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复杂环境下基坑优化设计思路

369 2020-06-08 11:13:39


邻近环境敏感设施的基坑围护结构设计多采取增加围护墙嵌固深度、增加坑内地基加固、基坑外设置隔断墙等措施对周边环境予以保护,造成的工程费用增加、工期延长等问题存在优化的可能。目前基坑工程的设计优化主要集中于围护墙的类型及构件的优化,缺少对整个基坑围护体系整体方案的优化研究。以与运营中的地铁车站及大直径雨水管相邻的建筑地下室基坑及地铁连通道基坑设计为例,以确保地铁车站及周边环境安全为目标,对基坑围护体系的设计方案进行了比选优化,分析采用三维有限元方法模拟实际开挖工况,并根据土体在不同阶段的受力特点,在初始应力状态分析及开挖过程模拟阶段对土体赋予不同的弹性模量。结果表明:对原设计方案进行了取消临时封堵墙,地下一层区与地下二层区同步施工的优化设计后,基坑周边建、构筑物安全,获得了安全、经济的方案。

引言

随着城市的快速发展,城区的地面建、构筑物及地下市政设施的规模及密度日增。为便于人员出行、缓解地面交通压力,在大、中型城市的繁华地区以及交通流量较大的道路下方常设有地铁系统。为吸引客流,地铁车站附近规划新建的商业楼宇的地下层常设有连通设施与地铁车站的出入口相连。此类工程环境条件下的连通口及楼宇基坑的施工,对运营地铁的影响通常不可忽略,基坑围护结构设计多采取对基坑结构本体增加围护墙嵌固深度、增加坑内地基加固、结构加强等措施对周边建、构筑物予以保护,此外还有在基坑外设置隔断墙等基坑外保护方式,由此产生的工程量增加、工期延长及工程费用增加等问题,在确保结构安全的前提下存在优化的可能。

深基坑支护工程的设计优化涉及工程自身的安全、周边环境的安全、投资这几方面问题。优化首先应是支护体系的优化比选,其次是支护结构本身的优化设计计算。目前已有学者对支护结构的优化开展了一些工作,吴江滨等采用动态规划法对围护结构的嵌固进行了优化分析,对于桩墙支护体系内力和变形的计算方法采用了Winkle 地基梁法,无法较为准确的分析基坑施工对周边环境的影响。肖武权等采用多目标决策模糊集理论和层次分析法来优选深基坑支护方案,直接以规范允许围护墙的墙顶位移最大值为约束决策变量,无法建立起被保护对象与基坑整体变形之间的联系。LIU 等就基坑围护墙体厚度及嵌入深度对周边环境的影响进行了分析,为围护结构的优化提供了依据。

目前,包括上述研究成果在内的基坑设计的优化主要集中于围护墙的形式及构件细部的优化,缺少对整个基坑围护体系整体方案的优化研究。本文以与运营中的上海地铁国权路站相邻的建筑地下室基坑设计为例,以确保地铁车站及周边环境安全为目标,采用数值分析法对基坑围护体系的设计进行优化,获得了安全、经济的方案。

1
工程简介
1.1
工程概况

拟建商业楼位于四平路国权路交叉口的东南角,见图1

图1 工程总体平面布置图
工程总体平面布置图


商业楼地下室为一层,基坑开挖深度约5.1 m,并通过局部地下二层与车站的预留通道接口相连,地下二层基坑深度约10.2 m。运营中的地铁国权路站坐落于四平路上、国权路路口,总体呈南北走向。车站主体外包尺寸为152.3 m×17.6 m,车站底板深度约16.5 m,位于车站东南角的现有预留出入口底板深度约10.2 m,顶板覆土厚度约6 m。四平路为交通主干道,路上存有电力、通信、给水、污水管等。国权路上现有上水、电力、燃气等管线。其中,受商业楼基坑施工影响较大的管线为位于预留出入口顶板上方、顺四平路走向的直径2.6 m 的雨水管,该管覆土深度约3.2 m,管底距出入口顶板较近,易受预留出入口后续段以及地下两层区域基坑施工的影响。

1.2
工程地质、水文地质

拟建场地属滨海平原地貌类型。①层填土为近代人工堆填,②1~⑤4 层为第四纪全新世Q4 沉积层,⑦~⑨层为上更新世Q3 沉积层,拟建场地为古河道沉积区,受古河道切割影响,缺失⑥层及大部分⑦层土,沉积了较厚的⑤层土,70 m 深度范围内各土层的物理力学指标见表1

商业楼地下一层区的基坑底位于②3 层上部,地下二层区坑底位于②3 层下部,距下卧第④层顶约1.5 m。场地地下水分为潜水和承压水。潜水对基坑施工有影响,受降雨、潮汛、地表水的影响有所变化,水位埋深一般为0.50.7 m。承压水主要存在于第⑦1层,根据上海地区的区域资料,承压水埋深一般在311 m,现场实测⑦1 层承压水水位埋深为8.5 m。本工程中最大开挖深度约10.2 m,距⑦1 层顶约28.1 m,基坑施工的承压水稳定性满足安全性要求

