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天津市小白楼音乐厅及地下开发工程

时间:2010年08月08日来源:本站原创 作者:王智丰 点击:
  
天津市小白楼音乐厅及地下开发工程
深基坑施工对地铁既有线的影响与保护
 
王智丰
(北京城建设计研究总院有限责任公司)
  要:天津市小白楼音乐厅及地下开发工程位于天津市小白楼地区,规划为地下商业中心、地面音乐厅及休闲绿化广场,总建筑面积3.5万㎡。场区位于多条道路交汇处,地面交通繁忙,周边建筑物密集,为城市中心繁华地段。地下开发基坑支护与小白楼地铁站围护结构净距离1.3m。小白楼车站为地下二层结构,埋深15.4m。地下开发结构采用盖挖逆作法施工,基坑开挖长250m、宽70m、深15m。由于地下开发基坑紧邻既有地铁结构,且长距离平行设置,基坑施工势必对地铁结构产生显著影响。场区地层以淤泥质土为主,地下水位较高,地质条件对基坑施工不利。且地铁已经投入运营,其结构安全和运营安全对基坑变形控制要求较高。本文针对上述问题进行了专项研究,采用有限元软件对工程进行模拟分析。通过对无措施条件下工程模拟分析,找到地下开发施工对地铁结构的影响范围及趋势。根据上述结果,制定有针对性的保护方案,具体包括深层注浆技术措施、连续墙施工技术措施、基坑开挖技术措施、地下水处理措施等四个方面,并通过有限元软件校核这些措施的合理性。通过对小白楼项目的分析研究,总结出临近地铁结构进行深基坑施工的设计与施工技术要点,为类似工程提供参考。
关键词:深基坑;地铁既有线;近距离施工
 
0 引言
随着城市功能及人口的日益膨胀,地下空间的开发与利用逐渐得以发展。这其中包括了地下商业、休闲、停车、公交接驳及轨道交通等多种功能。根据城市功能的需要,各种地下工程多集中在城市商业、交通等密集的区域。由于受到各种条件的制约,同一区域的各种地下工程,从规划到建设,很难能做到同期啊实施。势必导致了以下情况的出现:当一个项目投入使用时,其它项目在邻近位置进行基坑施工。这就意味着,随着地下空间开发的不断发展,邻近既有地下建(构)筑物进行深基坑施工的现象会越来越普遍,基坑施工对既有结构的影响与保护问题必将得到更多的重视。
本文旨在通过对天津市小白楼音乐厅及地下开发工程邻近地铁结构进行深基坑施工这一典型工程的分析研究,揭示本工程在实施过程中遇到的主要问题,并提出解决办法,以供类似工程参考。
 
1工程概况
天津市小白楼音乐厅及地下开发工程位于津市小白楼地段,地面为南京路、建设路、浙江路、马场道、徐州道、开封道、郑州道等多条城市重要道路交汇处,地下有天津地铁一号线从地下开发结构南侧通过,且有两个出入口与之相连。场地周围建筑繁多,有凯旋门大厦、滨江购物中心、滨江国际大酒店、起士林大饭店、新华书店,地块中原有小白楼音乐厅将拆除,在新建商业广场结构顶板上重建。本工程为建设路与南京路环绕规划的商业中心及休闲绿化广场,交通方便。地下商业中心与周边商业建筑形成餐饮、购物、休闲综合性立体商业区,商业广场将成为天津标志性建筑。
(1)小白楼音乐厅及地下开发工程概况

图1-1 总平面图
本工程地下部分总建筑面积31642㎡,地下三层为汽车库以及设备用房、库房、管理用房,地下一、二层主要为商业空间;地上部分总建筑面积3500㎡,主要是多功能音乐厅,考虑主要作为音乐厅,兼作电影院、剧场。地面休闲绿化广场总占地面积0.7983公顷。
本工程地下开发部分为现浇钢筋混凝土地下两层(局部三层)多跨箱形框架结构,由侧墙、梁、板、柱等构件组成;采用横纵梁体系,综合考虑商业空间的特点、地下停车利用效率的需要,柱网采用8.4m×8.4m。地下结构采用盖挖逆作法施工,围护结构采用800㎜厚地下连续墙,基坑开挖长250m、宽70m、深15m。工程实施时,首先进行地下部分的基坑开挖和结构浇注施工,然后进行地上音乐厅结构的施工,最后进行广场及装修施工。
(2)地铁小白楼站工程概况
天津地铁1号线小白楼站,位于本工程场区南侧南京路下方,沿道路方向与本工程平行敷设,两工程围护结构净距仅1.3m,接近段长约80m。地铁小白楼站为地下二层三跨箱型框架结构,采用明挖法施工,基底埋深15.4m,围护结构为800㎜地下连续墙。在本工程实施阶段,该地铁站已竣工并投入运营。

