地鐵車站施工對鄰近建筑物的安全性影響評估

邱美麗 王 偉 楊成永

(1．北京交通大學土建學院，北京 100044; 2．中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

地鐵車站施工對鄰近建筑物的安全性影響評估

邱美麗1王 偉2楊成永1

(1．北京交通大學土建學院，北京 100044; 2．中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

對地鐵車站附屬結構的明挖施工過程進行了數值模擬，預測了施工過程引起的鄰近建筑物的豎向變形、橫向變形及傾斜，確定了既有建筑物變形的控制指標，并給出了評估建議。

車站附屬結構，明挖施工，鄰近建筑物，數值分析

0 引言

地下工程施工必然會對周圍地層產生擾動，改變土層的受力狀態，引起地層位移變形。當地下結構埋深較淺時，施工對周圍土體的影響范圍就會波及到地表，引起地表沉降和變形，進而也會對地面鄰近既有建筑物的安全造成威脅。為了確保周圍既有結構正常使用，保證地下結構施工的順利進行，我們要選擇合理的施工方法，對既有結構進行風險評估，動態監測地表及既有結構的變形情況，及時調整施工方案、嚴格控制施工質量。

目前我國多采用FLAC，ANSYS，ABAQUS，MIDAS等有限元軟件模擬地下工程施工過程，預測地下工程開挖對鄰近既有結構產生的最終變形，對既有結構的安全做出評估，并依據控制標準給出評估建議，指導工程施工。

本文采用ANSYS軟件，對北京地鐵昌平線昌平車站3號豎井、盾構吊出井、2號風道和C出入口的開挖過程進行了數值模擬，計算了鄰近建筑物昌平區糧食局辦公樓及朗廷賓館產生的變形。然后根據現行規范給出了既有建筑物的變形控制指標，提出了安全性影響評估結論。

1 工程概況

1．1 昌平站附屬結構概況

北京地鐵昌平線昌平站工程，共設3個出入口、1個安全出入口和2個風亭，均采用明挖法施工，與車站連接部采用暗挖法施工。車站總平面圖如圖1所示。

東端2號風亭明挖基坑最深約為22．6 m，寬約為11．4 m，長為36．6 m，采用直徑1 000@1 500鉆孔樁加內支撐的支護體系結合上部的土釘墻放坡開挖。C出入口結構明挖部分基坑最深為16．1 m，寬約為12．3 m，長為42 m，采用直徑800@1 400鉆孔樁加內支撐的支護體系結合上部的放坡開挖，C出入口與車站主體結構之間的橫通道長約為13．3 m，覆土厚度為9．13 m，底板埋深為15．8 m。3 號豎井斷面尺寸為9．6 m ×11．3 m，深約為 25．6 m，與豎井相連的橫通道長約為38 m，覆土厚度約為3．5 m，底板埋深約為22．4 m。盾構吊出井斷面尺寸為12．7 m×13．5 m。

圖1 昌平站總平面圖

1．2 既有糧食局辦公樓、朗廷賓館概況

昌平區糧食局辦公樓建筑層數為地上5層，磚混結構，基礎為條形基礎。埋深為1．6 m，基礎長49．5 m，西側寬12．6 m，東側寬16．6 m。地上一層高為3．9 m，其余各層均為3．3 m。

朗廷賓館建筑層數為地上8層，基礎為條形基礎，基礎埋深為4．4 m。地上1層高為3．9 m，其余各層均為3．3 m。

1．3 新建工程與既有工程相對位置關系

C出入口明挖基坑與既有朗廷賓館南北向水平的最小距離為6．34 m，與糧食局辦公樓南北向水平的最小距離為8．35 m。2號風道與糧食局辦公樓水平最小距離為9．7 m。平面關系圖如圖2所示。

圖2 新建工程與既有樓房平面位置關系圖

1．4 工程地質概況

按地層沉積年代、成因類型，本工程場地的土層為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q1al+pl4)、第四紀晚更新世沖洪積層(Qal+pl3)三大類。按地層巖性及其物理力學性質進一步分為8層，其物理力學性質參數見表1。

