地鐵深基坑對鄰近建筑地震響應影響研究

趙文強

（青島市地鐵規劃設計院有限公司 山東青島 266300）

1 引言

我國地處歐亞地震帶和環太平洋地震帶之間，地震活動頻繁，是世界上最大的大陸淺源強震活動區[1]，且大量工程位于高地震烈度或頻震區。基坑會在一定程度上改變鄰近場地條件，局部條件對地震波的傳播影響很大，從而可能引起地震時地面運動產生較大的放大或縮小，以及震害分布的區域化[2]。

我國現行的抗震設計規范[3－6]沒有考慮基坑的存在對鄰近建筑地震響應的影響，特別是緊鄰高層建筑的超深基坑，其建設和使用周期較長，對于高地震烈度或頻震區（如四川、甘肅等地），一旦發生較大強度的地震，可能會造成不可估量的后果。

目前相關研究大多集中在地下結構或基坑自身對地震作用的響應。郭鴻俊等[7]應用有限單元法分析了深基坑懸臂式圍護結構在地震波作用下的響應。陳建永[8]應用有限單元法和強度折減法分析了深基坑排樁圍護結構在地震波作用下的響應和穩定性的變化。康景文等[9]通過經歷“5·12汶川特大地震”仍處于穩定狀態的基坑，研究了基坑錨拉支護結構體系在地震荷載作用下的狀態變化及其規律性。

隨著軌道交通的快速發展，在城市繁華區域或一些特定地段，地鐵基坑緊鄰周邊建筑物工程已成常態。關于深基坑對鄰近建筑地震響應影響的研究是一個不容忽視的課題。本文利用MIDAS GTS數值分析軟件，針對成都某地下4層地鐵車站深基坑鄰近某高層住宅樓進行數值模擬，分析地震作用下地鐵深基坑對鄰近建筑地震響應的影響，為類似工程提供參考。

2 工程及地質概況

（1）工程概況

鄰近建筑為住宅樓，該住宅為地上16層（地下2層）框架－剪力墻結構，筏板基礎，基礎埋深約9 m。地鐵車站基坑與該住宅樓最小水平距離約6.2 m。基坑深約36.4 m、寬25.2 m，采用鉆孔灌注樁＋內支撐支護，中間設置臨時立柱。圍護樁采用φ1.2 m＠1.5 m鉆孔樁。第一、三道支撐采用0.8 m×1 m砼撐，水平間距6 m；第二、四、五道采用φ609鋼支撐（壁厚16 mm），水平間距3 m。圍護樁嵌固深度5.0 m。臨時立柱采用φ1.2 m＠6 m的鉆孔樁。基坑與住宅樓位置關系見圖1。

圖1 基坑與住宅樓位置關系剖面（單位：mm）

（2）地質概況

表1 地層參數

3 數值模擬及分析

3．1 模型的建立

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》，模型邊界一般采用粘性或粘彈性人工邊界，粘彈性邊界可以較好地模擬地基的輻射阻尼[10]。粘彈性人工邊界，可在有限元模型邊界節點的法向和切向設置并聯的彈簧單元和阻尼器單元[11－12]。在 MIDAS GTS中通過輸入基床系數及阻尼實現粘彈性人工邊界的加載，解決了對于有限的計算區域，波動能量在人工邊界上發生反射而導致模擬失真問題。

在對建立的有限元分析模型進行網格劃分時，振動波的高頻（短波）成分決定網格單元尺寸，低頻（長波）成分決定模型邊界范圍的大小。根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》，動力分析時一般要求模型單元尺寸不大于1 m；模型的兩側邊界與地下結構距離不小于3倍的地下結構寬度，底面取至設計地震作用的基準面且距離結構不小于3倍的地下結構豎向高度，上表面取至實際地表。

本文采用MIDAS GTS軟件對地層－結構模型進行時程分析，地層模型尺寸為長215.2 m、高156.4 m。模擬時，地層采用平面單元，鄰近建筑按質量等效為線單元。模型地表為自由面，周邊采用粘彈性人工邊界。

3．2 地震動時程

本工程場地位于成都市，抗震設防烈度7度，場地設計地震分組為第三組，地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。根據勘察報告，本場地類別為Ⅱ類。計算采用50年超越概率為10%的基巖加速度反應譜和峰值加速度作為地震動時程合成的目標峰值和反應譜，采用擬合基巖反應譜的三角級數迭代法合成地震反應分析所需的基巖地震動時程。地震動時程曲線見圖2。

圖2 50年超越概率10%基巖水平地震動時程曲線

3．3 計算工況

本次模擬按如下四種工況進行分析，通過四種工況對比，研究地鐵深基坑對鄰近建筑地震響應的影響。

工況一：無地鐵基坑，有鄰近建筑；

工況二：有地鐵基坑，有鄰近建筑；

工況三：有地鐵基坑，無鄰近建筑；

工況四：無地鐵基坑，無鄰近建筑。

3．4 數值模擬結果及分析

（1）最大水平相對位移計算結果

四種工況下的最大水平相對位移云圖見圖3～圖6。

圖3 工況一最大水平相對位移云圖

圖4 工況二最大水平相對位移云圖

圖5 工況三最大水平相對位移云圖

圖6 工況四最大水平相對位移云圖

通過數值模擬計算，地震作用時，工況一鄰近建筑頂部相對模型底的最大相對位移為174.8 mm，發生于9.82 s；工況二鄰近建筑頂部相對模型底的最大相對位移為320.2 mm，發生于10.88 s；工況三地面點相對模型底的最大相對位移為53.3 mm，發生于10.14 s；工況四地面點相對模型底的最大相對位移為24.7 mm，發生于9.50 s。