图1-2 地下开发与地铁剖面关系图
(3)工程地质及水文地质概况
根据地质勘察揭示,场区地质分层情况如下:
①人工填土层(Qml),厚度一般为2.00~5.50m,该层从上而下可分为2个亚层:第一亚层,杂填土(力学分层号1a),厚度一般为0.50~4.00m;第二亚层,素填土(力学分层号1b),厚度一般为0.50~3.00m。
②全新统上组陆相冲积层(Q43al),厚度一般为1.00~3.00m。主要由粉质粘土(力学分层号2)组成,可塑状态,属中压缩性土。
③全新统中组海相沉积层(Q42m),厚度7.80~10.10 m,该层从上而下可分为2个亚层:第一亚层,粉土(力学分层号3a),厚度一般为3.10~5.60m,稍密~中密状态,属中压缩性土;第二亚层,粉质粘土(力学分层号3b),厚度一般为2.10~4.80m,软塑状态,属中压缩性土。
④全新统下组沼泽相沉积层(Q41h),厚度0.70~2.50 m,一般厚度在1.70m左右,主要由粉质粘土(力学分层号4)组成,可塑状态,属中压缩性土。
⑤全新统下组陆相冲积层(Q41al),厚度5.90~8.90m,主要由粉质粘土(力学分层号5)组成,局部为粘土,可塑状态,属中压缩性土。
场区初见水位埋深2.90~4.00m,静止水位埋深1.50~2.40m,地下水为潜水。埋深16.00~23.00m段的粉质粘土及粘土视为上部潜水含水层的相对隔水层。埋深23.00~33.00m段的粉土、粉细砂为第一微承压含水层,承压水水头埋深3m。埋深33.00~40.00m段粘性相对较大的粉质粘土为第一微承压含水层的相对隔水层。

图1-3 地质剖面图
根据上述地质描述可知,地下开发及地铁车站结构主要位于可塑和软塑地层中,且地下水位较高、含水量较大。地下开发基坑施工,使地铁车站一侧土体卸载,而另一侧较大的侧压力势必引起车站较大的侧移和内力变化。此外,由于两基坑之间夹层土体较软弱,卸载后变位较大,也将对地铁车站的安全产生不利影响。
 
2 深基坑施工对地铁结构的影响分析与保护方案
(1)深基坑施工对地铁结构的影响分析
地铁小白楼站为双层三跨箱型框架结构,沿车站纵向结构断面与荷载分布无突变,底板的地基承载力均匀;地下开发基坑长250m、宽70m,与地铁结构邻近段沿车站纵向结构断面与荷载分布无突变,支护结构空间作用不明显。因此,深基坑施工队地铁结构的影响分析可简化为平面问题。
应用SAP2000v9软件,采用多工况分步加载的“结构-荷载”模型,按平面杆系有限元法进行结构变形与内力计算。
模型的基本假定与计算方法为:
①    土压力按静止土压力考虑,土压力及水压力简化为单元内的梯形荷载;
②    地下连续墙与主体结构侧墙之间设受压链杆,按弹性地基上带刚域的变截面框架进行各种工况的计算;
③    地铁车站地下连续墙与地下开发地下连续墙之间设受压链杆,用以模拟夹层土体的影响;
④分析从地铁车站结构形成后开始,按正常使用阶段对地铁结构进行加载,最为分析的初始状态,后续工况根据地下开发逆作施工顺序分步。
 

图2-1 模型简图
地下开发基坑施工前,地铁车站结构内力及位移如图2-2、图2-3所示:

图2-2 内力图                      图2-3 位移图
地下开发基坑施工后,地铁车站结构内力及位移如图2-4、图2-5所示:

图2-4 内力图

图2-5 位移图
对照地下开发基坑开挖前、后地铁结构内力及变形图可知:
①地下开发基坑开挖后,地铁结构向开挖侧发生侧移:顶板最大水平位移25.9㎜,中楼板最大水平位移25.5㎜,底板最大水平位移19.0㎜,地铁结构整体呈平行四边形变化。对应位置地下开发连续墙水平位移分别为4.7㎜、12.2㎜和10.4㎜。由于地铁结构与地下开发基坑之间土体为软塑性土、中低压缩性,在偏载作用下发生较大的压缩变形,致使地铁结构变形值明显高于地下开发基坑变形值。
②地下开发基坑开挖后,地铁结构内力发生变化如图2-6所示。其中,“+”代表内力增加,“-”代表内力减小。符号所在位置,即为杆件内力变化位置。

图2-6 地铁结构内力变化示意图
(2)深基坑施工对地铁结构的保护方案
根据深基坑施工对地铁结构影响分析可知,地铁结构内力及位移变化较大,主要是两结构之间土体压缩导致的。故保护方案主要以提高该土体刚度为主,即对该土体进行加固处理,提高其抗压强度。加固深度从地表至地铁基底一下2~3m。
据此调整计算模型中两结构之间链杆的刚度,以模拟土体加固效果。计算得到地下开发基坑开挖后地铁结构内力与位移如图2-7、图2-8所示。

