張 麒,黃軍華,高丙山,姚文山,齊貫南
(中國建筑第八工程局有限公司,上海 200135)
首創·天閱海河項目位于天津市地鐵6號線北運河站,占地面積10.91萬m2,總建筑面積43.595萬m2, 由南北A,B街坊6個基坑組成,包括住宅、酒店式公寓、地下車庫、寫字樓及相關附屬設施等。地下室及地上商業樓為框架結構,地上主樓為剪力墻結構(見圖1)。建設區域內與地鐵6號線北運河站有4個結合城市新建民用建筑修建的戰時可用于防空的地下室口,是全國首例在運營地鐵兩側進行結建上蓋的站城一體化綜合體。運營地鐵兩側進行不同深度基坑開挖。
圖1 工程整體效果
天閱海河項目地上建筑面積25.265萬m2,地下建筑面積18.330萬m2,共6個基坑,分4期建設,分別為1期、2期(2A,2B)、3期(3A,3B)、4期,其中第2,3期橫跨既有運營中的地鐵6號線(預留北運河站),第1,4期處于地鐵保護區內。
天閱海河項目1,2B期為地下3層,開挖深度17.1m;2A,3A期為地下2層,開挖深度11.8m;3B期為地下3層,開挖深度16.6m;4期為地下3層,開挖深度17.7m,分期情況如圖2所示。
圖2 基坑群與地鐵結構關系
項目2A期基坑整體開挖深度11.8m,2B期基坑整體開挖深度17.1m。2A期基坑圍護結構為鉆孔灌注樁支護+2道鋼筋混凝土內支撐,2B期基坑圍護結構為鉆孔灌注樁支護+2道鋼筋混凝土內支撐,局部設置3道支撐支護形式,如圖3所示?;觽缺诎踩燃墳橐患?,因工程建設需要,2A,2B期同期對稱施工。地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構剖面關系如圖4所示。
圖3 地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構平面關系
圖4 地鐵兩側對稱基坑與地鐵結構剖面關系
項目地處富水軟土地區,主要以雜填土、淤泥質土、粉質黏土為主,影響基坑水層的有潛水層和第一承壓水層,運營地鐵結構處于第一承壓水層,如圖5所示。
圖5 基坑水文地質條件
項目位于天津市河北區,東側為已施工完成的新建小區,距離基坑40.0m;南側為富堤路及京杭運河,距離基坑52.0m;西側建筑物距離10.0m,與市政道路距離7.0m;距西南側既有建筑物最近約10.0m,距外側富堤路約7.0m。地下管線距深基坑較遠,分布于東側新建道路上。
地鐵變形控制指標如表1所示。
表1 地鐵變形控制指標
基坑變形控制指標如表2所示。
表2 基坑變形控制指標
2.1中穿不同挖深軟土基坑群
運營地鐵兩側基坑開挖深度不同,開挖期間受不均衡側向土壓力影響極易引起地鐵側向位移,運營地鐵水平位移是工程控制難點之一。前期針對工程特點進行有限元模擬分析,經模擬驗算,區間隧道水平位移為12.97mm(2A→2B,預警值7mm),車站主體水平位移為10.58mm(2A→2B,預警值6mm),站體與隧道水平差異變形為0.8mm(2A→2B,預警值0.2mm)。
經模擬反演,2A,2B期基坑開挖卸荷時最大隆起分別為60,84mm;基坑降水引起周邊沉降平均12mm,最大21mm;以上隆沉造成地鐵豎向變形達19.79mm(預警值12mm)。
站體筏板+樁基礎結構為剛性體系,隧道區間管片結構為柔性體系,站體與隧道不同剛度沉降差異較大,經模擬反演地鐵車站與盾構隧道區間連接處差異沉降0.58mm,超出控制值(0.2mm)。
本工程模擬計算采用PLAXIS 3D建立整體三維有限元模型,如圖6所示。模型以線路方向為x軸,垂直方向為y軸,豎直方向為z軸。為消除模型邊界效應,x軸方向取480.0m,y軸方向取510.0m,z軸方向取60.0m。模型計算采用10節點四面體單元,共劃分521 934個單元,754 700個節點。
圖6 地鐵隧道計算模型
地鐵車站x向即水平位移最大值出現在地鐵車站東側地下連續墻中心處,呈現向3B期基坑移動趨勢。z向即豎向最大位移為隆起變形,出現在東側地下連續墻頂部靠近3B期東側基坑位置,因受到3B期基坑開挖影響較大,x負向水平位移最大值6.48mm,x正向水平位移最大值12.97mm;隆起變形最大值19.79mm,沉降變形最大值6.31mm;隧道最大水平位移10.58mm,最大上浮19.63mm。通過以上分析可知,車站變形受2B,3B期東側基坑開挖影響較大,在3B期施工過程中應加強監測車站,及時采取控制措施。
隧道x,y,z向豎向最大位移都出現在東側隧道靠近2B期基坑位置,最大位移皆向2B期基坑移動,這是由于2B期基坑開挖深度較深所致。因此,開挖2B期基坑時,需嚴格控制開挖,監控隧道變形,并采取針對性保護措施,減少變形。
