黃林江，張瀚宇，曹獻華
(1.深圳招商房地產有限公司,廣東 深圳 518067; 2.金地集團武漢房地產開發有限公司,湖北 武漢 430000)
茶光工業區升級改造(茶光總部園區)項目二期(現更名為:南山智谷大廈)場地位于深圳市南山區,項目涵蓋茶光路、沙河西路、西麗南支路及文光路所圍合的區域,地理位置優越,擬將其打造成“工業化、智慧化、綠色化”的標桿示范項目,是深圳南山區招商引資和拓展產業發展空間的重要項目。項目建筑面積約20.67萬m2,為西麗片區地標性建筑,最高建筑高度259.4 m。該項目共有3層地下室,-1層為商業+停車場,-2層和-3層為停車場+冰蓄冷機房,基坑深度為14 m～15 m。基坑東側臨近沙河西路及深圳地鐵7號線,離地鐵7號線最近處為20.44 m[1]。
本項目樁基施工、土方開挖、基坑降水及拆換撐施工等施工過程,可能導致周邊一定范圍內土體位移及應力改變,進而對周邊軌道設施造成一定影響。因此項目基坑支護設計和施工方案同時兼顧基坑支護結構和軌道設施的安全,本項目由于周邊有重要的地鐵設施7號線,因此基坑支護設計要著重考慮周邊7號地鐵設施運營安全。
參照建筑地基基礎設計規范[2]及深圳市地鐵集團有限公司制定的軌道設施相關管理辦法,地鐵設施變形(隧道變形和鋼軌變形)安全允許值如表1所示。變形值若超過規范標準,會給地鐵軌道交通設施帶來較大安全質量隱患,因此基坑施工過程中,要確保軌道設施安全。項目開工前,提前考慮項目施工全部工況,利用巖土工程有限元軟件zsoil.pc v2016對不同工況地鐵設施變形情況進行仿真計算,針對不利工況制定相應的安全防范措施,有利于確保周邊軌道設施安全。
表1 地鐵設施變形允許值
zsoil.pc v2016軟件不僅操作簡單而且功能強大,基本可以解決在巖土工程中可能遇見的受力和位移問題,其計算結果可靠和有效,在國內工程行業被廣泛認可和運用。本文分析思路如下:以南山智谷大廈項目詳勘報告、設計方案、地鐵7號線設施詳細情況等資料為基礎,采用zsoil.pc v2016對項目地基基礎施工過程中地鐵設施相關參數變化情況進行模擬分析。提前掌握不利工況并做好對應預防措施,確保周邊環境及市政基礎設施安全。
1.1 土體模擬
土體在各種開挖工況中巖土力學變化情況非常復雜。因此,模擬土體在各種開挖工況時運用合適的本構模型,仿真模擬結果才可能與實際施工過程相近。綜合考慮,本次模擬采用小應變硬化土(HSS)模型[3]。
1.2 結構模擬
1)支護結構模擬。采用Shell單元對項目支護結構(混凝土咬合樁)進行模擬。采用此種類型單元模擬,模擬的咬合樁剛度和強度較為符合實際情況。2)內支撐體系模擬。依據設計相關資料,對于支護結構的梁、柱采用Beam單元進行仿真模擬。3)接觸面模擬。考慮支護結構和周邊土體之間的相對滑動(接觸部分的位移不連續)等現象,決定采用無厚度的Goodman單元進行模擬。另外采用軟件的獨特算法,可以用于消除不利影響——接觸面單元“嵌入”結構過大現象,仿真結果更為真實有效。4)立柱樁模擬。采用Pile單元對項目立柱樁(鋼+混凝土組合)進行仿真模擬。5)基坑開挖施工降水模擬。基坑開挖施工降水可采用“飛井”(flying well)進行模擬。根據場地地層分布情況、支護結構、地鐵結構的不同滲透系數,通過流-固耦合計算,分析基坑水位的變化對支護結構、周邊環境及地鐵設施的影響。
1.3 地層空間分布模擬
本項目地層空間仿真模擬采用軟件的三維地質鉆孔空間插值技術進行非線性(指數型、高斯曲線型)模擬,通過輸入鉆孔的數據(坐標、地層的厚度等)自動運算生成。
2.1 項目概況
