新建工程对在营地铁结构的安全性影响研究_董崇海.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315022新建工程对在营地铁结构的安全性影响研究收稿日期:2022 12 02作者简介:董崇海(1989 )，男，硕士，工程师，从事建筑结构设计工作;陈中华(1986 )，男，工程师，从事建筑结构设计工作*通信作者:吴大鹏(1981 )，男，硕士，高级工程师，从事建筑结构设计工作董崇海，吴大鹏*，陈中华(广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州510000)摘要:通过数值模拟分析某住宅项目的深基坑及基础工程施工对临近在营地铁结构的安全性影响，获取地铁结构在项目基坑及基础施工过程 10 个工况下的变形及内力值。计算结果显示该项目施工过程产生的累计最大变形及内力值对地铁结构的安全性无影响，证明基坑及基础工程设计方案合理可行。结合地铁结构现状调查、仿真数值模拟、施工过程地铁结构变形监测及相关保障措施，可以使地铁结构变形量控制在合理范围内，达到保护地铁结构安全的目的。关键词:数值模拟;施工工况;地铁结构变形;风险控制中图分类号:TU473 2文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0087 04随着我国城镇化进程加快，重点城市人口密集度提升，交通拥堵加剧，为加快城市中心与郊区协调发展，城市轨道交通线路网络发展迅速。在建设用地紧缺的市中心，地铁线网尤为密集，新建用地或旧改用地经常与地铁结构存在不同程度的空间毗邻或交错，甚至许多城市的轨道 TOD 项目与地铁、城际轨道及高速铁路等同时存在空间关联，在时间上又存在建设前后的关系。因此，对于新建住宅项目临近在建或在营的地铁线路时，要充分考虑项目全过程建设对地铁结构变形及安全性影响，确保地铁建设安全或运营期间的结构安全1。本文结合实际工程项目进行新建住宅项目的深基坑及基础工程对在营地铁结构的安全性研究。1工程概况11项目简介项目占地约 2 万 m2，规划4 栋100 m 高层住宅，拟建两层地下室(局部 1 层)，地下室开挖深度约 7 m 86 m。项目基坑周长约 485 m，基坑边线与在营地铁结构外边线水平距离约 38 m，项目基底距离隧道顶竖向距离约 24 m，项目局部建设场地处于地铁控制保护范围，与地铁临近一侧基坑边长约 182 m2。本项目临近地铁隧道采用矿山法施工，区间设置中间风井，建设期间风井兼作矿山法施工竖井。矿山法施工的隧道按喷锚构筑法设计，采用复合式衬砌结构形式，初期支护由喷混凝土、锚杆、钢筋网、格栅钢架等支护组合形成，二衬采用模筑钢筋混凝土，内外层衬砌之间拱墙铺设防水层。12地质情况拟建场地构造稳定，土层自上至下主要分布有素填土、粉质黏土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩等。场地内无不良地质，但存在软硬夹层及孤石，岩面起伏大。地下水对工程建设主要影响为微腐蚀性。在营地铁隧道位于微风化花岗岩，拟建项目基底主要处于黏性土土层中。13设计方案131基坑支护拟建项目基坑支护方案初定为临地铁一侧的两层地下室 区 段 采 用 双 排 灌 注 桩 悬 臂 支 护，前 排 灌 注 桩 800 mm1 200 mm，后排灌注桩 800 mm 2 400 mm，前排灌注桩桩间设置 600 mm1 200 mm 旋喷桩止水，每排桩顶设置 800 mm 600 mm 混凝土冠梁，前、后排桩顶冠梁设置 600 mm 厚混凝土连板;临地铁一侧1 层地下室区段采用单排灌注桩悬臂支护，灌注桩 800 mm1 200 mm，桩间设置 600 mm 1 200 mm 旋喷桩止水，桩顶设置 800 mm 600 mm 混凝土冠梁;非临地铁一侧的 2 层地下室区段采用 800 mm 1 200 mm 灌注桩及一道锚索支护，其余区段均采用放坡(局部土钉墙)支护，见图 1。土钉墙场坪标高 24.520.86桩锚放坡中间风井区间外轮廓线悬臂灌注桩约 38 m场坪标高 24.5双排桩场坪标高 23.2020.86场坪标高 24.5-2 层基底 16.9217.05-1 层基底20.3220.55图 1基坑支护方案平面图约 38 m单位：m132基础方案本项目塔楼为剪力墙结构，4 栋高层及 1 层地下室初定采用 770 mm 旋挖钻孔灌注桩(抗压承载力特征值78第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023a=4 300 kN，桩端持力层为中风化花岗岩);2 层地下室采用天然独立基础，设置 250 mm 抗拔锚杆(抗拔承载力特征值300 kN)，锚杆锚固段长度介于5 m 12 m 之间。基础方案见图 2。塔楼及-1 层区域采用灌注桩基础塔楼采用灌注桩基础，-2 层地下室采用独立基础+抗浮锚杆图 2基础方案平面图2评估内容研究通过建立基坑及基础与地铁结构的三维有限元模型进行动态施工过程的仿真，模拟该项目基坑及基础工程施工全过程对地铁结构产生的变形及内力的影响，评估地铁运营的安全性。