朱宅城中村改造工程对温州市域铁路S1线影响分析

陈　侃

(江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014)



朱宅城中村改造工程对温州市域铁路S1线影响分析

陈侃

(江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014)

摘要：市域铁路S1线全线铺设无缝线路无砟轨道，是温州重要的城市轨道交通路线。列车运行对轨道的竖向、横向变形有较高要求。朱宅城中村改造工程邻近市域铁路S1线高架桥，相邻建筑物的施工有可能对市域铁路S1线桥梁结构基础造成不利影响，对行车平顺性甚至行车安全造成威胁。通过在朱宅城中村改造工程(一期)项目施工之前开展分析计算，以确保建筑物及铁路运营的安全。

关键词：基坑开挖；止水帷幕；沉降

1工程概况

受城中村改造工程基坑开挖影响的温州市域铁路S1线构造物主要为市域铁路S1线南洋大道特大桥，其大部分墩台均位于南洋大道中央隔离带，受影响范围为纬五十一路(规划)至直洋河区间，桩号DK28+885.00—DK28+991.00，受影响桥梁墩号以及里程分别为54#墩(DK28+901.0)、55#墩(DK28+941.0)、56#墩(DK28+981.0)。两者平面距离最近处净距20.8 m(至市域铁路中心线处，下同)，平面距离最远处净距42.4 m，基坑深度约为5 m。见图1。

受朱宅城中村改造工程(一期)影响的桥梁区段孔跨布置为(40+70+40)m连续梁+40 m简支梁+40 m简支梁，桥墩形式均为矩形墩，基础形式采用钻孔灌注桩。朱宅城中村改造工程为26～27层高层，全场设置一层大面积地下室，基础采用桩基础。其靠近市域铁路S1线的构造物为附属商业办公楼，该办公楼为地下1层，地上5层，采用框架结构，基础采用钻孔灌注桩。

图1　市域铁路S1线与朱宅城中村改造工程关系图

根据《温州市轨道交通规划建设管理办法》，轨道交通建设规划确定的近期实施项目，原则上按照下列标准设立规划控制区和规划影响区：轨道交通线路中心线两侧各15 m划定为轨道交通规划控制区；规划控制区外两侧各20 m划定为轨道交通规划影响区；对于线路曲线段以及环境影响评价报告有明确要求的，根据技术要求设立相应规划控制区和规划影响区。城中村改造工程距离市域铁路S1线结构外侧约18.8～40.4 m，属于控制区以外，影响区以内。

根据目前两个项目的进展情况，朱宅城中村改造工程施工图设计已经完成，即将施工，市域铁路S1线南洋大道特大桥已经完成施工。

2分析思路

在地基上进行基坑开挖以及建筑物施工会引起相邻的既有构造物较大的附加沉降及不均匀沉降、土体水平位移、桩侧负摩阻力等一系列岩土工程问题[1-3]。因此，对这类工程需要合理分析，妥善处理，以减小对周围环境及建筑的影响。

基坑开挖不可避免地会干扰附近地层原有的平衡状态，引起附近地层应力重分布和变形，构成对周边既有构造物的附加荷载，使其发生附加变形。基坑施工引起的地层应力和变形是造成附近既有构造物承受附加荷载、产生附加变形的根本原因。

基坑开挖是一个土体应力释放的过程，也是基坑开挖面上卸荷的过程，此过程导致基坑支护结构和坑内外土体产生应力重分布。垂直向卸荷会引起坑底原始应力状态改变。在开挖深度不大时，坑底土体卸荷后发生垂直向上的弹性隆起，围护墙随土体回弹而抬高；当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体向基坑内移动，使坑底产生向上隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区并引起地面沉降，也会使临近既有构造物发生不均匀沉降和向基坑内侧方向的水平位移，严重时将导致构造物的破坏。

高层建筑物的施工与运营也会对相邻桩基产生影响。其主要集中在三个方面：

1)负摩阻力问题。高层建筑物建成运营之后会对地面施加竖向荷载，使地基土发生较大的沉降(包括瞬时沉降、主固结沉降与次固结沉降)，桩周土的沉降会直接影响到桩的承载变形特征。当桩周土向下沉降变形大于桩身的沉降时，会产生负摩阻力。这会大大降低桩基承载力和增大桩基沉降；其次，由于不同位置处建筑物施加的竖向荷载不同，使得不同位置处的桩基上负摩阻力的大小和分布也存在差别，从而对不同位置处桩的承载力和沉降产生不同的影响。

