鄰近建筑物的復(fù)合地基對(duì)上海地鐵M8線區(qū)間隧道的沉降影響研究
【摘 要】：針對(duì)越來越普遍的鄰近建筑物柔性樁復(fù)合地基沉降對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響，進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究。作者在進(jìn)行了多次類似工程三維數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套適合實(shí)際工程操作的三維數(shù)值模擬方法，包括計(jì)算參數(shù)的取值，計(jì)算工況的分析，以及土體變形的時(shí)效特性對(duì)計(jì)算結(jié)果及分析的影響。并對(duì)周圍已有建筑物﹑樁-土的相互作用及隧道初始應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析。最后筆者將三維計(jì)算結(jié)果與按規(guī)范公式計(jì)算的值進(jìn)行了比較，證明此三維數(shù)值模擬方法的合理性。
【關(guān)鍵詞】：鄰近建筑物，樁基，地鐵區(qū)間隧道，三維有限元
作者簡介：熊燕斌（1975-）,男,江西人,碩士,2000年畢業(yè)于清華大學(xué)水利系，主要從事地下結(jié)構(gòu)及巖土工程的數(shù)值分析與設(shè)計(jì)工作
XIONG Yan-bin, YANG Zhi-hao, FAN Yi-qun
(Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute, Shanghai, 200070, China)
Abstract: In this paper, the settlement of the tunnels of Shanghai’s Metro Line No.8 which is adjacent to existing flexible pile foundations of close-space buildings is studied with 3D finite element numerical simulation method. Based on the experience of many similar projects the authors have worked on, the authors summarize a method that is convenient to apply to the practical engineering. This method includes the decision of parameters of soil, piles, and the relative structures, the calculation cases of different situation, and the consideration of time dependent behavior of cohesive soil. Moreover, the influence of existing buildings, soil-structure interaction, and the original stress of tunnels has been analysed carefully. At last, the calculation of 3D finite element is compared with that of the Chinese code, and it was proved to be reasonable.
Key Words: close-space buildings, pile foundations, metro tunnel, 3D FEA
1 概述
隨著我國城市軌道交通和房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，軌道交通線周圍將有越來越多的鄰近建筑物。上海是一人口密集城市，建筑密度很高，同時(shí)由于上海地質(zhì)條件較差，絕大多數(shù)建筑物都進(jìn)行過地基處理。在發(fā)展軌道交通的同時(shí)，不可避免要面對(duì)鄰近建筑物及其各種地基對(duì)車站和區(qū)間隧道的影響。有時(shí)，建筑物不僅僅是鄰近隧道，而是直接位于它們之上，這必將對(duì)隧道的施工和正常使用產(chǎn)生很大影響。因此，為了把對(duì)環(huán)境的影響減少到最低限度[1]，有必要為這種建筑物對(duì)隧道的影響進(jìn)行研究分析。
天然地基和其中的增強(qiáng)體形成復(fù)合地基，柔性樁復(fù)合地基具有施工方便，承載力高，地基變形小的優(yōu)點(diǎn)[2]。中保人壽上海市市東支公司營業(yè)培訓(xùn)部辦公樓（以下簡稱中保辦公樓）正位于地鐵M8線鞍山新村站與四平路站之間的區(qū)間隧道上，整個(gè)地基采用水泥土攪拌樁加固，形成復(fù)合地基。為了保證此辦公樓興建后的基礎(chǔ)后期沉降不影響地鐵M8線區(qū)間圓隧道的安全及正常運(yùn)營（如區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)沉降量及其縱向沉降曲線曲率變化等）。筆者對(duì)此進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究。
2 工程基礎(chǔ)資料
2.1 工程概況
根據(jù)2003年5月上海某設(shè)計(jì)院提供的“中保人壽市東支公司營業(yè)樓設(shè)計(jì)方案”，本辦公樓由5層, 局部3層單一建筑組成，其中地上部分建筑面積為3284m2，建筑層數(shù)3～5層，建筑高度16.0m;地下部分建筑面積783m2. 為地下一層停車庫，層高取4.2m。底板厚400mm，為梁筏基礎(chǔ)。擬建中的地鐵M8線區(qū)間圓隧道將從該地塊中間穿越，隧道中心標(biāo)高為-11.85m左右（絕對(duì)標(biāo)高），參見下圖1。