根据 DBJ/T 15 1202017 城市轨道交通既有结构保护技术规范3(以下简称轨道交通规范)判定本项目外部作业影响等级为四级，地铁结构变形控制值为隧道水平位移，竖向位移小于 15 mm。21评估方法通过建立地层 结构模型对该项目基坑及基础工程在施工过程中引起的地铁结构变形进行计算分析。计算中假定地铁结构等混凝土结构为弹性材料、土体为弹塑性材料并采用修正摩尔 库仑模型;假定地铁结构与土体之间符合变形协调原理;假定基坑及基础全过程施工正常顺利;假定项目基坑周边地面超载 20 kN/m2。该项目数值模拟进行 12 个工况的施工全过程分析，各工况对应的施工内容见表 1。表 1基坑及基础施工工况表施工工况主要施工内容工况 1场地初始应力场分析工况 2地铁隧道施工完毕工况 3项目基坑施工工况 41 层基坑开挖工况 5基坑开挖至 1 层基底工况 62 层基坑开挖工况 7基坑开挖至 2 层基底工况 8项目桩基础旋挖成孔工况 9项目桩基础浇筑工况 10项目桩基础承台、底板施工工况 11地下室 2 层施工工况 12地下室 1 层施工、地下室施工完成22评估流程整个评估流程主要分 3 个步骤:对在营地铁结构进行现状调查，收集地铁结构现阶段变形及开裂情况，评估结构的当前安全状态;建立有限元模型进行数值模拟，研究基坑及基础工程施工过程对地铁结构的安全影响;提出安全性评估结论，结合施工保护方案及监测措施保障地铁结构安全。3数值模拟31有限元模型根据该项目基坑及基础工程与地铁隧道结构的空间立体关系，结合基坑及基础工程设计方案和施工特点，本次数值模拟采用 MIDAS GTS NX 软件进行计算分析。有限元模型见图 3。（a）基坑与地铁结构（b）基础与地铁结构图 3有限元模型32有限元计算基坑、基础施工全过程中地铁结构的水平位移向该项目基坑方向偏移，竖向位移趋势为隆起。从基坑施工开始地铁结构各项位移值逐渐增大，施工至桩基础成孔及浇筑时各项位移值最大，随着地下室施工及土方回填各项位移值逐渐变小。整个基坑及基础工程施工过程中地铁结构累计变形值均小于控制值，各工况下的累计位移见表 2，地铁结构在位移最大时的位移云图见图 4。表 2地铁结构累计位移mm工况总位移x 向水平位移y 向水平位移竖向位移工况 12 832 202 201 80工况 22 832 202 201 80工况 32 842 202 211 80工况 43 042 222 411 84工况 53 202 232 571 87工况 63 292 242 661 88工况 73 382 252 751 89工况 83 392 262 761 90工况 93 392 262 761 90工况 103 322 232 701 88工况 113 252 232 621 88工况 123 172 232 531 87对于在营地铁结构，在地铁隧道施工完毕(工况 2)时即有初始内力，该项目基坑及基础工程施工过程中地铁结构内力呈逐渐增大的趋势。最终以施工过程中引起的最大内力对地铁结构进行验算，结果满足受力要求。本次研究对隧道结构及中间风井结构的内力进行单独提取，主要内力变化见表 3，表 4，最大内力云图见图 5。88第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑（c）工况 8 时 y 向水平位移云图（d）工况 8 时竖向位移云图DISPLACEMENTTOTAL T，mm+5.359 03e-001+4.929 22e-001+4.499 41e-001+4.069 60e-001+3.639 79e-001+3.209 98e-001+2.780 17e-001+2.350 36e-001+1.920 55e-001+1.490 74e-001+1.060 93e-001+6.311 20e-002+2.013 10e-0022.3%2.7%2.3%4.4%6.8%4.8%7.6%10.4%10.3%13.2%14.7%20.5%DISPLACEMENTTX，mm+4.668 29e-002+3.898 45e-002+3.128 61e-002+2.358 78e-002+1.588 94e-002+8.191 00e-003+4.926 27e-004-7.205 75e-003-1.490 41e-002-2.260 25e-002-3.030 09e-002-3.799 93e-002-4.569 76e-0022.9%3.9%5.4%9.9%14.1%10.5%7.6%15.4%17.1%6.9%3.8%2.6%DISPLACEMENTTY，mm-1.975 38e-002-6.226 63e-002-1.047 79e-001-1.472 91e-001-1.898 04e-001-2.323 16e-001-2.748 29e-001-3.173 41e-001-3.598 53e-001-4.023 66e-001-4.448 78e-001-4.873 91e-001-5.299 03e-00121.3%14.5%13.0%10.1%10.5%7.4%4.6%6.8%4.4%2.6%2.5%2.3%DISPLACEMENTTZ，mm+1.063 