胡煥馳
(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)
進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國的軌道交通事業(yè)得到了巨大發(fā)展,越來越多的城市將軌道交通建設(shè)放在了城市基礎(chǔ)建設(shè)的收尾。民間常說:“地鐵一響,黃金萬兩?!钡罔F作為城市的主動脈,具有綠色環(huán)保、低碳出行、準(zhǔn)時便捷、運(yùn)量巨大的特點,深受廣大城市居民的喜愛。隨著地下空間的逐步開發(fā),地面建筑的建設(shè)對地下軌道交通的影響也越來越大。一般來說,新建工程均需避讓城市軌道交通本體一定保護(hù)范圍,但當(dāng)周邊無建設(shè)條件時,也會出現(xiàn)位于軌道正上方的工程建設(shè)。新工程建設(shè)期間,周邊土地的擾動勢必會對已運(yùn)營的地鐵線路產(chǎn)生影響,做好提前分析及措施,對于城市軌道交通設(shè)施的保護(hù)將會有重要意義。
蘇州軌道交通2號線某區(qū)間下穿原體檢中心房屋,位于房屋基礎(chǔ)正下方?,F(xiàn)需先行拆除原有建筑物,在原址同規(guī)模復(fù)建體檢中心樓。復(fù)建體檢中心和門診樓位于已運(yùn)營區(qū)間左線隧道上方,距離右線隧道分別為6.45 m和11.46 m,此處隧道上覆土為9.27 m。復(fù)建體檢中心樓距離已運(yùn)營2號線車站為24.22 m。
體檢中心工程原址現(xiàn)有急診部及門診部,上部結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu),急診部為4層,門診部為2層,原有建筑基礎(chǔ)形式為筏式基礎(chǔ),埋深約0.8 m(局部2.9 m),平面位置與復(fù)建項目相同。施工本項目前,需拆除原有舊建筑及基礎(chǔ),于原址復(fù)建本項目。擬建建筑上部1~4層,體檢中心樓(原急診樓)為地上4層,門診部為地上2層,均采用筏板基礎(chǔ)。本工程總用地面積約3 083.92 m2。
體檢中心樓改建項目具體施工步驟如下:
第一步:拆除原有急診部及門診部。
第二步:采用壓密注漿方法對填土進(jìn)行改良,施作筏板基礎(chǔ)。
第三步:待基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,施作地面上部結(jié)構(gòu)。
場地位于姑蘇區(qū),屬于沖湖積平原,域內(nèi)沒有高低凹凸,水系完善,具有明顯的水網(wǎng)化平原特征。蘇州市在江南水網(wǎng)區(qū)域內(nèi),被歸為長江太湖水系,區(qū)域中的地表水系發(fā)展良好,包括了太湖、陽澄湖群和各種規(guī)模的河渠。由蘇州市楓橋水文站的巡視記錄可知,以往的洪水最高位在2.59 m(1985國家高程標(biāo)準(zhǔn)),最小的水位在0.01 m。地下潛水不會腐蝕混凝土,也不會腐蝕長時間浸入水中的鋼筋混凝土里的鋼筋,但對于鋼結(jié)構(gòu)及干濕輪換前提下會存在較低的腐蝕性。
本文研究范圍為體檢中心樓改建項目建筑物拆除卸載及復(fù)建施工加載對蘇州軌道交通2號線既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響。
主要是對以下幾個問題進(jìn)行分析:
(1) 建筑物拆除卸荷階段對區(qū)間隧道的影響;
(2) 原有建筑物基礎(chǔ)拆除對區(qū)間隧道的影響;
(3) 上部結(jié)構(gòu)復(fù)建加載階段對區(qū)間隧道的影響;
(4) 隧道管片受力分析。
采用有限元仿真模擬整個施工過程,基于分析結(jié)果,整體關(guān)注不同施工環(huán)節(jié)中區(qū)間隧道構(gòu)架存在的變形、應(yīng)力及沉降問題,從而給出有針對性的保護(hù)及施工辦法。
蘇州市軌道交通保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1) 項目施工引起的軌道交通結(jié)構(gòu)(設(shè)施)絕對沉降量及水平位移量≤10 mm(指包括各種加載和卸載的最終位移量)。
(2) 項目施工引起的隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m,相對彎曲≤1/2 500。
(3) 對高層、超高層建筑,應(yīng)嚴(yán)格控制工后沉降對軌道交通帶來的附加影響,須對樁基承載力進(jìn)行必要的控制。
由于重新進(jìn)行項目施工存在一定的復(fù)雜性,選擇用以專門分析巖土隧道結(jié)構(gòu)的有限元軟件MIDAS GTS NX來構(gòu)建原結(jié)構(gòu)清拆,和對三維動態(tài)系統(tǒng)的重新構(gòu)建。
