地铁与地上建筑同步施工结构变形分析

陈浩 宗振宇

【摘    要】：针对坑盖挖逆作地铁深基坑与地上结建建筑同步施工问题，通过有限元数值分析方法，分析施工过程围护结构、建筑主体结构受力变形情况。计算结果可知，基坑地下围护结构与上部建筑地下结构桩基础间差异沉降未超过规范控制值，地下一层顶板结构应力未超过混凝土结构允许应力，结构受力可靠。

【关键词】：盖挖逆作；地铁；深基坑；同步施工

【中图分类号】：TU753【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）03-27-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.009

Structural Deformation Analysis of Metro  Synchronous Construction of

Aboveground Buildings

CHEN Hao，ZONG Zhenyu

（Tianjin Underground Railway Group Co. LTD.，Tianjin 300011，China）

【Abstract】：In view of the synchronous construction of deep foundation pit cover excavation and overground construction， by the finite element numerical analysis method， the paper analyzes envelope structure during construction and the stress deformation of building main structure . The calculation results show that settlement difference between the foundation pit underground envelope structure and the pile foundation of the underground structure of the superstructure does not exceed the code control value， the structural stress of the underground roof does not exceed the allowable stress of the concrete structure， and the structural stress is reliable.

【Key words】：cover and cut-top down; metro; deep fundation pit; synchronous construction

城市地下工程施工方法有明挖法、暗挖法、盖挖法。综合考虑周边环境和路面交通影响，盖挖逆作法具有过程地层沉降较小，对地面周边环境和交通影响较小，工期较长特点。目前国内对盖挖逆作法施工过程结构强化措施的可靠性分析不足[1～8]；而超深基坑盖挖逆作法地下结构与高层建筑同步施工的工程国内罕见。本文通过有限元分析，结合规范要求，对施工过程围护差异沉降变化和上下结构受力变化进行分析，论证盖挖逆作与地上建筑同步施工的可靠性。

1 工程概况

北京地铁16号线和10号线的换乘车站苏州街站一体化棚户区改造项目为两线地铁换成通道与地上棚改还迁房共建。见图1。

地下共5层，1～4层为住宅设备机房及地下车库，5层为地铁设备用房及地铁换乘厅。地上22层（局部23层），1～2层为配套商业，3～22（23）层为住宅，建筑高度78.5 m。地下5层与地铁16号线站厅层及出入口为同一标高，地下3层与地铁10号线站厅层及出入口为同一标高，16号线与10号线通过地下5层换乘厅进行换乘。

综合考虑场地条件、风险控制、工程投资，结合工程质量控制和工期因素，采用盖挖逆作法施工。迫于工期压力，上下建筑同步逆作施工。地下为框架结构，围护为地下连续墙与桩基础、盖挖钢管柱（框架结构柱），局部设计核心筒。地上为剪力墙结构。

2 盖挖逆作同步施工数值分析

重点分析基坑施工、地下和地上建筑施工对核心筒地下连续墙和桩基、建筑主体结构的影响[7]。

2.1 分析思路

1）确定围护结构、桩基和主体结构变形控制指标。

2）建立地层-结构模型，根据设计荷载、地勘参数和实际边界条件进行施工全过程计算。

3）分析计算结果，与控制指标进行对比，确定围护结构、桩基和主体结构的受力状态。

采用Midas GTS NX有限元软件，建立三维地层-结构模型。周围土体、地下连续墙采用实体单元，核心筒和内部结构（板、剪力墙）采用板单元，结构柱、梁和桩采用桩单元和梁单元[4]。见图2-图4。

2.2 计算步序

将施工中梁上线荷载和板上面荷载换算成恒荷载与活荷载的组合荷载，施加到有限元相关梁板单元，全面考虑施工期间结构承受荷载情况。

地下结构核心筒按照围护墙（地下连续墙）厚度800 mm、钢筋笼按照围护墙厚度500 mm施作，混凝土保护层厚度过大，因此在施工过程中，将核心筒厚度凿薄至500 mm，施工一层，凿薄一层。