表1 各土層物理力學性質參數

2 計算說明及假定

基于地層—結構力學模型理論采用ANSYS有限元軟件進行變形及應力分析計算。對擬開挖基坑施工步驟采用三維地層結構模型模擬分析昌平站附屬結構施工引起的既有糧食局辦公樓、朗廷賓館結構變形及應力變化。

在數值模擬中，我們做如下假定：

1)根據對既有樓房結構的現狀調查結果，目前既有結構強度達到設計要求;2)既有樓房結構內力依據原設計標準進行計算分析，新建工程施工期間既有結構僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況;3)假定既有樓房結構為線彈性材料;4)假定新建結構、既有樓房結構及土體之間符合變形協調原則;5)通過剛度等效的方法，將既有樓房結構等效為一種同剛度材料;6)本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

3 車站附屬結構施工對鄰近建筑物影響數值分析

3．1 盾構吊出井和3號豎井施工對既有結構影響的數值分析

1)計算模型。計算模型取包含新建豎井、盾構吊出井、既有辦公樓和朗廷賓館的長140 m、寬100 m，自地表50 m厚的土體作為考察范圍，如圖3，圖4所示。周圍土體采用實體單元，不同的土層采用不同的材料模擬。邊界條件除頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。計算荷載包括：結構自重、土體豎向自重力、樓房設計活荷載及地面均布超載20 kPa。

2)模擬工序。施工工序分三步：第一步，自地面同時開挖豎井和吊出井，開挖深度為7．6 m;第二步，繼續開挖深度為9 m;第三步，繼續開挖深度為9 m。

圖3 計算模型總體圖（一）

圖4 計算模型相對位置關系圖（一）

3)變形預測。3號豎井和盾構吊出井的施工引起既有辦公樓最大豎向變形值為5．2 mm，下沉變形，發生在臨近豎井一側;最大橫向變形值為1．6 mm，趨向豎井，發生在臨近豎井一側;既有朗廷賓館最大豎向變形值為2．5 mm，下沉變形，發生在臨近豎井一側;最大橫向變形值為0．78 mm，趨向豎井，發生在臨近豎井一側。

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3．2 2號風道施工對既有結構影響的數值分析

1)計算模型。計算模型取包含新建風道基坑和既有辦公樓、朗廷賓館的長130 m、寬100 m，自地表50 m厚的土體作為考察范圍，如圖5，圖6所示。

圖5 計算模型總體圖（二）

圖6 計算模型相對位置關系圖（二）

2)模擬工序。施工工序分五步：第一步，自地面開挖風道基坑，開挖深度為2．7 m，并隨開挖施作鋼支撐;第二步，繼續開挖深度為6．0 m;第三步，繼續開挖深度為5．0 m;第四步，繼續開挖深度為5．0 m;第五步，繼續開挖深度為3．9 m。

3)變形預測。2號風道明挖施工引起既有辦公樓最大豎向變形值為10．9 mm，下沉變形，發生在臨近基坑一側;最大橫向變形值為3．6 mm，趨向基坑，發生在臨近基坑一側;既有朗廷賓館最大豎向變形值為0．57 mm，下沉變形，發生在臨近基坑一側;最大橫向變形值為0．35 mm，趨向基坑，發生在臨近基坑一側。

3．3 C出入口施工對既有結構的影響分析

1)計算模型。計算模型取包含新建出入口基坑和既有辦公樓、朗廷賓館的長110 m、寬90 m，自地表35 m厚的土體作為考察范圍，如圖7，圖8所示。

2)模擬工序。施工工序分四步：第一步，自地面開挖出入口基坑，開挖深度為2．7 m，并隨開挖施作鋼支撐;第二步，繼續開挖深度為6．0 m;第三步，繼續開挖深度為5．0 m;第四步，繼續開挖深度為2．4 m。

圖7 計算模型總體圖（三）

圖8 計算模型相對位置關系圖（三）

3)變形預測。C出入口明挖施工引起既有辦公樓結構最大豎向變形值為5．4 mm，下沉變形，發生在臨近基坑一側;最大橫向變形值為1．6 mm，趨向基坑，發生在臨近基坑一側;既有朗廷賓館結構最大豎向變形值為9．8 mm，下沉變形，發生在臨近基坑一側;最大橫向變形值為2．8 mm，趨向基坑，發生在臨近基坑一側。

