育,存在溶洞、溶隙、溶孔及其溶蚀破碎带,且附近有地下暗河,溶洞、溶隙贯通性好,地层条件差,施工易出现涌水涌砂和管涌等病害,施工难度大。

1.3 工程难点

根据设计文件,主体结构西北侧距离T2航站楼、旅客过夜用房、空管指挥塔等既有建(构)筑物25m以上,施工场地具备放坡条件,采用放坡+土钉支护结构形式。为此,地下1层基坑拟采用1∶1.5放坡开挖(铺设绿色装配式边坡),基坑西南侧设置1道止水帷幕;地下2层基坑采用桩锚支护形式(即φ1 000mm@1 200mm钻孔灌注桩,2道预应力锚索),外围设置φ850mm@600mm水泥搅拌桩止水帷幕。基坑围护结构设计剖面如图3所示。

图3 基坑围护结构设计剖面

根据档案资料,塔台基础采用钻孔灌注桩支撑,桩身长16m,桩径1.5m,平面布置如图4所示。

图4 塔台基础钻孔灌注桩布置

根据施工方案,基坑地下1层开挖深度为8～12m,开挖深度范围基本为杂填土、粉质黏土、黏土,采用1∶1.5放坡开挖;基坑地下1层施工后再施工地下2层,地下2层开挖深度为8～12m,开挖深度范围基本为粉质黏土、黏土及白云质灰岩,采用桩锚支护。开挖过程按基坑内外降水至基底下1m考虑。因此,本基坑属于典型坑中坑结构,施工难度大,且工序繁多。基坑开挖过程中,由于大面积开挖卸载,会使地层中的应力重分布,导致周边地层和建筑物出现变形。机场指挥塔距离基坑开挖边界较近,又因塔台结构属于高耸建筑物,因此,在基坑开挖过程中极易产生不均匀沉降,可能会诱发塔台发生较大变形,严重时会造成极大影响。

2 有限元仿真模拟

2.1 计算模型

为方便模型建立与求解分析,选取枢纽基坑部分区域作为研究对象,建立如图5所示部分场区基坑和塔台三维有限元模型,计算模型尺寸为250m(长)×200m(宽)×50m(高)。

图5 枢纽基坑邻近塔台位置三维有限元计算模型(单位:m)

2.2 土体本构模型及计算参数

在计算模型中,地层采用修正莫尔-库仑(M-C)本构3D实体单元模拟。对于基坑桩锚支护体系,钻孔灌注桩墙可等效为2D板单元,桩墙厚度为934mm,锚索、锚杆采用1D植入式桁架单元模拟,按同一长度范围内的面积相等原则将锚索截面积进行等效。对于塔台结构,因属框架结构,其变形主要受建筑物刚度影响,为此对地上部分采用无重力柱和板单元模拟,即柱采用1D梁单元,下部承台简化为2D板单元,塔台基础钻孔灌注桩采用梁单元模拟。相关材料物理力学参数及工程结构单元参数分别如表2,3所示。

表2 材料物理力学参数

表3 工程结构单元参数

2.3 边界条件及荷载施加

模型在四周边界上设置法向水平位移约束,模型底部在x,y,z3个方向上设置约束,模型顶部为自由面。

在整个基坑开挖过程中有3种荷载:①自重荷载 对整个模型施加自重荷载;②周边建筑物荷载 主要为邻近塔台荷载,采用等效施加在各桩基上的方式模拟,每根桩基承担的荷载约为1 172kPa;③施工荷载 基坑北侧有出土堆载、车辆动荷载、施工材料堆载等,根据现场分布,在基坑0～30m范围施加均布荷载5kPa。

2.4 施工顺序

根据施工方案,基坑南部放坡开挖分为3层施工:第1层6m、第2层5m、第3层8.3m。每层采取从东往西依次开挖(工况1),如图6所示。施工阶段步序为:①施工步0 初始应力场分析;②施工步1 塔台施工;③施工步2 位移清0;④施工步3～10 基坑第1层开挖;⑤施工步11 施作围护墙;⑥施工步12～19 基坑第2层开挖;⑦施工步20 施作边坡混凝土;⑧施工步21～28 基坑第3层开挖;⑨施工步29 施作边坡混凝土;⑩施工步30 施作底板。