南山智谷大廈項目采用“鋼筋混凝土葷素咬合樁+2道內支撐”的基坑支護形式。咬合樁葷素直徑均為1.2 m,相鄰樁咬合深度為0.3 m,樁的混凝土強度等級為C30。基坑共設置2道內支撐(冠梁標高區域+腰梁標高區域),基坑開挖深度約14 m～15 m。
坑東側臨近沙河西路及深圳地鐵7號線,離地鐵7號線最近處為20.44 m。
2.2 主要參數和計算條件設定
巖土材料主要計算性能參數見表2。
表2 巖土材料參數表
結合南山智谷大廈項目的基坑開挖深度、周邊地鐵市政設施等布置,選取計算模型尺寸為400 m×380 m×50 m。模型總節點數為287 549個。采用六面體實體單元,總個數為26 846個。滲透單元數為14 364個,板單元194 422個,梁單元2 994個。
計算模型如圖1所示。
2.3 工況設定
共選取項目12種工況進行仿真模擬計算,不同工況描述如表3所示。
表3 仿真工況計算表
2.4 計算結果
根據相關計算參數,生成不同工況下隧道結構變形和地鐵鋼軌變形云圖進行分析,隧道變形最不利工況為工況7,如圖2所示。
臨坑側鋼軌結構水平變形和垂直變形的變形云圖,如圖3所示,最不利工況也為工況7。
經過有限元軟件仿真計算,對12種工況下隧道結構和鋼軌變形云圖及變形歷時曲線的結果進行分析:地鐵隧道結構的最大水平變形為4.24 mm,最大垂直變形為2.94 mm;地鐵鋼軌結構的最大水平變形為3.64 mm,最大垂直變形為2.21 mm,均發生在臨近地鐵側。
由于基坑施工降排水與土方施工卸荷的耦合作用,地鐵隧道結構及鋼軌結構變形的最大發展工況,均發生在基坑挖土卸載至坑底,即工況7。此時土方卸荷完成,對周邊土體和地鐵設施的擾動較大。在此工況下,變化量(水平和垂直變形)與相關地鐵變形規范對比結果如表4所示。其中,地鐵鋼軌結構水平位移變形較大,但未超過規范允許值;地鐵隧道結構水平和垂直變形、地鐵鋼軌結構垂直變形相對于規范值變化較小,遠低于規范值。
表4 各坑側隧道結構變形和鋼軌結構變形量匯總表(最不利工況7)
而工況8—工況12,即基坑的地下室結構施工及周邊換撐結構施工工況,由于換撐板的設置、基坑周邊肥槽的回填以及地下室側墻、樁、梁、板柱組成的整體結構剛度等因素,換撐過程中圍護結構產生的變形增量較小。因此,地鐵隧道結構及鋼軌結構的變形增量也較小。
根據模擬仿真計算及與規范允許值對比結果,在項目基坑施工期間,臨近側地鐵7號線隧道結構變形和鋼軌結構變形均在規范值允許范圍內,基坑施工過程中,周邊地鐵設施(7號線)受施工影響較小,軌道和隧道結構安全。
3.1 結論
根據模擬仿真計算結果,地基基礎施工導致地鐵設施變形的增加值均在規范要求范圍內。因此,按本工程基坑支護設計方案,以及施工單位編制的合理施工方案進行實施,對周邊地鐵(7號線)設施及運營影響較小,結構安全可控。
3.2 建議
1)基坑施工必定會對周邊環境和設施造成影響,但影響程度大小與基坑形狀、支護結構形式、基坑降排水方案等綜合因素密切相關。因此,本項目基坑施工前需要充分考慮所有施工因素,確定合理的施工方案和應急措施。2)支護結構采用旋挖機進行施工,施工過程中會對地鐵結構造成一定程度的擾動,需嚴格控制減少其影響;另外,本場地砂層較厚,基坑的截水措施是減小基坑開挖及降水對周邊環境影響的重要措施之一,因此咬合樁的施工質量控制尤為重要。3)根據仿真結果,土方開挖過程中地鐵形變增量值較大。因此應充分考慮土石方工程施工方案,開挖過程應嚴格遵循“土方開挖原則”,盡量降低其施工影響。4)由于基坑中砂層較厚,即使采用明排,土方開挖也必然引起水位下降,因此,要掌握基坑周邊地層水位變化情況,密切關注水位監測數據,指導基坑降排水進行。
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