(1) 此次構(gòu)建模型時,主要選擇實體單元來進(jìn)行,以詳勘報表來確立物理力學(xué)標(biāo)準(zhǔn),同時選擇MIDAS GTS NX給出的優(yōu)化摩爾-庫侖模型,對實際施工過程進(jìn)行模仿。MIDAS GTS NX給出的優(yōu)化摩爾-庫侖模型對巖土行為的模擬進(jìn)行了改善。其利用3個有差異的輸入剛度來體現(xiàn)各階段的土體剛度。此三階段的剛度顯示了三軸試驗時在最高強(qiáng)度的一半位置的割線彈性模量E50,壓密試驗中獲取的標(biāo)準(zhǔn)壓下的彈性模量Eoed,刪除或重新加載中的彈性模量Eur。模擬數(shù)值時基本采用Eoed=E50與Eur=3E50。所以,模型標(biāo)準(zhǔn)方面僅用給出三軸加載剛度E50、摩擦角φ和剪脹角ψ的采用數(shù)值。優(yōu)化摩爾-庫倫模型能體現(xiàn)出模量取決于應(yīng)力的狀況。圍壓與提升會讓土體剛度隨之提升,此狀況與具體情況相符??梢?,模擬選取的剛度數(shù)值和參考應(yīng)力之間存在關(guān)聯(lián),而此參考應(yīng)力等同于土體所受圍壓,模擬時大多采用100 kPa的數(shù)值。
(2) 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用350 mm厚板單元。
(3) 建模時,結(jié)構(gòu)單元的幾何模型數(shù)據(jù)都借鑒了體檢中心改建工程平剖面圖。三維建模原型中,x方向土體邊界控制:體檢中心樓基礎(chǔ)外邊緣距離土體邊界60 m;y方向土體邊界控制:隧道外邊緣距離土體邊界不小于45 m,體檢中心樓基礎(chǔ)外邊緣距離土體邊界不小于60 m;z方向土體邊界控制:基坑底部距離土體下邊界32 m。模型尺寸196 m×174 m×50 m。
(5) 土體邊界(四周和底部)采取法向約束。
(6) 道路車輛超載取20 kPa,嚴(yán)格按基坑周圍道路實際尺寸施加。
(7) 體檢中心樓荷載按照體檢中心樓地基壓力荷載分布施加。
施工階段1:拆除原有醫(yī)院急診樓、門診樓上部結(jié)構(gòu)。
施工階段2:拆除原有醫(yī)院急診樓、門診樓基礎(chǔ),開挖2 m深土方。
施工階段3:澆筑體檢中心樓筏板基礎(chǔ),施加復(fù)建體檢中心樓上部荷載。
通過模擬計算可知,原建筑物拆除時,土體最大隆起為3.7 mm,開挖2 m拆除原基礎(chǔ)時土體隆起增加,累計隆起為6.6 mm,上部建筑物復(fù)建后土體稍微下沉,復(fù)建完成后最終隆起為2.7 mm,如圖1所示。
圖1 模型豎向位移云圖
通過模擬計算可知,原建筑物拆除對基礎(chǔ)底以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用,引起坑底土體發(fā)生變位,帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移。
體檢中心樓拆除時左線隧道最大隆起為1.7 mm,右線隧道最大隆起為0.9 mm;拆除筏式基礎(chǔ),開挖2 m土方時,左線隧道最大隆起為3.4 mm,右線隧道最大隆起為1.3 mm;復(fù)建加載后左線與右線均有下沉,左線隧道最終隆起為1.4 mm,右線隧道最終隆起為0.5 mm,如圖2、圖3所示。根據(jù)計算結(jié)果可知,體檢中心樓拆除復(fù)建過程中,體檢中心樓正下方左線隧道隆起量最大,對右線影響較小。
圖2 地鐵區(qū)間隧道豎向位移云圖
圖3 地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)管片受力分析
根據(jù)模擬計算產(chǎn)生的彎矩及軸力計算,通過對既有隧道的配筋分析、裂縫計算,房屋拆除、復(fù)建過程中對地鐵隧道影響有限,隧道配筋滿足要求,原車站結(jié)構(gòu)截面及配筋仍能滿足承載力及最大裂縫要求。
基于以上數(shù)值模擬分析,初步可得出以下結(jié)論:
(1) 根據(jù)計算結(jié)果,原建筑物拆除時,土體最大隆起為3.7 mm,開挖2 m拆除原基礎(chǔ)時土體隆起增加,累計隆起為6.6 mm,上部建筑物復(fù)建后土體稍微下沉,復(fù)建完成后最終隆起為2.7 mm。
(2) 原建筑物拆除時左線隧道最大隆起為1.7 mm,右線隧道最大隆起為0.9 mm;拆除筏式基礎(chǔ),開挖2 m土方時,左線隧道最大隆起為3.4 mm,右線隧道最大隆起為1.3 mm;復(fù)建加載后左線與右線均有下沉,左線隧道最終隆起為1.4 mm,右線隧道最終隆起為0.5 mm,均滿足10 mm控制值的要求。
(3) 根據(jù)左線隧道變形圖可知距離復(fù)建體檢中心樓越遠(yuǎn),隧道隆起量越小,且衰減迅速。車站與區(qū)間接口位置幾乎沒有變形。