3．4 新建工程對既有結構的綜合影響分析

4 變形控制指標及評估結論

4．1 既有結構變形控制指標

根據GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范及DBJ 11-501-2009北京地區建筑地基基礎勘察設計規范中對變形的相關規定，當建筑物高度自室外地面起算小于24 m時，多層和高層建筑的整體傾斜最大為4‰，體型簡單的高層建筑物基礎的平均沉降量最大為200 mm。

糧食局辦公樓和朗廷賓館的高度均在24 m以下，其平均沉降量控制值取200 mm，整體傾斜控制值取4‰。

4．2 評估結論

新建結構施工引起既有結構的沉降最大為14．9 mm，遠小于控制標準200 mm。故此工程既有結構按整體傾斜率來控制。

根據既有結構的現狀檢測結果，糧食局辦公樓現狀最大傾斜值為2．8‰，傾斜方向為東南;朗廷賓館現狀最大傾斜值為2．9‰，傾斜方向為西北。

根據變形預測結果，施工引起辦公樓最大傾斜值為0．77‰，傾斜方向為北側。新建工程施工引起的傾斜方向與原結構的傾斜方向相反，新建工程施工對既有結構傾斜起到糾偏作用，而且傾斜值疊加后在規范要求范圍之內，在正常施工條件下，能夠保證既有辦公樓的安全。

施工引起朗廷賓館最大傾斜值為0．82‰，傾斜方向為北側。新建工程的施工引起的傾斜與原結構的傾斜疊加，得到總的傾斜值為3．72‰，仍在規范要求范圍之內，在正常施工條件下，能夠保證既有朗廷賓館的安全。

5 結語

本文根據北京地鐵昌平線昌平車站的場地條件，建立有限元模型，就3號豎井、盾構吊出井、2號風道和C出入口的施工對鄰近建筑物昌平區糧食局辦公樓及朗廷賓館的影響進行了計算，提出了變形控制指標，得到了新建結構施工能夠保證既有結構安全的評估結論。

但新建結構施工后，既有朗廷賓館的整體傾斜值將達到3．7‰，離規范允許值4‰的安全儲備較小。因此，建議設計縮小C出入口和2號風道水平內支撐的豎向間距，增加水平支撐的層數，提高工程的安全儲備。

考慮到地下工程施工的復雜性，施工過程中應嚴格控制施工質量，進行動態監測，并根據監測結果及時調整施工方案，以確保地鐵車站附屬結構順利施工及既有結構安全。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］．

［2］DBJ 11-501-2009，北京地區建筑地基基礎勘察設計規范［S］．

［3］上海市城市建設設計研究院．昌平站車站附屬結構圖［Z］．2011．

［4］上海市城市建設設計研究院．昌平站車站附屬結構圍護結構圖［Z］．2011．

［5］上海市城市建設設計研究院．昌平站車站結構地質縱剖面圖［Z］．2011．

［6］國防科工委京東工程設計部．昌平糧食局機關辦公樓建筑、結構圖［Z］．1984．

［7］北京交通大學．北京市昌平區糧食局辦公樓、朗廷賓館現狀調查與檢測報告［R］．2012．

［8］譚建國．使用ANSYS 6．0進行有限元分析［M］．北京：北京大學出版社，2002．

［9］劉 濤，楊鳳鵬．精通ANSYS［M］．北京：清華大學出版社，2002．

Assessment on the safety of existing structures affected due to metro excavations

QIU Mei-li1WANG Wei2YANG Cheng-yong1

(1．School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China; 2．China Railway 20 Bureau Group Co．，Ltd，Xi’an 710016，China)

According to the numerical simulation of the construction of affiliated structures of a subway station，vertical settlement，horizontal displacement and inclination of existing buildings were predicted．Control values of deformation were selected and assessment on the safety of existing buildings was made．

affiliated structures of subway station，ground excavation，nearby buildings，numerical analysis

TU753

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.036

1009-6825(2013)10-0057-03

2013-01-11

邱美麗(1987-)，女，在讀碩士; 王 偉(1973-)，男，工程師; 楊成永(1966-)，男，博士生導師，教授