2B,3B期東側地下3層基坑施工影響車站、區間隧道的程度如圖7和表3所示,因此施工期間應嚴格進行控制。
圖7 主要影響階段分析
表3 數值模擬分析結果 mm
根據數值模擬分析結果,基坑開挖對既有地鐵的主要影響在于車站主體、隧道豎向及水平位移、既有地鐵車站、隧道結構最大收斂值及站端隧道結構的變形。根據預測結果,以上6項均超過報警值,需予以控制。
該項目基坑工程難度大、精度要求極高,常規的監測反饋方式不適用,基坑內部、基坑外部、地鐵隧道內部、地鐵外圍結構、地下水位等部位的1 100余項監測點位數據需進行整理耦合,并要實現實時反饋,工作量與難度極大。該項目通過智能監測系統,將各監測數據和地鐵監測數據同時納入系統進行自動分析,更容易找出發生問題的關鍵點,為應急提供準確的數據支撐,從而在監測角度保證地鐵運營安全,確保項目順利實施。
以天津市地鐵為例,目前為止已將所有地鐵施工中存在的應急措施、預案進行規整,累計達360余項,且在不斷完善中。地下結構施工存在諸多不確定因素,實施過程中會不斷根據出現的風險完善應急管理體系,并針對性制定預防措施,明確應急分工,以形成完整的應急預警聯動機制,保證第一時間采取各種應急措施實施控制,保證地鐵運行安全。
該項目通過智能監測系統同時納入地鐵和基坑監測數據,并進行自動分析,每天形成匯總數據及變形曲線,可及時反饋預警點、數據,并根據監測數據調整施工步序,采取應對措施。
1)基坑監測點布設 根據基坑周邊環境情況、水平位移基準點、監測點組成附合、閉合導線或導線網。在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位布設監測點,在布設測斜管的對應頂部位置布設水平位移監測點,監測點水平距離≤20m。
2)運營地鐵監測點布設 在地鐵內采用智能監測系統實時監測地鐵,監測點平面布設如圖4b所示。監測內容包括地鐵結構及隧道豎向位移、水平位移、差異沉降、隧道收斂等。
3)智能一體化監測 采用智能一體化系統實時監測、分析、預警運營地鐵和基坑變形。通過高清PTZ攝像系統、智能化靜力水準測量監測系統、測量機器人智能監測系統和結構縫開合度智能化監測系統,實現地鐵結構主要變形指標智能化監測,系統控制基坑及地鐵變形,以確保地鐵運營安全。利用智能監測、分析系統,實現多點協作、信息共享、應急響應聯動,通過多源數據融合進行大數據統計分析,通過多端口通信方式實時共享信息,保證在基坑監測點位異變的第一時間傳遞有效信息,以精細化管理控制地鐵風險。
地鐵停運期間,定期巡查地鐵隧道內部,觀察變形較大點位發展情況,及時分析原因,并統計整理地鐵隧道內病害,分類比對智能一體化監測數據,校正智能監測疏忽點位,及時跟進處理異常點位。
4)信息化指導施工 利用模擬推演運營地鐵變形數值,對監測數據進行自動化實時趨勢分析,通過實際工況全景監控和報警應急處置系統,保證地鐵運營安全的智能化推演、分析、應急處置。
施工前,通過模型推演變形數據制定應急預案,智能一體化系統分析監測數據實時變化后發送給專家。專家通過系統向現場管理人員發送指令,指導現場管理人員安排下一步工作。應急處置過程中,通過系統查看人、材、機應急準備時間,可對現場做相應預處置和應急準備,如圖8所示。
圖8 智能一體化監測系統
比對關鍵點位的變化趨勢與模擬推演系統形成的控制點位趨勢,校正模擬推演控制點位變形數據,通過數據調整不斷真實化模擬推演。
目前2A,2B期正施工地下結構;3A,3B期進入圍護結構及樁基施工階段,基坑施工期間地鐵各變形指標變化均在可控范圍內,變形數值較穩定。地鐵變形情況如表4所示。
表4 地鐵累計變形
地鐵豎向最大位移10.3mm、水平位移4.8mm,地鐵結構與隧道間差異沉降為1.7mm,如圖9所示。隨著土方開挖,地鐵變形逐步加大,開挖卸荷位置距地鐵結構不同,地鐵變形的變化速率存在明顯不同,變化曲線與模擬數據情況基本相符,如圖10所示。
圖9 地鐵變形情況
圖10 地鐵軌道變形曲線
在啟動抽降第一層承壓水后,地鐵出現0.4mm下降,有效緩解開挖卸荷引起的隆起變形。啟動堆載反壓后,地鐵存在近0.6mm下降,隨著土方開挖完成進入結構施工階段,地鐵變形得到有效控制,各項數據基本趨于穩定。
在特級風險基坑施工中,及時、準確的監測數據是指導現場施工的有利依據,結合預定工況進行變形數據模擬,確定最不利點位,并采取智能化手段進行監測、分析,是控制基坑變形風險的有效手段,應加以推廣應用。