(4) 通過對拆除、復(fù)建過程中區(qū)間內(nèi)力進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)體檢中心復(fù)建對地鐵隧道影響有限,隧道配筋滿足要求。
數(shù)值理論計算均是建立在一定的假設(shè)之上,而實際施工條件是隨時變化的,同時地鐵軌道結(jié)構(gòu)對變位十分敏感,對復(fù)建施工提出了十分苛刻的要求。
結(jié)合理論分析,聯(lián)系施工實際,提出如下措施:
(1) 優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形成,減小二次加載對隧道的影響。復(fù)建4層體檢中心樓做鉆孔樁基礎(chǔ),避免加載二次擾動。
(2) 避免2層門診樓與4層急診樓同時拆除和復(fù)建,先拆除并復(fù)建4層體檢中心樓,完成后再進(jìn)行2層門診樓的拆除復(fù)建工程,減小大面積卸載與加載對區(qū)間隧道產(chǎn)生的影響。
(3) 基底壓密注漿應(yīng)在挖除舊基礎(chǔ)前,在地面施工,明確注漿深度要求,且地基靜載試驗需避開隧道正上方。
(4) 明確原建筑物拆除及復(fù)建工序,細(xì)化拆除長度及時間要求,10 m左右為一段拆除長度,明確具體堆載反壓措施。
(5) 明確原建筑物拆除方式,避免采用爆破拆除等對隧道影響較大的拆除方式。
(6) 施作筏板基礎(chǔ),明確限制基礎(chǔ)基坑暴露時間及施工完成時間,并采用早強(qiáng)混凝土。
(7) 調(diào)查周邊管線情況,設(shè)計中建議與產(chǎn)權(quán)部門溝通制定管線變形保護(hù)要求,設(shè)計文件中應(yīng)明確管線保護(hù)及應(yīng)急措施,確保體檢中心樓復(fù)建過程中鄰近管線的安全。
(1) 對原有建筑物拆除時,分段拆除,并分段澆筑筏板基礎(chǔ),避免大面積卸載對隧道上浮的影響。
(2) 原有建筑物拆除時,避免采用震動較大的爆破拆除,在周邊地面鋪設(shè)減震材料,減少沖擊振動對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。拆除后的混凝土廢棄物等盡量遠(yuǎn)離隧道堆砌,避免隧道上方荷載過大引發(fā)隧道變形。
(3) 基礎(chǔ)施工禁止大量抽取地下水,避免地下水位下降引起隧道沉降。
(4) 對原有建筑拆除后,及時澆筑筏板基礎(chǔ),且在達(dá)到一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)上方及時堆載,按照堆載與卸載相同的原則,減少土體的卸荷效應(yīng)引起隧道上浮。堆載材料可采用袋裝鋼砂等。
(5) 所有結(jié)構(gòu)清拆之后要在限定時間內(nèi)實現(xiàn)對筏板基礎(chǔ)的澆筑,在首晚地鐵停運(yùn)到次日凌晨地鐵開始運(yùn)行前做完。
(6) 施工時要隨時追蹤和檢測土體的位移、應(yīng)力、水壓力及沉降等,通過合理安排施工進(jìn)度,做好卸載與配重的控制、預(yù)先放置模板、澆筑早強(qiáng)混凝土,并盡快完成回壓工作。
(7) 復(fù)建體檢中心樓時,基礎(chǔ)土處理時盡量避免采用強(qiáng)夯法,以減少因強(qiáng)夯震動引起隧道變形。
(1)本項目由于涉及對已運(yùn)營地鐵的保護(hù),監(jiān)測方案須報軌道公司審批,并建立與軌道公司監(jiān)測數(shù)據(jù)共享機(jī)制,確保軌道公司及時了解隧道結(jié)構(gòu)變形情況。
(2)應(yīng)對軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計專項監(jiān)測方案,細(xì)化并明確各工況分步變形控制指標(biāo)。
(3)對建筑物整體施工和竣工后沉降做永久性觀測,進(jìn)行后評估分析,確保隧道后期運(yùn)營安全。
(4)工程施工工程中,應(yīng)構(gòu)建周密的原區(qū)間隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)受力、變形及沉降監(jiān)測機(jī)制,充分檢測施工的全部,及時反映數(shù)據(jù),引導(dǎo)施工的順利進(jìn)行。
(5)原地鐵結(jié)構(gòu)沉降的速度值高于標(biāo)準(zhǔn)時,要及時實施搶險預(yù)案,并立即對隧道的滲漏處進(jìn)行注漿。
本文以蘇州某體檢中心樓項目改建為工程背景,通過理論分析和數(shù)值分析等方法,對城市軌道交通隧道正上方既有建筑物進(jìn)行改建施工時軌道交通結(jié)構(gòu)的變形和受力情況進(jìn)行分析,可以認(rèn)為,在距離軌道交通很近的房屋改造及新建工程,通過合理的設(shè)計、精心的施工,對施工風(fēng)險進(jìn)行分析和評價,采用合理有效的保護(hù)措施,可以保證軌道交通的正常使用。