图2-7 内力
图2-8 位移图
对照地下开发基坑开挖前、后地铁结构内力及变形图可知:
①地下开发基坑开挖后,地铁结构向开挖侧发生侧移:顶板最大水平位移7.9㎜,中楼板最大水平位移13.1㎜,底板最大水平位移14.1㎜,与加固前比较,位移量均显著降低。地铁结构整体仍呈平行四边形变化,但倾斜趋势与上一节分析结果相反。
②地下开发基坑开挖后,地铁结构内力变化趋势与上一节分析结果基本相同,变化量有所降低。结构角部弯矩超出原结构配筋承载力,与结构整体发生四边形变形有关。
故考虑降低地下一层范围内土体加固强度,适当增加地铁结构顶板水平位移,从而协调三层结构板的位移量,减小整体平行四边形变形趋势。
调整后的计算结果如图2-9、图2-10所示。

图2-9 内力
图2-10 位移图
对照地下开发基坑开挖前、后地铁结构内力及变形图可知:
①地下开发基坑开挖后,地铁结构向开挖侧发生侧移:顶板最大水平位移13.2㎜,中楼板最大水平位移15.7㎜,底板最大水平位移14.6㎜。三层结构板水平位移量基本相同,结构整体平行四边形变形趋势显著降低。
②地下开发基坑开挖后,地铁结构内力有所增加,但仍在原配筋承载力范围以内。
 
3 工程技术措施
(1)深层注浆技术措施
在地下开发基坑开挖前,对其与地铁小白楼站之间夹层土体进行加固处理,具体要点如下:
①加固深度从地表至地铁结构基底以下2~3m处。加固体抗渗强度不低于1X10-7cm/s;无侧限抗压强度,埋深8m范围内不低于10MPa,其下部分不低于30MPa。
②土体加固采用三重管法旋喷施工,宜在地下开发结构连续墙导墙施工前进行。旋喷施工宜在夜间地铁停运期间进行,施工时应密切监测地铁和轨道结构的反应。应采用可靠的施工工艺、施作方法及措施,避免旋喷时对邻近地铁结构和运营造成有害影响。
③喷射注浆的材料用425号普通硅酸盐水泥,根据需要加入适量的外加剂,所用的外加剂的数量应根据具体情况通过试验确定。水泥浆液的水灰比宜取1.0~1.5,灌入水泥浆液的比重取1.6。喷射压力、提升速度等参数对成桩直径有较大影响,应根椐深度及土质条件进行调控。
(2)连续墙施工技术措施
由于地下开发连续墙结构距离地铁结构仅1.3m,为避免连续墙成槽施工时对地铁结构产生不利影响,应注意以下问题:
①连续墙施工应严格遵守跳槽开挖的原则,当墙体混凝土浇注后为达到设计强度时,严禁进行相邻槽段的施工;
②应适当增大槽段内泥浆的比重,保证混凝土浇筑前槽段土壁的稳定。
(3)基坑开挖技术措施
本工程邻近地铁一侧为地下两层结构,地下一层高7.1m,逆作施工时一次开挖深度较大,连须墙变形较大,土方开挖应采取以下措施:
①严格按照“分层分段、留土护壁”的原则进行,土方开挖采取分两层放坡开挖、盆式挖土,尽量延长土方支撑时间。加快结构施工进度,尽早形成支撑,将基坑的变形控制在允许范围内;
②根据现场条件,合理布置出土口和流水段,以保证能够集中作业,避免造成土方开挖面积过大,结构施工跟不上的现象发生。
(4)地下水处理措施
据地质勘查揭示,场区地下埋深23.00~33.00m的粉土、粉细砂内含有一层微承压含水,基坑稳定计算结果显示基底以下土层厚度不足以抵抗承压水压力,基坑开挖到底板时有可能出现基坑突涌。综合考虑工程风险、工期、造价等因素,最终采用降承压水方案。同时,由于降水施工容易引起水土流失,从而造成地铁结构的沉降,故须将邻近地铁结构一侧连续墙加深至不透水层内2m,隔断基坑内外承压水水力联系。
 
4 结论与建议
通过对本工程邻近地铁结构施工的分析研究,可以得出以下结论:
①邻近地下结构进行深基坑施工,对既有结构影响较大。基坑开挖时,既有地下结构向新建基坑一侧位移。结构整体呈明显的平行四边形,从而使结构四角产生附加应力。
②在软弱地层中,采取对新建基坑与既有结构之间夹层土体进行加固的办法,可以有效控制既有结构的侧移及内力的增加。土体加固的强度,宜根据加固深度适当调整,以此减小既有结构各层之间的水平位移差,从而控制结构内力的增加。加固体强度调整幅度及范围,应进行详细分析确定。
③施工过程中,还应注意注浆压力、连续墙成槽、基坑开挖及地下水处理对既有地下结构可能造成的影响,施工时必须采取相应措施加以控制。
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