（2）建筑物底部角點處地面位移計算結果

建筑物底部角點處地面位移時程曲線見圖7。

圖7 建筑物底部角點處地面位移時程曲線

通過數值模擬計算，地震作用時，工況一建筑物底部地面最大位移為97.8 mm，發生于10.24 s；工況二建筑物底部地面最大位移為297.4 mm，發生于10.64 s；工況三建筑物底部角點處地面最大位移為216.7 mm，發生于11.06 s；工況四建筑物底部角點處地面最大位移為73.9 mm，發生于10.24 s。工況一及工況四位移曲線于位移零軸兩側分布，兩側位移幅值接近；工況二及工況三位移曲線主要分布于位移0軸以上，位移傾向基坑。

（3）層間位移計算結果

由圖8可知：地震作用時，工況一鄰近建筑第1層最大層間位移為12.7 mm，發生于10.18 s；第8層最大層間位移為13.2 mm，發生于14.06 s；第16層最大層間位移為3.6 mm，發生于10.00 s。位移曲線于位移零軸兩側分布，兩側位移幅值接近。

圖8 工況一層間位移時程曲線

由圖9可知：地震作用時，工況二鄰近建筑第1層最大層間位移為14.1 mm，發生于10.98 s；第8層最大層間位移為25.9 mm，發生于10.36 s；第16層最大層間位移為13.4 mm，發生于10.74 s。位移曲線主要分布于位移零軸以上，位移傾向基坑。

圖9 工況二層間位移時程曲線

（4）計算結果對比及分析

將四個工況計算結果進行對比分析，見表2、表3。

表2 計算結果對比（層間位移） mm

表3 計算結果對比（地面及相對位移） mm

通過各工況計算結果對比可知，深基坑在一定程度上改變了鄰近場地條件，對周邊場地及鄰近建筑的地震響應特性產生較大影響，地震作用時引起地面及鄰近建筑運動明顯增大。工況三較工況四地面位移增加約193.2%，地面最大相對位移增加約115.8%；工況二較工況一地面位移增加約204.1%，樓頂最大相對位移增加約83.2%。

工況二鄰近建筑層間位移均大于工況一，即基坑修建后在地震作用下鄰近建筑的層間位移均有增加，第1層層間位移增加約11%，第8層層間位移增加約96.2%，第16層層間位移增加約272.2%，中間層及頂層層間位移增加明顯。工況一中，第8層層間位移為13.2 mm，層間位移角約為1.1／250；工況二中，第8層層間位移為25.9 mm，層間位移角約為 2.17／250。

工況一較工況四及工況二較工況三，地震作用下建筑物的存在會在一定程度上增加鄰近場地的震動位移，但增加幅度相對較小。工況一較工況四，地面位移增加約32.3%；工況二較工況三，地面位移增加約37.2%。

工況一和工況四在無基坑條件下，地震作用引起地層、地表及建筑物的位移分布于位移零軸兩側，且兩側幅度接近；但存在基坑的工況二和工況三，地層及建筑物位移均向基坑側呈明顯增大趨勢，地層及建筑物一定程度上向基坑方向傾斜，大幅增加了地震作用下鄰近建筑地震破壞的可能性。

3．5 深基坑對鄰近建筑地震響應的影響

（1）綜合計算結果，修建地鐵基坑后，地震作用下鄰近場地及鄰近建筑位移明顯增大，且位移傾向基坑側，說明基坑的存在對鄰近場地及鄰近建筑的地震響應特性影響較大。其原因在于基坑開挖后削弱了地層的整體性和自身阻尼特性，基坑雖然有圍護結構支撐，但仍加劇了地震作用。并且基坑開挖后使地層產生臨空面，地震波傳遞至基坑范圍時基坑兩側地層形成一定的鞭梢效應，增大了地層的震動位移，從而加劇了鄰近建筑的振動幅度。因此，一旦基坑發生失穩破壞，極有可能引起鄰近建筑發生破壞。

（2）對于存在鄰近建筑工況，地震作用下場地內位移有所增大。其原因在于地面建筑增加了作用在周邊地層及基坑圍護結構上的荷載，因此導致作用在基坑圍護結構上的地震作用有所增大，基坑兩側地層位移增加后在一定程度上又影響了鄰近建筑的震動位移，亦增加了地震作用時基坑及鄰近建筑的地震破壞風險。

4 結論

（1）地鐵深基坑的存在改變了鄰近場地條件，對周邊場地及鄰近建筑的地震響應特性產生較大影響，地震作用時引起地面及鄰近建筑的位移或相對位移明顯增大。因此，地鐵深基坑使鄰近建筑所受地震作用增大。

（2）基坑開挖后削弱了地層的整體性和穩定性，使地層形成相對臨空面，地震作用時，基坑兩側土體存在相向或相悖運動，增大了支撐軸力，并且基坑兩側地層及鄰近建筑的震動位移均傾向基坑。在基坑未失穩情況下，仍增加了建筑物的層間位移，亦增大了鄰近建筑開裂或破壞的風險。

（3）鄰近建筑的存在，使周邊場地及基坑在地震作用下的位移有所增大，增加了基坑支護體系失穩及基坑破壞的風險。