基坑设计方案(分册2).doc

xx国际广场

C、D块高层建筑后期沉降对
地铁车站、区间隧道影响分析

xx市隧道工程轨道交通设计研究院
xx年xx月

目 录

1工程概况……………………………………………………………………………1
1.1 D地块23＃楼概况……………………………………………………………………… 1
1.2 C地块19＃楼概况 …………………………………………………………… 2
2 计算理论……………………………………………………………………………… 2
2.1 有限元计算理论 …………………………………………………………………2
2.2计算参数…………………………………………………………………4
3 地铁保护区域高层沉降对地铁车站影响分析 ……………………………………5
4 地铁保护区域高层沉降对区间隧道影响分析 …………………………………7
5地铁保护技术标准要求……………………………………………………………10
6结论…………………………………………………………………………10

1. 工程概况
1.1 D地块23＃楼概况
xx国际广场工程地处xx市xx区西北角，东起xx路，西至xx路，南临xx路，北抵xx铁路。
D块工程内的23#办公塔楼位于地铁7号线xx路车站的50m保护范围内，距离车站的距离为31～35m。23＃楼地上总计23层，室内外高差0.30m，塔楼屋面标高91.5m；地下室总计二层，地下一层层高为5.95m，地下二层层高为3.55m。底板面标高为-10.00m。地下室顶板厚度为0.18m，下一层板厚为0.15m，筏板厚度为1.8m，垫层厚度约为0.1m。筏板下设置64.6m长的φ850灌注桩，桩端进入2层灰色粉砂土。
xx路为地下两层岛式站台车站，车站主体结构侧墙为双层叠合墙，连续墙厚度为0.6、0.8m，内衬墙厚度为0.4、0.6m。与地块D区结合的结构型式为单柱双跨钢筋砼框架结构，顶板厚0.8~1.0m，中板厚0.4m，底板厚1.0m。在连接区域，xx路车站西侧的连续墙深度为28m，车站底板深度约为15.3m。
23＃楼相对地铁车站关系如图1所示。
xx
xx

图1 23＃楼相对地铁车站关系

1.2 C地块19＃楼概况
C地块内的19＃高层位于地铁7号线xx路与xx路地铁区间隧道的保护区域内，该楼为长条形，南北向长边61.5m平行于地铁区间隧道。19＃房屋距离地铁区间隧道的最近距离为24.9m，平均距离约为26.8m。19＃楼为框架剪力墙结构，楼高85m，设置一层地下室，地下室埋深6.7m(相对于既有地面绝对标高3.90)，采用筏板基础，筏板下设置64.6m长的φ850灌注桩，桩端进入2层灰色粉砂土。
19＃高层附近的地铁7号线区间隧道线路中心间距为13.2m，区间隧道线路平面为1000m圆曲线，隧道外直径6.2m，内直径为5.5m。盾构隧道的管片混凝土强度等级为C55，主筋采用HRB335钢筋。区间隧道位于第层淤泥质粘土层中，隧道顶部覆土厚度为9.24m。
19号楼相对于地铁区间隧道的关系如图2所示。

图2 19＃楼与地铁区间隧道的平、剖面图
2. 计算理论
2.1 有限元计算理论
计算采用三维有限元进行分析，土体和混凝土结构采用八节点六面体等参元进行模拟。在局部坐标系中，八节点等参元如下图所示：

图3 八节点等参元

具有C0 阶连续性的八节点单元，在局部坐标系中，其节点坐标和形函数如下所示：

(1)

该单元是常应变单元，其单元刚度矩阵为24x24阶，单元内任意一点的坐标可以用节点坐标表示为：
(2)
单元内任意一点的位移，通过形函数可以用节点位移表示如下：
(3)
上式中，I为3x3单位矩阵。
该单元的应变－位移关系矩阵为：
＝ (4)
即：
为了得到应变—位移矩阵中的应变矩阵，需要得到形函数对总体坐标的导数。通过先用形函数对局部坐标求导，然后再利用Jacob矩阵的逆阵进行坐标变换，可以得到形函数对整体坐标的导数。
根据公式(1)，可以得到Ni对局部坐标的导数。如N1对局部坐标的导数如下：

形函数对于局部坐标和整体坐标的导数通过Jacob矩阵建立联系,转换关系如下:
(5)
公式中为Jacob矩阵，如下式所示：
(6)

形函数对整体坐标的导数如下所示：
(7)
公式中，Jacob矩阵逆阵
(8)
计算得到的应变矩阵，如下式所示：
(9)
公式中：

单元的应力—位移关系矩阵推导时，考虑土体卸载过程为弹性卸载过程，土体的应力应变关系运用广义Hooke定律来表示：
(10)
各个应力分量为：

根据最小势能原理，可以建立六面体单元的刚度矩阵：
＝ (11)
公式中GP为每个方向的Gauss积分点数，Wp，Wq，Wr为相应的权函数。
在三维等参元的单元面上作用的面力，利用Galerkin原理可以得到该面力的等效荷载：
(12)

2.2 计算参数
根据高层结构筏板基础计算的最大沉降量作为有限元模型的输入数据，分析基础沉降对临近地铁和区间隧道的影响。高层建筑的基础沉降由高层结构设计单位提供，计算土层的主要参数如表1所示。

