地鐵深基坑施工對鄰近建筑物影響分析

李鵬宇

（山西省公路局大同分局，山西 大同 037000）

地鐵車站往往地處城市繁華區(qū)域，周邊建筑群林立，地下管線復雜。而且地鐵車站基坑往往深度較大，施工過程中不可避免地會對周邊地層產(chǎn)生較大的擾動，極易使鄰近建構筑物和地下管線出現(xiàn)不均勻沉降，造成建筑物開裂、管線破裂等施工災害，嚴重時甚至威脅居民人身安全[1-4]。

本文以天津某地鐵車站為背景，借助FLAC 3D數(shù)值仿真軟件模擬深基坑施工過程，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究地鐵深基坑施工對鄰近既有建筑物及管線的影響。

1 工程概況

本文依托天津某地鐵車站工程，車站為地下兩層島式車站，站臺寬度12 m，主體結(jié)構長度約247.55 m，結(jié)構寬度為20.7～25.5 m，主體標準段基坑深度約17.2 m，最深處基坑深度約為18.6 m，車站頂板覆土厚度約3～3.5 m。車站施工采用蓋挖逆做法，施工過程中頂板及中板起到內(nèi)支撐的作用。圍護結(jié)構采用地下連續(xù)墻配合內(nèi)支撐，地下連續(xù)墻深32 m，厚度0.8 m 的C35 混凝土；坑內(nèi)支撐共設置兩道，第一道為埋深1 m，φ609×16 mm 的鋼支撐；第二道為埋深11 m，1 100 mm×1 100 mm 的混凝土支撐；同時基坑底設置兩排直徑800 mm，壁厚30 mm 的鋼管混凝土柱基礎，兼做抗拔樁。詳細的圍護結(jié)構示意圖見圖1。

車站周邊建筑物眾多，但全部按照實際情況建模工作量巨大，因此僅選取與地鐵車站相對距離較短且高度較大的建筑物，分別編號為建筑物A 和建筑物B。建筑物A 位于車站北側(cè)，是一幢30 層高的商業(yè)寫字樓，與深基坑邊緣最近距離為17 m；建筑物B 為一幢20 層高的酒店，與深基坑邊緣最近距離為20 m。管線則選取距離深基坑最近的兩條管線，編號為管線C 和管線D，其具體位置分別為距離基坑邊緣3 m、埋深6 m，以及距離基坑邊緣5 m、埋深3 m 位置處。

圖1 基坑及圍護結(jié)構示意圖

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型

基于以上工程概況，建立如圖2 所示的FLAC 3D 數(shù)值計算模型。模型尺寸為120 m×155 m×35 m，針對于建筑物、管線及圍護結(jié)構需要做以下幾點說明：

a）建筑物基礎形式為樁筏基礎，筏板采用線彈性模型的實體單元模擬，筏板下樁采用結(jié)構單元中的樁單元模擬，如圖3 所示為建筑物及其樁筏基礎的模型示意圖。

b）建筑物用等效剛度的長方體表征，除單元體本身密度充當一部分建筑物荷載外，其余荷載按照每層15 kN/m2計算，通過施加應力的方式作用于建筑物上表面。

c）圍護結(jié)構中地下連續(xù)墻采用線彈性模型的實體單元模擬，內(nèi)支撐、冠梁等采用結(jié)構單元中的梁單元模擬，抗拔樁采用樁單元模擬。

d）管線C 為自來水管道，其直徑為1.0 m，厚度200 mm，剛度參數(shù)為Q235 鋼參數(shù)；管線D 為天然氣管道，直徑1.5 m，厚度為400 mm，剛度參數(shù)為Q235 鋼參數(shù)。由于地下管線的尺寸與整體模型的尺寸相差較大，對其精準建模工作量大且難以實現(xiàn)，為了建模簡便，管線橫斷面用等效的正方形表示，管壁采用殼單元模擬，其與基坑位置關系見圖2。

圖2 數(shù)值模型示意圖

圖3 建筑物A 及其基礎示意圖

2.2 數(shù)值參數(shù)

該車站影響范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層、坑、溝底新近淤積層、第四系全新統(tǒng)新近沖積層、第四系全新統(tǒng)中組海相沉積層。巖性主要為淤泥、黏性土、粉土、局部夾粉砂。總體上，場地內(nèi)土質(zhì)較穩(wěn)定，屬穩(wěn)定場地，適宜地鐵工程建設。但上部地層工程地質(zhì)條件總體上較差，特別是粉土層在地震力作用下會發(fā)生液化，失去強度，導墻、地連墻成槽等施工時容易出現(xiàn)坍塌，施工時需特別注意。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，總結(jié)土體及材料參數(shù)于表1 中。