图6 顺序开挖工况

3 监测数据与模拟结果对比分析

3.1 基坑北侧监测点布置

根据基坑施工过程中对周边环境影响和有效监测数据值,选取围护结构及土石方工程2021年5月15日监测数据,此时所研究区域的基坑开挖全部完成。基坑北侧周围监测点布置如图7所示。

图7 基坑北侧周围监测点布置

3.2 结果对比分析

1)基坑北侧边坡变形对比

基坑北侧S129处边坡竖向变形实测与模拟结果对比如图8所示。

图8 基坑北侧边坡竖向变形历时曲线

由图8可知,基坑开挖过程中边坡竖向变形模拟值与实测值变化趋势趋于一致,数值上存在一定差异,原因主要是数值建模时简化了现场地质条件、施工扰动、周边环境等因素。

2)基坑周边地表沉降对比

基坑周边地表沉降模拟值和实测值对比如图9所示。由图9可知,监测值与模拟值变化趋势基本一致,模拟值较监测值较小,除与模型简化有关外,还由于基坑周围可能存在局部地下水渗流作用所致。

图9 基坑周边地表沉降实测与模拟结果对比

3)塔台沉降对比

基坑开挖完成后,塔台周边监测点沉降变形和数值模拟结果对比如表4所示。由表4可知,数值模拟得到的塔台周边沉降值和实测数据变化趋势相符,即在靠近基坑开挖一侧的塔台沉降值大于远离基坑开挖一侧,并且模拟值和监测值较接近,模拟得到的沉降值稍小于实际监测值。因此,通过数值模拟计算得到的结果与现场监测值间存在一定差异,但两者差距较小且总体变形规律大致相同,验证了该模型的合理性。

表4 塔台周边沉降监测值和模拟值对比

4 不同开挖顺序对周边环境的影响

4.1 工况设置

为研究不同开挖顺序对基坑周边环境的影响,通过数值模拟新增2种施工工况,即工况2和工况3,新增的2个工况除开挖顺序与工况1不同外,其余设置均一致。工况2采用从中间向两边开挖施工顺序,开挖顺序如图10所示。工况3采用跳仓开挖施工顺序,开挖顺序如图11所示。

图10 从中间向两端开挖工况

图11 跳仓开挖工况

4.2 不同工况结果对比分析

1)基坑开挖对周边地层的影响

基坑开挖对地层的影响主要表现为地层竖向沉降变形,体现在周边地表沉降和坑底土体隆起。3种开挖工况下基坑与塔台连线中间位置处竖向位移变形历时曲线对比如图12所示,3种工况下基坑中间位置处隆起变形历时曲线对比如图13所示。

图12 基坑与塔台连线中间位置竖向变形历时曲线

图13 基坑中间位置隆起变形历时曲线

由图12,13可知,3种工况最终沉降值差别不大,但工况3对于延后地表的沉降变形效果更明显,更利于控制周围地表沉降变形。虽然不同工况开挖对基坑的最终隆起值影响不大,但在基坑开挖过程中工况2的开挖方式将引起地表隆起明显提前,采取工况3的开挖方式能有效延后坑底隆起。

塔台与基坑开挖连线中点位置处地表随施工阶段的进行水平位移变形历时曲线对比如图14所示。由图14可知,工况2的地表水平变形最大,工况3的地表水平位移变形略小于其他2种工况,因此采用工况3的开挖方式对于控制周围地表水平位移最有利。

图14 基坑与塔台连线中间位置水平变形历时曲线

2)基坑开挖对边坡的影响

基坑北侧第1层为放坡开挖,第2,3层土体开挖支护形式为钻孔灌注桩,基坑南侧3层土体均采用三级放坡开挖形式。3种工况下基坑南、北侧坡顶中间位置竖向变形历时曲线对比如图15所示。由图15可知,随着开挖深度增加,边坡竖向变形逐渐增大;在开挖第3层土体时,由于距离北侧边坡较近,北侧边坡沉降值发生突变,而南侧边坡距离第3层土体开挖较远,该侧边坡变形值不大。对于北侧边坡坡顶沉降,最终沉降值从高到低排序为工况1>工况2>工况3,其中工况3开挖方式对于减少北侧边坡坡顶沉降效果最明显。对于南侧边坡坡顶沉降,工况3南侧边坡最终沉降值略小于其他2种工况,并且在开挖过程中,工况3能有效延后南侧边坡坡顶沉降。综合来看,采用工况3开挖方式更有利于控制基坑边坡沉降。