1.3
基坑设计方案

商业楼地下两层区及与车站预留通道相连的区段基坑为便于叙述统称为A 区,商业楼其余区域称为B区、C 区(见图1)。基坑采用明挖顺作法施工,围护体系为桩墙式挡土结构加钢筋混凝土内支撑、钢支撑的形式。最初的设计方案(下称方案1)如下:B 区、C 区基坑与A 区同步开挖至A 区中板位置,待A区中板以下部分结构施工完成后再与A区同步向上施工。基坑围护布置见图2


对于方案1,地铁运营及监护单位认为因基坑与地铁车站及污水管平行段长达约85 m,为车站总长的58%,为确保地铁运营安全,建议对方案作如下调整(下称方案2):

(1)在商业地下一层基坑的中部、平行其短边方向,即B 区、C 区之间设置一道临时封堵墙,并采取分块施工的方案以减小对周边环境的影响。

(2)B 区基坑与A 区基坑同步开挖至A 区地下二层中板位置,待A 区中板以下部分结构施工完成后B 区与A 区同步施工至完成地下室顶板。最后开挖C区基坑,基坑围护布置见图3。


方案2 对控制基坑变形、保护周边管线、车站较有利,但对本项目的设计、施工有如下影响:

(1)B 区、C 区基坑分阶段前后施工,C 区底板完成后,清除临时封堵墙的难度较大:若采用SMW工法桩作为封堵墙,桩身内插型钢的拔除作业缺乏工作面,作业区须回填土至顶圈梁标高,型钢拔除后卸土后方可施工作业区墙、柱结构,增加工期及施工措施费用;若采用钻孔灌注桩作为封堵墙,则须凿除至底板垫层以下,经估算,综合费用高于采用SMW 工法桩封堵墙方式;如在已施工的B 区顶板上进行拔除型钢作业,施工区板、梁、柱设计荷载须考虑施工荷载,采取局部加强措施,费用增加。

(2)封堵墙的设置增加了结构施工缝的数量,增加了渗漏水风险,同时影响电梯、集水坑等设备、设施的布置。方案 1 相较方案2 工期较短,工程费用较低,同时减少了渗漏水风险,但对管线、地铁的影响可能较方案2 大。为对方案予以优选,商业楼建设单位提出以下比选方案(下称方案3):

不设封堵墙,A 区基坑施工完成后再同步施工B区、C 区。相较方案1 工期增加、因而工程费用增加,但工期及工程费用均小于方案2。基坑围护布置与方案1 相同。

各方案的围护结构典型横剖面见图4,剖面位置见图2。


各方案的施工流程见图5


为获得在结构安全性、工程造价、工期方面兼顾,且满足运营地铁、市政管线保护要求的优化方案,本文采用有限单元法对上述3 个方案进行模拟分析与比较。

2
设计方案的分析及比选
2.1
围护桩墙、支撑设计参数

为了提供有限元计算所需的围护设计信息,根据相关规范对基坑稳定性、围护桩墙强度及变形控制等方面的要求,初步确定围护桩墙及内支撑设计参数如下:A 区围护墙体采用Φ 800@950 钻孔灌注桩及Φ650@450 三轴搅拌桩止水帷幕+3 道内支撑的形式(第1 道为钢筋混凝土支撑、其余为钢支撑)。B 区、C 区采用Φ850@600SMW 工法桩围护+1 道钢筋混凝土支撑。方案2 中的封堵墙采用Φ850@600SMW 工法桩围护。

2.2
模型维度、尺寸

考虑到模型边界条件对已建地铁车站计算结果的影响,以及边界的规整性,计算模型的边界统一确定为结构边界外侧25 m。见图6,模型总尺寸为206 m×136 m

2.3
本构模型与参数

土体采用DP 模型,并在初始应力状态分析及开挖过程模拟阶段对土体赋予不同的弹性模量,围护结构、各层结构板和市政管线采用线弹性板单元模拟,内支撑结构采用线弹性梁单元模拟。各结构类单元的计算参数选取见表2

2.4
分析假定

分析所采用的假设、前提如下:

1)由于基坑止水帷幕穿透渗透性较好的②3 层灰色砂质粉土,进入透水性较差的④层灰色淤泥质黏土,且开挖过程历时较短,故不考虑土的固结和渗流

的影响,采用总应力法分析。

2)直径2.6 m 的雨水管为空心管结构,敷设于地层中呈相对柔性,虽然水管的变形与士体变形不会完全保持一致,但在小变形前提下,可假定两者变形近似相同,即同一位置处的土体位移与水管变形相同。

3)车站范围内轨道结构采用钢筋混凝土整体道床,并与车站底板连接整体性好,认为轨道道床变形与同一位置处的车站底板变形相同。模型底部边界设为限制竖向位移,上边界为自由边界,各侧边则限制向基坑方向的位移。建立的计算模型见图78(方案2)。


