机场线龙门站明挖基坑施工引起既有车站沉降的影响因素分析

机场线龙门站明挖基坑施工引起既有车站沉降的影响因素分析

1地铁13号线东南角车站结构北京轨道交通第一目的地国际机场线东门站位于东门外道路北侧。车站沿东西方向配置，13号线位于北侧，靠近南北。图1显示了两者的平面关系。由于受道路交通、建(构)筑物及地下管线的控制,机场线东直门站结构形式较为复杂,主体结构分为4段,自西向东依次为:A区———暗挖段(单层双连拱结构,长34.57m,宽18.74m),B区———明挖段(4层双跨矩形框架结构,长56.70m,宽22.24m),C区———明、暗挖段(上、下穿越13号线东直门站后折返线区间,长32.16m,宽22.24m),D区———明挖段(5层3跨矩形框架结构,长32.75m,宽22.44m)。地铁13号线东直门站为一座地下车站,与拟建的东直门交通枢纽、机场高速铁路及地面开发建筑合建在一起设计方案为地下层地上层结构自下而上依次为:地下2层(13号线车站),地下1层(枢纽人流层),首层(枢纽车流层),2层(高速铁路站厅层),3层(高速铁路站台层),4至7层(枢纽开发层)。2002年,先期建成地下2层,其余各层均为远期预留;同年底,处于地下2层的13号线投入运营,地下1层则暂时闲置。13号线东直门车站主体结构南北长160m,东西宽72m,为框架结构,其上部预留结构亦为框架结构,基础采用筏板基础。该车站采用明挖法施工,基坑深约16m,除东侧采用放坡开挖外,西侧及南、北侧均采用钻孔灌注桩加锚杆支护体系。机场线东直门站B区结构与13号线东直门站结构净距仅2.1m,该区采用明挖法施工,基坑深约27m,采用钻孔灌注桩加钢支撑支护体系。基坑平面见图2,剖面见图3。2道床混凝土抗压强度由于13号线东直门站建于2002年,为了掌握车站结构目前的工作状态,北京市轨道交通建设管理有限公司委托市建设工程质量检测中心第三检测所于年2月对13号线东直门车站主体结构及道床现状进行了检测。检测结果为:(1)车站主体结构外观良好,未发现明显裂缝,无明显外观质量缺陷;(2)梁、板、柱构件的混凝土抗压强度均满足原设计要求,混凝土碳化深度均小于保护层厚度;(3)道床混凝土表面平整,不存在蜂窝、麻面等缺陷,但局部小范围道床表面混凝土有粗糙麻面现象,部分钢轨下的凸起道床、垫块存在轻微边角破损,垫块边角处有裂缝,扣件与钢轨结合紧密,螺栓之间无裂纹,道床与底板连接处结合紧密,无明显脱空现象。检测报告表明,13号线东直门站结构总体状况良好。由于机场线东直门站B区基坑施工对13号线东直门站而言是一个土压卸载过程,必然会引起13号线东直门站结构的变形,为确保机场线基坑施工过程中13号线车站的结构安全和运营安全,需要对13号线东直门站结构进行安全性力学分析。目的在于:评估新建明挖基坑施工对既有车站结构的影响;根据行车安全的要求,综合各种影响因素,提出新建线明挖基坑施工时对既有车站结构的沉降控制指标。3有限模型3.1基坑开挖引起的变形(1)13号站南北两侧自身的围护桩仍能有效地承受侧土压力,13号线东直门基坑北侧土体按照静止土压力考虑;(2)13号线东直门站主体结构与其南侧围护桩之间已经回填,由于基坑开挖前已经使用较长时间,假定其已经完成固结并密实,且本次施工时进行注浆加固改良,计算中按照压杆考虑;(3)经水平注浆加固后,13号线东直门站底板在开挖扰动区内的土弹簧刚度能恢复到开挖前的刚度,而且不考虑水平注浆滞后于开挖的实际效应;(4)13号线东直门站北端底板不产生水平位移;(5)忽略钢支撑预加轴力的影响。3.2桩体的弯矩分析13号线东直门车站结构在机场线东直门站B区基坑施工期间是否安全,主要看两个方面:一是机场线基坑本身是否安全;二是13号线车站结构在发生变形之后内力是否超过其自身承载能力。机场线东直门站的设计单位提供了B区基坑南、北侧围护结构的计算书,分别计算基坑南、北侧围护结构。计算北侧围护结构时,将13号线东直门车站结构作为一种特殊的土层,并通过虚拟钢支撑来模拟南侧桩体的土压力传到北侧桩体上的作用。计算结果显示,北侧桩体的弯矩及剪力较南侧桩体小很多,北侧桩体的最大弯矩设计值为344.5kN·m,分布在坑外侧;而南侧桩体的最大弯矩设计值为1266.5kN·m,分布在坑内侧。进行沉降计算时,将13号线东直门车站结构作为超载考虑,计算出13号线东直门车站底板结构的沉降曲线为抛物线,最大沉降值为8.1mm。分析上述计算过程,由于机场线东直门站B区基坑属于不对称基坑,而“启明星”软件只适用于对称基坑的计算,虽然计算中采用了虚拟钢支撑来模拟钢支撑的传力作用,但模拟效果难以评判。