摘要：西单文化广场改造项目为地下结构改造工程，由于功能需求的变化而进行的改建，且采用逆作法进行施工，不同于一般的民用工程项目，施工过程具有一定的风险性。本项目采用有限元分析法对改造过程进行全过程的仿真分析，针对不同的施工工序，建立有限元分析模型，对主要构件进行受力分析，以满足施工阶段的结构安全性。
关键词：基坑改建 逆作法 有限元分析 边界条件
1 工程概况
西单文化广场改造项目地位于北京市西城区西单文化广场，西单文化广场全部为地下建筑，地下3层。基础埋深约为15.0m。地下总建筑面积为36184.4平方米，另有广场附属用房等约3000平方米。
为建设国际一流和谐宜居之都，实现首都城市战略定位，调整城市空间布局，疏解非首都功能，优化提升首都核心功能，提升西单地区商业品质。拟对西单文化广场地下进行改造，本次改造施工仅保留地下室外墙和基础底板结构。内部结构全部拆除重新设计及施工，按照新方案进行改造（图1）。
图1 西单改造项目轮廓
2 施工步序及方案
西单文化广场基坑主体结构南侧距北京1号线地铁换乘通道13.8m，改造后南向地面厅出入口距6.08m；基坑西侧基坑主体结构距北京市4号线地铁2#风道仅0.86m。由于项目改造需要拆除原有楼板及部分框架梁及框架柱，此时地下室侧向刚度减弱，地下室侧墙变形加大，会对项目本身及临近建构筑物造成影响，因此该项目地下室改建拆除具有较大的风险。
因该项目为献礼工程，项目工期要求非常严苛，研究诸多方案后，决定西单文化广场改造项目采用逆作法进行施工，首层结构进行提前交付，交付后进行园林绿化工作，同时下部主体可以继续进行施做。
为最大可能的减少基坑施工对临近地铁结构的影响，改造时临近地铁的侧壁均采用叠合墙，且采用跳仓法进行施工，尽可能减少施工对地铁运营的影响（图2）。
(a)拆除支护无关区域
(b)施作叠合墙
(c)吊装新建立柱
(c)交付顶板
图2 逆作法初步施工流程
3 项目重难点分析
3.1 改造项目情况复杂
该项目第一次建设于1988年，后又经2008年进行加固改造，仅存有部分设计资料，且经过现场踏勘后有部分区域与设计资料不符，对后期新一轮的改造设计造成了一定的困难。
3.2 项目地理位置复杂
该项目所处位置为北京市西单商圈中心位置，紧邻西长安街，地段较敏感，且基坑距离地铁1号线换乘通道及地铁4号线距离很近，项目的拆除改造工作不能对西长安街产生任何危机行人,车辆安全的情况，对地铁的运营不能产生不利影响。
3.3 设计指标要求严苛
（1）因该项目原基坑侧墙配筋较少，需要模拟各施工工序下原有侧墙的承载力情况，调整拆除方案，使原有侧墙受力满足现有规范要求。
（2）根据评估结果显示，基坑侧墙施工累计变形不得大于8mm，才能满足地铁运营要求。累计变形要求严格，对施工工序及拆除顺序的合理设计就显得极为重要。
3.4 原有维护结构的贡献性
原有基坑支护采用混凝土围护桩体系，因原设计为临时支护，故该项目如何考虑围护桩的效应是设计的重点。基坑外墙所受荷载的大小对施工工序和临时支撑措施方案制定极为关键，考虑围护桩效应过大则带来一定的风险，考虑过小则会造成施工成本的增加。
4项目有限元分析模型
4.1 有限单元
本文主要进行基坑拆除改造整个周期的分析，基坑结构主要有3种构件类型：第1种是混凝土叠合墙，新建墙体与原有墙体采用界面处理；第2种是混凝土普通墙，新建墙体与原有墙体不进行界面处理，墙体之间节点采用刚性杆进行耦合，两种墙体之间仅能传递压力，不能传递剪力；第3种是混凝土框架梁及框架柱。根据三种结构类型分别采用壳单元及杆系单元进行模拟。
4.2 荷载取值
本工程荷载主要包括自重、施工荷载、覆土荷载及土压力荷载；自重及施工荷载按实际取值，土压力荷载本文考虑外部维护桩还未完全失效，采用折减土压力系数0.8考虑，土压力采用静止土压力荷载模式计算得到的荷载值作为基坑侧向荷载。
静止土压力系数
取值为0.5，在考虑基坑围护桩作用的情况下，基坑外墙侧向土压力值取为
（
为基坑填土重度，
为基坑侧墙高度）。
4.3 边界条件
（1）基坑筏板原结构厚度为1m，新建筏板厚度为0.8m，进行界面处理，侧墙及框架柱均生根于筏板之上，因此墙、柱与底板连接按刚接处理。
（2）原结构施工完成后时间较长，故考虑筏板已经沉降完全，筏板底部节点按照铰接进行考虑。
（3）侧墙约束按照仅受压弹簧进行考虑，弹簧计算公式为
（
为水平基床反力系数）。
根据上述条件，采用Midas Gen软件建模如图3~5所示。
图2 原结构模型
图4 经过板洞拆除后模型
图5 顶层交付后模型
5分析结果
将前文中确定的各参数数值赋予计算模型，经计算得到基坑整体结构变形及各构件的内力，本文以基坑侧墙变形及受力为重点进行分析，计算结果如图6~7所示。
图6 基坑侧墙变形云图（mm）
图7 基坑侧墙弯矩云图（kN*m）
经过计算，基坑侧墙累计变形均小于8mm，满足评估要求。侧墙底部弯矩为536kN*m，最大位置位于侧墙与筏板交界处，且该处因外侧受拉，基坑原有侧墙部分承担拉力。
通过验算，原有地下室外墙配筋无法满足承载力设计要求，因此需要根据计算得到的弯矩云图，设置侧墙底部斜向支撑，减小侧墙根部弯矩，以达到满足要求的目的。
6改造方案优化
因项目改造方案中有车道部分，车道结构进行改建拆除后，会形成侧壁受力跨度为14.5m，在侧向土压力的作用下，此处墙体根部出现最大弯矩，跨中出现最大变形。为确保基坑侧壁安全，必须设置临时斜向支撑，与基坑侧壁协同受力，确保施工阶段结构的安全性。
根据墙体根部弯矩分布情况，初步确定在墙体根部间隔2.8m布置一道斜向支撑，降低施工阶段时墙根部弯矩，临时斜向支撑计算结果如图8所示。
图8 斜向支撑轴力云图
根据支撑轴力，斜向支撑轴力最大值为3370kN，经过试算，ø609mm钢管满足承载力及稳定要求。
经过上述施工方案优化后，计算得到基坑侧壁根部弯矩为375kN*m，经验算，满足施工阶段承载力要求。
7总结
西单文化广场项目采用逆作法施工，施工工法较复杂，且地理位置十分敏感，紧邻地铁1号线及4号线，该项目的改造任务复杂而艰巨。
仿真分析在本工程设计阶段及施工方案的细化阶段发挥了重要的作用。侧土压力荷载取值模式为估算值，基坑结构在拆除过程中应加强结构变形监测，通过检测数据推算出真实土压力的大小，进而为后续计算提供更为精确的资料。
论文作者:白韬,姜艳红
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
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