圖1 平面布置圖
Fig.1 Plane graph
該辦公樓下采用8米長的水泥土攪拌樁加固地基，樁尖標(biāo)高為-4.5m（絕對(duì)標(biāo)高），距隧道頂只有4.25m的距離，盡管能滿足隧道施工的要求，但對(duì)區(qū)間隧道施工安全和地鐵的正常使用有明顯影響。地鐵M8線區(qū)間圓形隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌結(jié)構(gòu)為單層裝配式鋼筋混凝土管片，襯砌外徑f6.2m，內(nèi)徑f5.5m，管片厚35cm。
2.2 工程地質(zhì)
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告[3]，本場地自地表至35.0m深度范圍內(nèi)所揭露的土層均為第四紀(jì)松散沉積物，按其成因可分為6層，所見土層自上而下分別為：① 雜填土；②1褐黃色粘質(zhì)粉土；②2灰色砂質(zhì)粉土；④灰色淤泥質(zhì)粘土；⑤1灰色粉質(zhì)粘土；⑤2灰色粉質(zhì)粘土夾砂。本場地在15m深度范圍內(nèi)存在②2層灰色砂質(zhì)粉土層，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定為易液化土層，其液化指數(shù)小于5，為輕微液化等級(jí)。土的部分參數(shù)可參見表1。
2.3 對(duì)地鐵工程保護(hù)的控制標(biāo)準(zhǔn)
參照《上海市軌道交通管理?xiàng)l例》（后文簡稱《條例》），地鐵周邊建筑施工對(duì)隧道影響的主要控制標(biāo)準(zhǔn)為：
任意點(diǎn)的附加位移和沉降≤2cm。
施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15000m，相對(duì)彎曲＜1/2500。
3 計(jì)算模型，計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)
3.1 計(jì)算模型
由于該辦公樓布置呈L型，區(qū)間隧道從其下部斜向穿越，用二維模型很難模擬整個(gè)辦公樓對(duì)隧道的影響，為此選擇三維模型進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用ALGOR FEA計(jì)算。該方案的計(jì)算模型見圖2﹑圖3。
?。?）計(jì)算邊界及對(duì)周圍已有建筑的考慮
根據(jù)圣維南原理及規(guī)范[6]，計(jì)算邊界的確定如下: 縱向長度為102m, 橫向?qū)挾葹?01.4m, 深度范圍為隧道結(jié)構(gòu)底21.5m。
由于周圍建筑均為已建建筑，它們的基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定，對(duì)地鐵M8線區(qū)間隧道的附加沉降影響很小，故在模型中不予考慮。
?。?）柔性樁-土之間的相互作用
本工程地基土采用水泥土攪拌樁加固，形成復(fù)合地基。由于水泥土攪拌樁等柔性樁和土之間的作用界限不如剛性樁和土之間明顯，加之本工程的荷載相對(duì)較小，樁和土體之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的可能性不大，故模型中不設(shè)樁土之間的接觸面單元，當(dāng)作連續(xù)體考慮。整個(gè)模型采用三維八節(jié)點(diǎn)塊體單元，保持各變形體之間的變形協(xié)調(diào)。
?。?）隧道的初始應(yīng)力
隧道施工完成后，承受來自周圍土體的作用力，由于隧道為圓形，本身的變形很有限，一般小于隧道外徑的1‰。另因本工程僅考慮鄰近建筑物引起的隧道附加沉降。故對(duì)隧道本身因初始應(yīng)力引起的變形不予考慮。
3.2 計(jì)算工況
中保辦公樓工程擬于2003年9月開工，到2003年12月上旬全部完成地面主體結(jié)構(gòu)，而地鐵M8上、下行線盾構(gòu)計(jì)劃分別于2004年2月份和6月份從中保辦公樓基礎(chǔ)附近掘進(jìn)通過。由于兩條隧道通過本地塊的時(shí)間不同，因此計(jì)算分兩個(gè)工況進(jìn)行。工況一為上行線隧道已建好，下行線隧道待建，工況二為兩條隧道均已建好，計(jì)算網(wǎng)格參見圖4。兩個(gè)工況均考慮中保辦公樓工程剛建成即開始隧道的掘進(jìn)。
3.3 計(jì)算參數(shù)
雖然地質(zhì)報(bào)告僅提供了土體的壓縮模量ES0.1～0.2，以及e-p曲線，但在三維計(jì)算中需要土體的變形模量E0。僅從理論上分析，壓縮模量ES和變形模量E0有如下的關(guān)系式[4]：
但大量的實(shí)測值表明，上式和實(shí)測值之間還有相當(dāng)大的出入。故實(shí)際應(yīng)用中常在前加一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)x，(1)式變?yōu)椋?/P>
上式中：x的值與土的種類和壓縮性密切相關(guān)，實(shí)際工程中需按一定經(jīng)驗(yàn)取值，E0/Es的經(jīng)驗(yàn)取值可參考[4]。Es為每層土從自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用時(shí)的壓縮模量。本工程計(jì)算中取用的參數(shù)見表1。
4 計(jì)算結(jié)果分析