2.5
计算结果

方案1 的基坑围护侧墙变形、水管变形、车站底板变形见图911。基坑的最大水平位移出现在基坑底面以上接近坑底的部位,与基坑围护桩墙优化分析时常采用的Winkle 地基梁法算得的围护墙体变形具有相同的规律。基坑角部得位移明显小于基坑中部,表明基坑的空间效应明显,与文献的研究结论相一致。


在基坑施工后,既有预留出入口上方雨水管的变形小于其相邻两侧区域,源于该处水管底部距出入口顶板距离近,而出入口结构沉降小,对雨水管具有类似结构基础的承托作用。为降低基坑施工时该区域水管因较大差异沉降而增加的水管损伤风险,雨水管敷设施工时,已在预留通道两侧各设置1 座检修井以增加管线对地层沉降的适应能力。

地铁车站的底板变形呈现在近基坑开挖一侧较大,以远逐渐减小的特征。其中,平面上位于既有预留出入口区域的变形梯度较大。原因为计算模型与所模拟的实际结构具有差异性:车站主体结构与出入口之间实际通常设有变形缝以考虑两者之间的差异沉降,避免出现口部区域变形梯度过大、应力集中致结构受损的情况;在有限元计算模型中,难于模拟变形缝这一具有非连续性变形特点的构造措施,导致模型中地铁车站局部受到出入口较强的空间约束作用,局

部区域变形梯度较大。通过在车站结构设计中于出入口与车站主体的衔接区域设置了变形缝,计算结果中出现的这一现象可予解决。

方案 2 的基坑围护侧墙变形、水管变形、车站底板变形见图1214

方案 3 的基坑围护侧墙变形、水管变形、车站底板变形见图1517


各方案的分析结果汇总见表3



根据上海市《基坑工程技术规范》(DG/TJ08612010)的变形控制要求,基坑围护墙最大允许变形值为0.18%H=18.4 mmA 区,H 为基坑开挖深度)、0.3%H=15.3 mmB 区、C 区)。上述计算结果表明,各方案的最大围护墙体变形量皆满足上述要求。同时车站底板的变形量都控制在地铁运营单位提出的5mm 控制标准以内,管线最大变形量小于10 mm。基坑施工对环境的影响处于可控状态。


2.6
方案推荐

由表3 可知,方案1 的环境影响较方案2、方案3大,但仍可满足周边建、构筑物的保护要求,特别是运营地铁的安全要求。主要原因可归为:

1)商业基坑虽开挖面积大、与地铁车站及管线的的平行段长度长,但基坑与车站平行段间的水平净距位于基坑开挖的显著影响区以外(上海地区一般为基坑开挖深度的23 倍)。计算结果也表明,不同的基坑设计方案对车站的影响较小差别较小。

2A 区基坑与车站既有预留通道的衔接段,基坑的主要变形为横断面方向,即平行于地铁车站的方向,且基坑沿深度方向设置3 道内支撑体系,由此对车站的直接影响较小。

3)地铁车站底板埋深大于本基坑的底板深度客观上符合相邻基坑开挖“先深后浅”的基本原则。同时,车站围护墙底的深度较大,对地层位移具有一定的隔断效果。

因此向地块建设单位、以及地铁运营、监护单位推荐采用方案1 作为基坑工程的实施方案。考虑到实际施工中根据时空效应理论采用分层、分块开挖,以及基坑底面进行地基加固等有利因素,基坑的变形量将小于本文计算值,同时,在敷设雨水管时在地铁预留通道两侧设置的雨水井,增加了管线适应地层变形的能力,可减小本基坑施工对其的影响。

3
结 语

本文对与上海地铁10号线国权路车站相邻的地下室及地铁连通道基坑围护体系整体方案设计进行了比选优化。根据工程的特点与分析要求,比选采用了三维有限元方法,土体采用了D–P 模型,并根据土体在不同阶段的受力特点,在初始应力状态分析及开挖过程模拟阶段对土体赋予不同的弹性模量。结果表明,在满足基坑周边建、构筑物安全的前提下,推荐采用地下一层区基坑不设封堵墙,且与地下二层通道区基坑整体同步施工这一优化方案。目前此工程正按方案1 实施,见图18。各区基坑已完成底板浇筑,施工对管线及地铁未造成影响使用和运营的影响。基坑施工对环境影响的计算结果与实测数据的比较分析,拟待项目完工后另文讨论。

复杂环境条件下深基坑工程出于保护环境的目的,围护体系设计一般较为保守,基坑工程的安全性冗余量常较大。在确保对环境影响可控的前提下,可根据基坑与被保护对象的平面及竖向相互关系、水文地质情况等方面的特点对支撑体系及施工工序进行适当的优化设计,实现造价及工期的控制,节约投资。同时建议在基坑优化设计过程中在以下方面开展进一步的研究:

(1)将支护体系的优化比选与支护结构本身的优化设计计算相结合,研究进一步优化的可能性。

(2)在复杂环境条件下基坑围护体系的优化可能意味着工程风险的增加,探索建立两者之间的定量变化关系,为优化决策提供更坚实的依据。

(3)结合不同的降水方案对周边环境的影响进行优化研究。


作者:林枫

单位:上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司