由于计算模型做了很多简化,与实际情况相差较多,从而直接影响了计算结果的可信度。在本工程中,由于机场线基坑紧邻13号线,13号线车站结构的安全与基坑每一步的施工息息相关,因此,要评估13号线车站结构的安全,必须把基坑与13号线车站统一建模进行计算。本次评估计算采用荷载结构模式,将13号线车站及机场线基坑简化为平面问题,选取13号线车站结构的一个纵断面,将13号线车站与机场线基坑共同建模,按照基坑施工顺序分步计算,求出13号线车站结构的内力,再复核其配筋是否满足要求,从而评价其结构是否安全。同时,根据既有车站结构的材料强度、结构尺寸及所配钢筋,通过强度控制及裂缝控制两种工况,可计算出车站结构所能承受的最大内力,即允许内力。将车站结构内力计算结果与允许内力相比较,即可判断车站结构的工作状态,进而评估车站结构的安全性。3.3杆板及墙构件的模拟本次计算针对13号线车站及机场线基坑建立平面有限元模型,将车站内梁按刚度等效为板,车站内柱及围护桩、钢支撑按刚度等效为连续墙,采用SAP2000(V9)程序进行计算。计算中对车站板、墙构件采用板单元进行模拟,车站柱构件及基坑围护桩、钢支撑采用梁单元进行模拟。13号线车站北侧自身的围护桩与13号线车站结构之间以只能传递压力,不能传递拉力、剪力和弯矩的连杆连接;南侧围护桩与机场线基坑北侧围护桩结合成一体,与13号线车站结构之间也以这种连杆连接。13号线车站北端底板结构的南北向位移受到限制,因此计算模型在该断面的节点上设置水平铰支座。考虑到基坑内结构施作、拆撑、换撑一般不控制基坑的安全,本次计算仅选取开挖加撑的5步施工步骤,通过“总量法”进行计算,计算模型见图4。3.4计算参数3.4.1结构特性荷载计算考虑基本组合工况,结构所受荷载为:恒荷载(分项系数取1.2),结构自重+土压力;活荷载(分项系数取1.35),地面超载(20kPa)+楼面人群荷载(4kPa)。上述荷载分项系数均按GBJ9—87《建筑结构荷载规范》选取。3.4.2单元节点土体约束既有车站底板与新建线区间底板都受到基底土体的约束,因此计算模型在车站底板及区间底板单元节点上设置了竖直方向的弹簧,模拟土体的约束作用,用以限制结构的竖向位移。考虑到新建线明挖基坑施工开挖对周围土体扰动的影响,将处于破裂面范围内的弹簧刚度从0到正常值作线性递变。4计算结果和分析4.1现有车站沉降变形从计算分析可以看出,南北两端底板最大差异沉降为5.0mm,且以抛物线形式过渡,结构顶板处最大侧向位移为4mm。4.2号线车站配筋设计对每一步施工步骤的计算结果进行分析,发现机场线基坑开挖对13号线车站顶板、楼板及柱子的内力变化影响较小。下面重点分析13号线车站南北侧墙、底板及机场线基坑围护桩的内力,其弯矩见图5～图7。根据计算内力值,对13号线车站结构的控制性部位按照GBJ10—89《混凝土结构设计规范》进行配筋计算,并与实际配筋进行比较,结果见表1。从表1可以看出,13号线东直门站(地下2层)北侧墙中部所需钢筋面积超出实际配筋面积,不满足受力要求,其余部位的实际配筋尚有较大余量。同时,根据计算出的机场线基坑围护桩体内力,按照GB50010—2002《混凝土结构设计规范》进行配筋计算,并与设计配筋进行比较,结果见表2。根据表2的计算,机场线基坑围护桩的设计配筋不满足受力要求,尤其是北侧桩差得较多。5直门站b区基坑施工机场线东直门站B区基坑围护结构不能保证基坑本身的安全性;机场线东直门站B区基坑施工不能保证13号线东直门车站结构的安全;既有车站的最大差异沉降控制指标取5mm;应加强机场线东直门站B区基坑围护结构的设计,可采取如调整钢支撑布置、增大桩径、增加桩体配筋等措施。6预应力锚索的增加根据评估结论,设计单位结合具体情况,采取在13号线结构底板以下部分的基坑内南北各增加3排预应力锚索的方式同时缩小支撑的竖向间距从而有效减小了围护桩的内力峰值,保证了基坑本身的安全。同时,加强了13号线底板以下土体的注浆改良,有效减小了桩背土压力,从而也有效减小了围护桩的内力峰值(见图8)。7底板沉降测定监测单位的监测结果表明,车站本身为不对称基坑,车站基坑的位移偏向一侧,但实测13号线东直门底板沉降均未超过允许值,测点布置见图9,监测结果见表3～表7及图10～图11。从表中可以看出支撑轴力、锚索拉力均未超过预警值,最终13号线东直门站结构安全运营。8付款时工程实际按照计算结果采取相应加强后,保证了既有13号线的结构安全和运营安全。目前,工程已经施工完毕并投入运营各项指标均在控制范围之内4.3基坑弯矩分布计算结果显示,13车站北边跨的弯矩普于南边跨的弯矩,这为北侧墙直接承受由1线自身围护桩传递而侧向压力,而南侧墙向荷载传递途