83e-001+9.062 05e-002+7.485 79e-002+5.909 53e-002+4.333 27e-002+2.757 01e-002+1.180 75e-002-3.955 09e-003-1.971 77e-002-3.548 03e-002-5.124 29e-002-6.700 54e-002-8.276 80e-0022.1%1.1%1.1%2.4%7.0%19.1%55.7%4.8%2.2%1.5%1.4%1.8%（a）工况 8 时总位移云图（b）工况 8 时 x 向水平位移云图图 4位移最大时的位移云图表 3隧道结构内力值工况Fxx/(kNm1)Fyy/(kNm1)Mxx/(kNmm1)Myy(kNmm1)工况21 49031 513214151324工况71 49181 514614281338工况81 49271 515914321344工况121 49211 516514441366表 4中间风井结构内力值工况Fxx/(kNm1)Fyy/(kNm1)Mxx/(kNmm1)Myy/(kNmm1)工况21 25051 430727212653工况71 26001 450427282655工况81 26431 452427302660工况121 26851 445927192673（e）工况 12 时中间风井结构内力云图（Fxx）（f）工况 12 时中间风井结构内力云图（Fyy）（g）工况 8 时中间风井结构内力云图（Mxx）（h）工况 12 时中间风井结构内力云图（Myy）SHELL FORCEMOMENT XX，kN m/m+3.477 80e+002+2.747 54e+002+2.017 27e+002+1.287 01e+002+5.567 42e+001-1.735 23e+001-9.037 88e+001-1.634 05e+002-2.364 32e+002-3.094 58e+002-3.824 85e+002-4.555 11e+002-5.285 38e+0021.2%1.6%4.7%16.5%39.1%28.6%5.1%1.4%0.9%0.4%0.4%0.1%SHELL FORCEFORCE XX，kN/mm+2.851 21e-002-3.962 05e-002-1.077 53e-001-1.758 86e-001-2.440 18e-001-3.121 51e-001-3.802 84e-001-4.484 16e-001-5.165 49e-001-5.846 81e-001-6.528 14e-001-7.209 47e-001-7.890 79e-0010.6%1.0%10.8%23.4%20.5%20.2%13.5%5.8%2.7%1.1%0.1%0.3%SHELL FORCEFORCE YY，kN/m+4.919 22e+000-6.952 39e+001-1.439 67e+002-2.184 10e+002-2.928 53e+002-3.672 97e+002-4.417 40e+002-5.161 83e+002-5.906 26e+002-6.650 69e+002-7.395 13e+002-8.139 56e+002-8.883 99e+0020.7%4.3%9.8%17.9%23.0%19.7%14.0%6.6%2.4%0.8%0.5%0.4%SHELL FORCEFORCE XX，kN/mm+2.773 80e-001+2.126 26e-001+1.478 72e-001+8.311 78e-002+1.836 39e-002-4.639 00e-002-1.111 44e-001-1.758 98e-001-2.406 52e-001-3.054 06e-001-3.701 60e-001-4.349 13e-001-4.996 67e-0010.0%0.1%0.1%0.2%1.9%8.9%19.0%27.5%25.8%9.4%6.5%0.5%SHELL FORCEFORCE YY，kN/mm+5.303 50e-001+4.480 92e-001+3.658 34e-001+2.835 77e-001+2.013 19e-001+1.190 61e-001+3.680 35e-002-4.545 42e-002-1.277 12e-001-2.099 70e-001-2.922 27e-001-3.744 85e-001-4.567 43e-0010.0%0.0%0.0%0.1%0.1%0.4%6.1%29.9%30.8%22.1%6.9%3.4%SHELL FORCEMOMENT XX，kN mm/mm0.3%5.6%6.5%14.0%5.4%4.0%20.6%5.9%29.1%7.9%0.7%0.0%SHELL FORCEMOMENT YY，kN mm/mm+3.386 27e+002+2.646 34e+002+1.906 41e+002+1.166 47e+002+4.265 39e+001-3.133 