表1 巖土體材料參數(shù)表

2.3 模擬過程

本文所分析的問題為考慮深基坑開挖對鄰近建筑物影響，模擬過程主要分兩步進行，一是得到深基坑施工前，建筑物和管線穩(wěn)定后的應力場；二是模擬整個深基坑的施工過程，具體過程如下：

a）建立自然土體模型，平衡地應力。

b）添加建筑物A、B 及管線C、D，計算至平衡。

c）清零位移場和速度場，施工地下連續(xù)墻和抗拔樁。

d）基坑施工，按照先撐后挖的原則，共分成5 個步驟。

（a）加第一道鋼支撐，開挖2 m，計算至平衡；

（b）開挖5 m，施工頂板，計算至平衡；

（c）開挖4 m，施工中板，計算至平衡；

（d）開挖3 m，加第二道混凝土支撐，計算至平衡；

（e）開挖3 m，施工底板，計算至平衡。

3 結(jié)果分析

該工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是圍繞基坑支護結(jié)構及周邊沉降進行，對建筑物的變形監(jiān)測相對較少。如圖4 所示為基坑邊緣某斷面沉降槽模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比曲線。可以看出，相較實測數(shù)據(jù)而言，模擬數(shù)據(jù)的沉降槽寬度更大，且沉降槽最低點相距基坑更遠[5-7]。但觀察整體走勢而言，二者較為統(tǒng)一，且誤差相對較小。圖5 為相同斷面的地連墻撓曲監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比曲線，可以看出二者走勢一致，差別主要在最大撓曲點的出現(xiàn)位置和峰值不同。因此，可以認為本文的數(shù)值模擬結(jié)果可以在一定程度上反映實際工程，基于此，進一步開展深基坑施工對鄰近既有建筑物及管線的影響研究。

圖4 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)沉降槽對比曲線

圖5 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)地連墻側(cè)移對比曲線

如圖6 所示為基于數(shù)值模擬的結(jié)果，對比是否下穿建筑物的沉降槽曲線。可以看出建筑物的存在對沉降槽形式產(chǎn)生了較大影響，建筑物邊緣沉降相對自然地表沉降更大，而建筑物本身由于其剛度較大及樁筏基礎的存在沉降相對較小，這就造成了建筑物相對周邊地表的差異沉降，最大差異值約2 mm左右，差異沉降的存在極易使建筑物周邊的地表產(chǎn)生裂縫。

圖6 是否下穿建筑物沉降槽對比曲線

如圖7 所示為建筑物自基坑邊緣一側(cè)至另一側(cè)中間斷面的沉降曲線，可以看出由遠離基坑一側(cè)到靠近基坑一側(cè)，建筑物A 的沉降逐漸增大，表明深基坑開挖使建筑物產(chǎn)生了較為明顯的不均勻沉降。如圖8 所示為建筑物A 和建筑物B 不同施工步的傾斜值曲線，可以看出隨著開挖深度的增大，建筑物的傾斜值逐漸增大，但是均小于規(guī)范控制標準0.002，表明深基坑開挖雖然對建筑物產(chǎn)生了一定的影響，但仍在可控制范圍內(nèi)。

圖7 建筑物A 沉降曲線

圖8 不同施工步建筑物A、B 的傾斜值曲線

如圖9 所示為管線C、D 的位移圖，其中管線C整體位移向下，不均勻沉降差值約5 mm；管線D 整體位移向下，不均勻變形差值約5 mm。相對而言，管線的水平向位移則大得多，如圖10 所示，管線C、D水平方向的偏移量均為厘米級別，但其自身形變卻仍保持在毫米級別。進一步提取其應力值可以發(fā)現(xiàn)，管線的主應力最大值為436 kPa，平均值僅為200 kPa 左右，遠小于管線所能承受的最大應力。究其原因，主要是因為管線體量相對較小，其位移變形主要取決于土體的位移，當土體變形相對均勻時，即使管線距離基坑較近，整體位移值較大，但由于其自身變形較小，并不會對管線造成太大影響。

圖9 管線沉降曲線

圖10 管線水平位移曲線

4 結(jié)論

本文基于FLAC 3D 數(shù)值模擬，并對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究了地鐵深基坑開挖對鄰近建筑物、管線的影響，主要得到以下結(jié)論：

a）深基坑施工易使鄰近建筑物與周邊地面產(chǎn)生差異沉降，從而產(chǎn)生地表裂縫等危害。

b）深基坑施工會造成建筑物的不均勻沉降，易使建筑物自身產(chǎn)生裂縫，嚴重時還會有傾覆風險。

c）深基坑施工對鄰近管線的影響主要取決于管線周圍土體的位移變化，當整體位移相對均勻時，即使管線整體位移較大，但其自身形變很小，管線受力尚處于安全范圍內(nèi)。