图15 基坑南、北侧坡顶中间位置竖向变形历时曲线

3种工况下的基坑南、北侧坡顶中间位置水平变形历时曲线对比如图16所示。对于基坑北侧边坡,工况3边坡最终水平变形小于其他2种工况。对于基坑南侧边坡,3种工况最终水平变形几乎一致,但在开挖过程中采用工况3开挖方式能有效延后基坑边坡水平变形。综合来看,采用工况3开挖方式更有利于控制边坡水平变形。

图16 基坑南、北侧坡顶中间位置水平变形历时曲线

3)基坑开挖对塔台的影响

工况1基坑土体最终开挖完成后塔台结构倾斜如图17所示。由图17可知,根据位移矢量,可以发现在基坑开挖完成后,整个塔台结构表现出沿y轴负方向斜向下的倾斜,即向基坑内倾斜。

图17 工况1下基坑开挖后塔台结构倾斜云图(单位:mm)

工况1下基坑土体最终开挖完成后的塔台基础沉降如图18所示。可以看出,塔台基础远离基坑结构变形较小,靠近基坑一侧基础结构变形较大。

图18 工况1下基坑开挖后塔台基础沉降云图(单位:mm)

3种工况下塔台整体与基础变形值与倾斜率如表5所示。GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定的建筑物地基允许变形值如表6所示。可以发现,基坑开挖对塔台及基础倾斜影响较小,均在规范要求范围内,其中工况2对于塔台倾斜最不利,采用工况1或工况3开挖方式较工况2来说更有利于控制塔台不均匀沉降。

表5 3种工况下塔台上部结构与基础变形与倾斜率

表6 建筑物地基允许变形值

3种工况下塔台最大沉降历时曲线如图19所示。由图19可知,3种工况下塔台最终沉降值接近,其中工况2沉降值较其他2种工况大一些。在开挖第1层基坑时,不同工况对于塔台最大沉降的影响不大,而在开挖第2,3层基坑时,工况2对塔台的沉降影响明显大于其他2种工况。相对于依次开挖和跳仓开挖2种工况在开挖过程中对塔台沉降的影响,工况3能有效延后塔台沉降,因此采取跳仓开挖施工方式更有利于控制塔台沉降。

图19 3种工况下塔台最大沉降历时曲线

4.3 基坑开挖施工工况综合比选

综合分析可知:①对于周边地层和基坑底部变形,3种工况下的最终变形值接近,而采用工况2开挖方式最不利,采取工况3开挖方式对于控制变形最为有利;②对于北侧边坡坡顶变形,工况3开挖方式对于减少北侧边坡坡顶变形的效果最明显。对于南侧边坡坡顶变形,工况3在开挖过程中能有效延后边坡坡顶变形;③3种工况下的塔台变形均在规范允许范围内,其中工况3能有效延后塔台沉降,因此采取跳仓开挖方式更有利于控制塔台沉降。综上所述,采用工况3开挖方式对于控制基坑周围地层及建筑物变形更有利。

5 结语

本文基于南宁空港综合交通枢纽基坑工程,通过有限元软件进行数值模拟,将分析结果与现场实际监测数据进行对比,验证了模型参数选取的合理性和准确性,对比不同开挖顺序对周围地层及塔台的影响,并得到如下结论。

1)随着基坑开挖进行,塔台沉降逐渐增大,塔台靠近基坑一侧的局部沉降变形稍大,但总体来看沉降较小,符合高层建筑物相关沉降倾斜规范。通过分析实际工程情况可得到,由于塔台基础埋置深度较大,基础刚度较大,且基础实际嵌固在基岩中,由于开挖而导致的应力场改变不足以使建筑物上部结构产生较大变化。

2)对比3种工况,从中间向两端的开挖方式对于控制塔台沉降最不利,依次开挖和跳仓开挖2种工况下塔台最终沉降值接近,但跳仓开挖能有效延后塔台沉降,对于控制塔台沉降变形更有利。

3)局部场区枢纽基坑开挖会对既有机场塔台结构产生一定影响,但影响程度较小,在实际基坑开挖过程中,要严格按相关规范要求进行施工,注重对塔台及基坑周边地表监测,严格确保施工过程中的安全。