95e+001-1.053 33e+002-1.793 26e+002-2.533 19e+002-3.273 13e+002-4.013 06e+002-4.752 99e+002-5.492 93e+0021.3%2.0%6.8%21.1%32.1%19.9%10.7%1.9%1.7%1.5%0.6%0.4%+6.123 17e+001+5.036 55e+001+3.949 93e+001+2.863 30e+001+1.776 68e+001+6.900 58e+000-3.965 64e+000-1.483 19e+001-2.569 81e+001-3.656 43e+001-4.743 05e+001-5.829 68e+001-6.916 30e+0010.1%0.6%7.0%7.5%28.4%14.2%15.0%19.8%7.2%0.2%0.1%0.0%SHELL FORCEMOMENT YY，kN mm/mm（a）工况 8 时隧道结构内力云图（Fxx）（b）工况 12 时隧道结构内力云图（Fyy）（c）工况 12 时隧道结构内力云图（Mxx）（d）工况 12 时隧道结构内力云图（Myy）图 5内力最大时的内力云图+8.323 85e+001+7.082 97e+001+5.842 08e+001+4.601 19e+001+3.360 31e+001+2.119 42e+001+8.785 33e+000-3.623 54e+000-1.603 24e+001-2.844 13e+001-4.085 01e+001-5.325 90e+001-6.566 79e+0014风险控制41安全性分析通过有限元数值模拟，项目临近地铁运营期间，当施工至桩基础旋挖成孔或浇筑时，地铁结构发生最大水平位移 0 56 mm，最大竖向位移 0 10 mm。考虑地铁结构在项目施工前既有变形，累计最大水平位移为 2 76 mm，最大竖向位移 1 9 mm。因此，项目基坑及基础工程整个施工过程地铁结构位移累计值均小于变形控制值。施工过程中，地铁及中间风井内力值略有增加，采用最大内力值进行强度验算，结果表明内力值微小增加对地铁及中间风井结构强度影响可忽略不计。由此可认为基坑及基础工程设计方案及正常施工对地铁结构安全性在理论上无影响。42监测要求地铁结构的保护监测采取自动化监测系统和人工复核相结合的办法，实现对地铁结构水平位移、竖向位移及径向收敛等的精准监测和及时预警。地铁结构水平位移、竖向位移及径向收敛监测点均按每隔 10 m 布设，以断面布设的形式，每个断面监测点数为 4 个。水准基点、水平位移基准控制点分别布设在测区的两端(影响范围外的位置)。监测点布设断面示意图见图 6。水平位移径向收敛道床沉降轨道区间断面水平位移图 6监测点布设断面示意图根据数值模拟计算变形结果，结合前文所述地铁结构变形控制值，参考 GB/T 503082017 城市轨道交通工程测量规范4 及 轨道交通规范，该项目基坑及基础工程施工期间地铁结构监测控制指标见表 5。表 5地铁结构监测控制指标监测项目预警值/mm报警值/mm控制值/mm变形速率/(mmd1)竖向位移+3/6+4/8+5/101水平位移+6/6+8/8+10/101径向收敛+6/6+8/8+10/101在地铁结构初始变形水平最大位移 2 2 mm，竖向最大位移18 mm 的基础上，当项目基坑及基础工程施工过程使地铁结构产生的附加变形达到预警值时进行监测报警，并采取加密监测点或提高监测频率等措施;当附加变98第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月董崇海，等:新建工程对在营地铁结构的安全性影响研究形达到报警值时应暂停项目基坑或基础施工，开展施工过程安全评估工作，重新制定相应安全保护措施并组织专家论证后再复工;当附加变形达到控制值时应停止施工并立即启动安全应急预案。项目施工期间，地铁结构各项变形监测不应超过表 5 变形速率控制指标。43施工风险及处理方案在营地铁线路的安全运行事关重大，保证地铁结构的安全既要进行安全评估也要结合实际施工情况梳理风险点并提供处理方案。通过分析风险，加强施工管理，从而保障基坑及基础工程安全顺利施工，最终保障地铁线路的正常运行。该项目基坑及基础施工风险点与相关处理方案见表 6。表 6施工风险及处理方案施工节点施工风险处理方案地铁监测频率基坑支护施工1)支护桩施工塌孔或串孔;2)基坑周边堆载超标;3)雨水、生活用水等流入坑内1)支护桩施工严格按照设计要求，采取跳孔;2)严格控制基坑周边行车及堆载;3)基坑周边应做好硬化及截排水措施1 次/2 d基坑内部土方开挖1)支护桩变形超标;2)地表变形超限;3)土方开挖卸载导致轨道交通结构变形过大;4)土方开挖时挖掘机等机械碰损支护结构1)基坑开挖采用分区分层，每层开挖深度不大于 3 m;2)每层开挖后作业面暴露时间不大于 12 h;3)本阶段施工时，应密切关注基坑监测数据，若存在变形过大情况应及时通知各方，协商对策;4)本阶段施工，土方大面积卸载，为轨道交通结构变形较大阶段，应密切关注监测数据;5)做好人员培训及管理，避免土方开挖时破坏、碰损支护结构1 次/1 d基础桩施工1)基础桩垂直度超标;2)基础桩孔塌孔;3)雨水、生活用水等浸泡基底岩土体1)控制成桩机械设备垂直度，有偏差趋势时，及时进行纠偏;2)基础桩施工前，备足优质泥浆护壁，防止塌孔;3)基础检测满足要求后尽快施工地下室底板，地下室主体施工后尽快进行覆土回填5 1 次/1 d5结论本项目通过数值模拟，结合监测要求及施工方案，从理论分析到施工管理形成闭环，从而最大限度的保障了地铁结构的安全运行。