2)水平位移问题。当在桩侧地面施加竖向荷载时，会使土体侧向挤出而使邻近桩基发生侧向变形。高层建筑物建成运营之后对地面施加的竖向荷载会导致临近桩基发生远离高层建筑物的水平向位移。

3)高层建筑物建成运营之后对地面施加的竖向荷载会给临近既有构造物一个很大的附加沉降量。

建筑物基础靠近附加荷载的区域沉降量较大，远离这个附加荷载的区域沉降量较小，这势必会形成一个差异沉降。

深基坑土方开挖过程中，由于地基土体、地下水的平衡条件被打破，基坑周边土体将产生变形，变形严重时会影响到周边建筑物、道路、管线等的安全和正常使用。因此，基坑开挖过程中，应采用基坑支护措施，控制基坑周边土体的变形，使其数值在允许的范围内。

综上所述，本次依据以下步骤进行分析：

首先，根据朱宅城中村改造工程(一期)施工方案，判别基坑安全等级，评估基坑方案是否满足相关规范要求。

其次，通过数值模拟计算基坑开挖与建筑物建成对市域铁路S1线高架桥的影响。

最终，根据计算结果评价分析基坑开挖安全程度及其对市域铁路S1线高架桥位移、变形的影响是否满足相关标准。

3安置房与S1线相互影响及分析

3.1安置房围护结构计算分析

基坑支护设计时，应根据基坑周围环境条件、开挖深度、支护结构功能等确定基坑工程等级。参考《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)》，以及杭州和宁波地铁基坑变形控制保护等级标准等[4-6]。本工程基坑安全等级为二级，东侧南洋大道处围护结构安全等级评定为一级，重要性系数1.1，采用钻孔灌注桩加一道现浇钢筋混凝土支撑支护。

本设计围护桩及支撑、立柱桩的钢筋主筋均为HRB400，箍筋为HRB400及HPB300。采用单排钻孔灌注桩Φ600@800、Φ600@900，并选用C25水下混凝土，围护桩伸入冠梁内50mm。

冠梁断面尺寸为900mm(b)×700mm(h)，主支撑断面尺寸为800mm(b)×650mm(h)，连系梁断面尺寸为600mm(b)×600mm(h)，冠梁、支撑为现浇钢筋混凝土，混凝土强度等级为C30。

本工程明挖段周边有道路，应严格控制基坑引起的地表沉降。因此，设计在围护桩外围设置了一排水泥搅拌桩止水帷幕。

围护结构考虑加撑和开挖的实际施工及受荷状态各工况的内力及变形。基坑以下土的作用采用弹簧模拟，支护形式为多支点杆系结构，采用弹性支点杆系有限元法计算，被动土压力按弹性地基梁考虑。计算简图见图2。

图2　基坑围护剖面图

基坑整体稳定安全系数嵌固稳定性安全系数抗隆起安全系数围护结构水平变形/mm12.0>1.41.4>1.32.6>1.88.23<0.3%H=12.921.8>1.41.3>1.22.5>1.87.59<0.3%H=17.72'1.8>1.41.3>1.22.4>1.86.12<0.3%H=21.0

基坑稳定性和变形满足要求。

3.2止水帷幕稳定性计算分析

基坑施工必须对场地孔隙潜水进行有效处理并且采用对地下水损失最小的措施。本工程中采用周边止水帷幕结合基坑外围集水排水的处理措施。具体为：在围护桩外围设置一排Φ600水泥搅拌桩止水帷幕，沿基坑外围一周设宽300mm、深400mm排水沟，每隔30m设600mm×600mm×600mm集水井。

本评估中对止水帷幕底端绕流的渗透稳定性进行计算分析，当不满足渗透稳定性要求时，应采取增加帷幕深度等措施。根据相关规范将本次评估中止水帷幕的渗透稳定性安全系数定为1.6。