工序如下：第一步开始施作核心筒地下连续墙；第二步核心筒地下连续墙施工完毕后，开始进行一桩一柱施工；第三步明挖地下第1步土方，施作地下一层顶板；第四步施作地下第2層顶板、地下2层开挖、施作到地上结构5层；第五步施作地下第3层顶板，施作到地上结构8层；第六步地下3层开挖，施作地下4层顶板，施作地上结构10层；第七步地下4层开挖，施作地下5层顶板，施作到地上结构15层；第八步地下5层开挖，地下5层底板浇筑；第九步施作地上结构16、17层，凿薄地下5层核心筒；第十步施作地上结构18、19层，凿薄地下4层核心筒；第十一步施作地上结构20、21层，凿薄地下3层核心筒；第十二步施作地上结构22、23层，凿薄地下2层核心筒；第十三步凿薄地下1层核心筒。

3 结果分析

3.1 地下桩基础与地下连续墙沉降分析

随着基坑开挖同步施工，地下连续墙和桩基沉降增大，两者差异沉降在地下5层顶板施工后增大明显。桩基础竖向沉降10.5 mm、地下連续墙竖向沉降7.91 mm（其中包含了地基基础沉降带来的一部分位移），桩基沉降超过地下连续墙沉降，考虑为地上结构施工，地上整体荷载进一步增大。见图5。

在基础底板施工之前，相邻支承柱与围护结构间的差异变形不宜大于1/400柱距且≯20 mm[5]。位移最大、最不利的钢管柱距为6 500/400=16.25，本工程最大沉降差2.59 mm＜16.25 mm。

3.2 地下钢管柱与核心筒地下连续墙沉降分析

随着基坑开挖同步施工，核心筒和钢管柱沉降增大，在地下5层顶板施工后两者差异沉降平稳。见图6。

对比不凿薄核心筒，凿薄对结构影响不甚明显。见图7。

施工结束，钢管柱竖向变形为18.8 mm、核心筒地下连续墙竖向变形为14.0 mm（包括地基基础沉降带来的一部分位移）。位移最大、最不利的钢管柱距为5 650/400=14.125，本工程最大沉降差4.8 mm＜14.125 mm。

地下核心筒与地下钢管柱差异沉降平稳，地下一层顶板的应力为建筑受力最大的板，故对其进行拉压应力分析。随着同步施工，顶板拉压应力均逐渐增大，核心筒凿薄结束后，地下一层顶板最大拉应力为26.1 MPa，小于钢筋抗拉强度；最小压应力为24.5 MPa，小于板材料C50混凝土抗压强度，结构受力满足要求。见表1。

4 结论

在城市繁华地区地铁及上盖结构施工，迫于工期压力，采用盖挖逆作法上下结构同步施工可大大缩短工期，有利于节省工程成本；盖挖逆作上下结构同步施工，围护结构与地下结构桩基础之间差异沉降及高程核心筒与地下结构柱支撑之间差异沉降随着施工推进逐渐增大，在地下结构施工完成，地上结构施作15层时，差异沉降增大明显，需加强施工措施控制，直到施工全部完成，差异沉降未超规范控制值，施工过程地下一层顶板结构应力未超过混凝土结构允许应力；因此，在城市繁华地区盖挖逆作上下结构同步施工不失为一种高效安全的工法。

参考文献：

[1]李想. 基于合肥市某地铁车站深基坑开挖盖挖顺作法与逆作法对比分析[D].合肥：安徽建筑大学，2019.

[2]白冰. 地下人防工程盖挖逆作法施工过程模拟及风险控制技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[3]温宜臻. 沈阳北站地铁车站盖挖逆作法施工风险分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2019.

[4]徐亮. 地铁站盖挖逆作施工数值模拟与监测研究[D]. 西安：西安理工大学，2018.

[5]王志虹. 大型地下空间盖挖逆作法关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2018.

[6]靳晨辉. 深圳地区地铁枢纽工程施工对周围环境影响研究[D]. 北京：北京交通大学，2016.

[7]张宝森. 地铁车站盖挖逆作施工安全风险分析与控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.

[8]李强. 盖挖逆作法基坑开挖对周边环境的影响研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2016.