研究得出以下结论:1)通过前期的现状调查获取地铁结构已发生变形，经数值模拟计算基坑及基础工程施工全过程的附加变形及内力，累计得出最大水平位移 2 76 mm 及最大竖向位移 19 mm，依然处于安全控制值;经地铁结构计算复核，附加内力对地铁结构强度影响可忽略不计。由此，在理论上认为该项目基坑及基础工程设计方案及正常施工不影响地铁结构的安全使用。2)项目基坑及基础工程施工过程中需对地铁结构进行监测，根据地铁结构现有变形值及数值模拟计算最不利工况下的累计变形值，结合相关规范对地铁结构安全使用的变形限值，对于不同的项目需提出针对性的变形预警、报警及控制值。3)地铁安全性研究除了理论计算外，还需从实际施工出发，针对基坑及基础方案提出相应的施工要求及保障措施。参考文献:1 杨军，陈炎，程晏，等 基坑工程对临近既有地铁隧道安全性影响分析J 低温建筑技术，2022(288):87 91 2 贾瑞晨，甄精莲 深基坑开挖对邻侧地铁隧道及车站的影响研究J 山西建筑，2020，46(4):56 58 3 广东省住房和城乡建设厅 城市轨道交通既有结构保护技术规范:DBJ/T 15 1202017S 北京:中国城市出版社，2017 4 中华人民共和国住房和城乡建设部 城市轨道交通工程测量规范:GB/T 503082017 S 北京:中国建筑工业出版社，2017 5 蔡昕宸，张建，宋旭，等 基坑开挖方式对共线地铁隧道变形影响 J 低温建筑技术，2020(267):107 111esearch on the safety impact of newconstruction projects for the operating subway structureDong Chonghai，Wu Dapeng*，Chen Zhonghua(Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co，Ltd，Guangzhou Guangdong 510000，China)Abstract:Analyzing the safety impact of the deep foundation pit and foundation construction of a residential project on thenearby operating subway structure by numerical simulation，and the deformation and internal force value of the subway structureunder 10 working conditions of the foundation pit and foundation construction process are obtained The calculation results showthat the cumulative maximum deformation and internal force value generated by the construction process have no impact on thesafety of the subway structure，which proves that the design scheme of foundation pit and foundation engineering is reasonableand feasible Combined with the investigation of the current situation of subway structure，numerical simulation，subway struc-ture deformation monitoring during construction and related safeguard measures，the deformation of subway structure can becontrolled within a reasonable range and achieve the purpose of protecting subway structure safetyKey words:numerical simulation;construction conditions;subway structure deformation;risk control09第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