3.2.1地下水位

根据本工程《工程地质勘查报告》得知：1-1剖面地下水位为-3.69m。

3.2.2土的浮重度

土的浮重度为：γ′=(GS-1)×γw/(1+e)=(2.67-1)×10/(1+1.72)=6.14 kN/m3

3.2.3流土稳定性安全系数Ksc

3.3基坑开挖对市域铁路S1线的影响

3.3.1计算软件

本次专项分析选取大型通用有限元软件Midas-GTS作为计算平台。

3.3.2计算模型

温州的地质条件比较差，根据已有的工程经验。一般基坑的影响范围达到3倍的基坑深度。根据基坑和周边建筑物相对位置关系，选取与建筑物最近的S1号线的54、55、56号墩及其桩基进行安全验算。因基坑范围较大，且1～6号楼所处位置均与基坑东侧边界较远。在建模过程中不予考虑其对市域铁路S1号线东洋大道段的影响。根据上述计算参数建立如图3所示三维Midas-GTS模型。整个模型长300m，宽250m，高100m，模型尺寸超过土体基坑开挖深度3倍，充分考虑到边界条件的影响。对基坑东侧的冠梁及支撑以梁单元模拟，对S1号线桩基进行实体模拟，考虑桩基础与土体的接触条件，考虑桩土效应。开挖范围及S1号线桥梁桩基相对位置见图3。

图3　开挖范围及桩基实体模型

根据上述三维模型的计算结果，得出受到基坑开挖影响最大的桥墩为54号桥墩。但由于三维模型有限元单位多达100万个，运行一次的时间长达4h。因此，在具体数据的计算过程中，参考已有的工程计算经验，二维模型的计算精度已经足够满足基坑开挖过程数值仿真模拟。因此，截取54号墩所在的截面建立Midas-GTS二维建模(图4)进行计算。

根据基坑开挖施工对临近环境影响范围的现场监测经验，决定有限元模型的尺寸大小。本项目基坑开挖深度约为4.3m，基坑外侧边缘距邻近S1号线约25m。

本模型计算宽度取200m，模型左侧边界距基坑外侧边缘60m，右侧边界距建筑地下室外墙约67.3m，模型高度取95m，距基底约90m。

对计算区域内的土体、基坑支护结构进行了二维建模。其中，土体采用平面应变单元，基坑围护结构、桥墩及承台、水平支撑等采用梁单元。

图4　Midas-GTS二维模型图

3.3.3计算结果分析及评估

根据以上模型计算结果，得出的数据见表2。

表2　模型计算结果

其中基坑开挖之前的自平衡阶段，施加防护桩及支撑阶段，默认土体自平衡，土体位移为0 mm。由表2可知，基坑开挖各工况下的横竖向位移均满足限值要求。

综上所述，安置房项目的基坑开挖及其东侧车道荷载及市域铁路列车静活载对于基坑的变形影响均在规范限值要求之内，结构安全。

基坑开挖及安置房建成后的荷载对于桥梁桩基的影响计算结果见表3。

表3　桥梁桩基GTS计算结果对比

由表3所知，基坑的开挖及安置房建成后的附加荷载对于市域铁路桥梁桩基的影响均特别小，可以忽略不计。

4结语

根据相关技术标准要求，对规范要求的各项技术标准进行计算分析。根据《温州市轨道交通规划建设管理办法》，朱宅城中村改造工程(一期)进入轨道交通规划影响区。主体结构及地下室均未进入控制区。

经计算，各剖面流土稳定安全系数均符合《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)》[4]。

经计算，基坑1-1、2-2、2′-2′断面整体稳定安全系数、抗倾覆稳定安全系数、抗隆起安全系数以及围护结构水平变形都在允许值范围以内，围护结构方案基本合理，因此基坑稳定性和变形满足要求。

经计算，基坑侧向最大位移为8.23 mm，地表最大沉降为6.512 mm，计算结果均在基坑变形控制标准以内；桥墩桩基础在开挖时的侧向及竖向变形均保持在1 mm，对S1线基础的影响可以忽略不计。基坑的施工对桥梁结构是安全的。

经计算，铁路桥墩桩基础与建筑桩基础两者的桩基础在相互竖向荷载作用下附加沉降可忽略不计。

参 考 文 献

[1]章荣军.土体开挖引起的邻近受荷桩基附加响应分析[D].武汉:华中科技大学,2011.

[2]杨敏,周洪波,杨桦.基坑开挖与临近桩基相互作用分析[J].土木工程学报,2005(4):91-96.

[3]郑刚,颜志雄,雷华阳,等.基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J].岩土工程学报,2007(5):638-643.

[4]中国建筑科学院.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[6]中国建筑科学院.JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

收稿日期：2015-11-02

作者简介：陈侃(1978—)，男，山西晋城人，高级工程师，主要从事铁路桥梁设计研究工作。

中图分类号：TU473.1

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)05-0023-04

Analysis on the Influence of the Residential Renovation Projectfor the Village in the City to the Railway S1 Line of Wenzhou City

CHEN Kan