中保辦公樓工程的水泥土攪拌樁樁尖坐落于②2層灰色砂質(zhì)粉土中，由于下臥層是第④層土,該土層壓縮性較高，因此需考慮較多的基礎(chǔ)后期沉降對(duì)地鐵區(qū)間圓隧道的影響。盡管樁的后期沉降和它的周圍土層以及下臥土層的固結(jié)有關(guān)，但由于本工程地基為整體加固，樁土的相互作用僅存在整個(gè)復(fù)合地基的邊界位置，另外，由于第④層土較厚，達(dá)9.96m，其下土體的附加應(yīng)力較小，故本工程主要考慮第④層土固結(jié)的影響。根據(jù)計(jì)算，該層土的固結(jié)度（Qt）隨時(shí)間(t)變化曲線見圖5，因此基礎(chǔ)某一時(shí)間的沉降量St= Qt·S∞。 根據(jù)此曲線，中保辦公樓工程建成2個(gè)月和6個(gè)月后，基礎(chǔ)將完成總沉降量的20%和40%，在本文中，考慮地鐵M8線上、下行隧道分別承擔(dān)此辦公樓復(fù)合樁基80%和60%的沉降量。
4.1 工況一分析
從圖6可知，盡管復(fù)合地基下臥層為第④層，壓縮量較大，但由于地下室開挖深度較大 ，開挖使土體卸荷，有效地減少了因上部結(jié)構(gòu)所引起的地基中附加應(yīng)力，因此基礎(chǔ)沉降量不大，為3.4cm，由此引起的地鐵區(qū)間隧道附加沉降為1.34cm?？紤]工程實(shí)施中，上行線區(qū)間隧道在本工程主體結(jié)構(gòu)封頂2個(gè)月后掘進(jìn)通過，從圖5可以看出，本工程主體結(jié)構(gòu)竣工2。
個(gè)月后第④層土的固結(jié)度可以達(dá)到20%左右，這樣，實(shí)際工程中因基礎(chǔ)沉降引起上行線區(qū)間隧道最終的附加沉降量為1.34x0.8=1.07cm，滿足《條例》中附加沉降≤2cm的要求。
4.2 工況二分析
從圖7可知，盡管由于地下室開挖深度較大，有效地減少了地基中的附加應(yīng)力，但由于下行線區(qū)間隧道距復(fù)合地基主荷載分布區(qū)的距離較小，區(qū)間隧道的附加沉降量達(dá)到1.69cm?？紤]工程實(shí)施中，下行線區(qū)間隧道在本工程主體結(jié)構(gòu)封頂6個(gè)月后掘進(jìn)通過，從圖5可以看出，本工程主體結(jié)構(gòu)竣工6個(gè)月后第④層土的固結(jié)度可以達(dá)到40%左右，這樣，實(shí)際工程中因基礎(chǔ)沉降引起區(qū)間隧道最終的附加沉降量為1.69x0.6=1.01cm，同樣滿足《條例》中附加沉降≤2cm的要求。
綜合上述三維模型的沉降計(jì)算結(jié)果,還可得到以下相關(guān)結(jié)果，見表2。
由上表可知，隧道的附加曲率半徑和最大相對(duì)彎曲也均滿足《條例》的要求。
4.3 與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果比較：
按設(shè)計(jì)單位提供的計(jì)算書，以上海市規(guī)范[6]和國家規(guī)范[7]中的公式為依據(jù)，計(jì)算出的基礎(chǔ)最大沉降量為3.1cm，與筆者三維計(jì)算的3.4cm稍有出入。分析下來主要是：設(shè)計(jì)單位提供的計(jì)算書僅僅計(jì)算了五層主樓的荷載，沒有考慮三層輔樓荷載對(duì)主樓的基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的影響。而三維計(jì)算中考慮了此輔樓的荷載，用以確保區(qū)間隧道的施工和使用安全。這樣造成三維計(jì)算結(jié)果比規(guī)范公式算出的偏大。但偏差的幅度在可接受范圍之內(nèi)，由此也說明此三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性。
5 結(jié)論
通過上面的計(jì)算與分析，作者得出以下結(jié)論：
5．1 盡管線彈性的土體本構(gòu)模型不能象非線性﹑彈塑性等復(fù)雜本構(gòu)模型一樣更精確地反應(yīng)土的特性，但由于其參數(shù)的取值和計(jì)算相對(duì)方便，通過一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果仍具有較高的可信度和參考價(jià)值。從而為該辦公樓工程建設(shè)工期的合理安排，以及區(qū)間隧道的施工×﹑使用安全提供了重要的參考依據(jù)。
5．2 在實(shí)際研究中，應(yīng)仔細(xì)分析各影響因素，盡可能簡化模型。本文在考慮了本工程周圍已經(jīng)建好的各種建筑物﹑土-結(jié)構(gòu)的相互作用和隧道的初始應(yīng)力對(duì)區(qū)間隧道可能存在影響的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析，逐一排除，達(dá)到簡化模型的目的，提高了效率。
5．3 施工時(shí)間的合理控制有時(shí)會(huì)成為關(guān)鍵因素。從本文對(duì)中保辦公樓的分析可以知道：在考慮了土的固結(jié)效應(yīng)之后，本工程地基沉降對(duì)隧道的影響大大減少。在有的工程中，土的固結(jié)時(shí)效往往會(huì)成為決定因素：有時(shí)，計(jì)算出的區(qū)間隧道附加沉降大于2cm，不能滿足條例的要求，但在考慮了施工時(shí)土的固結(jié)時(shí)效后，最后的隧道附加沉降就可能控制在條例規(guī)定的范圍之內(nèi)。
參考文獻(xiàn)：
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3 中保人壽市東支公司營業(yè)樓巖土工程勘察報(bào)告[R] 上海市楊浦區(qū)工程地質(zhì)勘察公司，2003
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6 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] DGJ08-11-1999
7 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] GB 50007-2002
文章出處：《城建集團(tuán)第三屆科技大會(huì)論大集》