表1 土层主要参数
土层层号
土层名称
重度γ(KN/m3)
粘聚力c(KPa)
内摩擦角Φ(°)
压缩模量Es0.1-0.2（Mpa）
泊松比ν
②
褐黄－灰黄色粉质粘土
18.7
17
24
5.9
0.39
③
灰色淤泥质粉质粘土夹粘质粉土
17.7
10
23
5.18
0.42
④1
灰色淤泥质粘土
16.8
12
11
2.02
0.42
④2
灰色粉质粘土
18.3
5
31
6.48
0.40
⑤
灰色粉质粘土
17.9
17
14.5
3.48
0.40
⑥
暗绿－草黄色粉质粘土
19.5
46
15
6.86
0.38
⑦1
黄－灰色砂质粉土
18.7
6
35
10.29
0.36

3．地铁保护区域高层沉降对地铁车站影响分析
根据筏板基础的最大沉降量，计算筏板基础的沉降对地铁车站沉降的影响。23#号楼筏板的厚度为1.8m，设置φ850的钻孔灌注桩，桩长64.6m，进入2层灰色粉砂土层中，单桩竖向承载力设计值为3500kN。根据TBSP计算结果，筏板基础的最大沉降量为21mm。有限元计算模型如图4所示，采用八节点等参元模拟土层和结构，单元总数为32364，节点总数为37046。根据高层沉降引起的土体位移场如图5所示。高层沉降引起的车站结构变形如图6所示，车站最大沉降为0.1mm，车站最大水平位移为0.14mm，车站结构的倾斜为0.17mm，高层结构的后期沉降对车站的影响较小。高层沉降引起的车站结构内力变化如图7所示，车站结构最大竖向应力变化为0.06MPa，最大水平应力变化为0.04MPa。

图4 高层沉降对车站影响计算模型

(a) 土层空间竖向沉降(m)

(b) 土层空间水平位移(m)
图5 23＃高层沉降引起的土层位移场

(a) 横断面沉降

(b) 车站结构竖向位移(m)

(c) 车站结构水平位移(m)
图6 车站结构附加变形图(m)

(a) 车站结构竖向应力变化(kPa)

(b) 车站结构水平应力变化(kPa)
图7 车站结构附加应力图(kPa)

4．地铁保护区域高层沉降对区间隧道影响分析
19＃楼筏板的厚度为1.8m，设置φ850的钻孔灌注桩，桩长64.6m，进入2层灰色粉砂土层中，单桩竖向承载力设计值为3500kN。根据TBSP计算结果，筏板基础的最大沉降量为21mm。根据19＃楼高层的最大沉降量，分析沉降对地铁区间隧道的影响，计算模型如图8所示。采用8节点等参元模拟土层和结构，单元总数为25988，节点总数为29227。图9为高层沉降引起的土体竖向位移场和水平位移场，高层沉降引起的区间隧道结构变形如图10所示，隧道最大竖向位移为0.15mm，隧道最大水平位移为0.2mm。高层沉降引起的隧道结构内力变化如图11所示，隧道结构最大竖向应力变化为0.015MPa，最大水平应力变化为0.015MPa，能够满足区间
隧道的结构安全和正常使用要求。

图8 19＃高层沉降对隧道影响计算模型

(a) 土层空间竖向沉降(m)

(a) 土层空间水平沉降(m)
图9 19＃高层沉降引起的土层位移场

(a) 横断面竖向位移(m)

(b) 隧道结构竖向位移(m)

(c) 隧道结构水平位移(m)
图10 隧道结构附加变形图(m)

(a) 隧道结构竖向应力变化(kPa)

(b) 隧道结构水平应力变化(kPa)
图11 隧道结构附加应力图(m)

5．地铁保护技术标准要求
根据xx市市政工程管理局“xx市市政法（xx）第xx号文”中关于“xx市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定”的通知，其中第二条“地铁保护技术标准”规定：
深基坑、高楼桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度，必须符合以下标准：
l 在地铁工程（外边线）两侧的邻近3米范围内不能进行任何工程。
l 地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。
l 隧道变形的曲率半径≥15000m。
l 相对弯曲≤1/2500。
l 由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20kPa。
由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。
根据上述情况及地铁保护标准在基坑开挖施工中应严格控制基坑围护结构的变形和坑底土体的回弹，并严格控制使用阶段基础的工后沉降，以减少对地铁车站的附加变形影响。
6. 结论
xx国际广场D块的23＃楼，C块的19＃楼在地铁7号线xx路车站和区间隧道的50m保护范围内。23＃楼距离地铁车站的最近距离为31m，19＃楼距离区间隧道的平均距离为26.8m。为了减少高层后期沉降对地铁车站和隧道的影响，高层采用筏板桩基，设置φ850的钻孔灌注桩，桩长均为64.6m，进入2层灰色粉砂土中。根据高层结构基础的计算分析，房屋的最大沉降量为21mm。
通过三维有限元的分析可知，高层的后期沉降对地铁车站和区间隧道的影响较小，引起的车站和隧道的沉降、水平位移均在1mm范围内，可以满足车站、区间隧道的结构安全和正常使用要求。