地下隧道明挖施工對鄰近建筑影響及變形控制研究

摘要：以某明挖法施工的基坑工程為研究對象，考慮到其基坑多為狹長型基坑，通過統計分析實測數據的方式，研究了狹長型和非狹長型基坑的變形規律，以取得基坑及其周邊土體的相關變形參數，并在此基礎上對變形控制標準提出參考值。

關鍵詞：地下隧道;明挖施工;建筑變形;基坑

0" "引言

人口激增導致較多城市地面交通擁堵，為緩解交通問題，人們開始將眼光轉向地下空間，地下工程逐漸發展起來。盾構法和明挖法是地下隧道施工的主要方法，若從經濟性以及經驗的角度出發，明挖法仍然是地下隧道施工中的重要方法。在開挖軟土地區的深基坑時，挖除坑內土體往往會造成坑底出現隆起或圍護墻側移，坑外土體出現沉降和位移，導致周圍建筑受到破壞。

為使基坑周邊建筑所受的影響降到最低，首先應對土體位移受基坑開挖的影響進行分析，國外的Peck等人基于現場監測數據，提出不同的土層之下地表沉降的大小和范圍的聯系，國內的木林隆等人基于有限元分析，對基坑周邊土體的位移衰減規律進行了研究，并相應給出基坑開挖所導致的土體位移簡便計算方法。

總體而言，當前針對基坑開挖與土體位移之間主要是通過實測以及數值模擬的方式開展研究，但該種預測結果往往受限于地域條件，并且一般形狀的基坑與明挖施工所形成的狹長型基坑因空間效應等的不同，所產生的變形性狀也存在不同，因此，有必要基于軟土地區和狹長型隧道的特點，對其所導致的坑外土體位移規律以及控制措施開展研究。

1" "軟土地區深基坑變形規律分析

如何預測以及控制軟土地基深基坑工程的變形一直是人們關注的重點，在現場實測變形數據的基礎上，從大量數據中挖掘一般規律是當前最為直接的方法。為全面系統的對軟土地區明挖隧道深基坑變形規律進行研究，本文對某軟土地區內的明挖隧道工程信息進行篩選，選出如表1所示的最具代表性的20個深基坑工程，重點對狹長型基坑以及非狹長型基坑的變形差異進行研究分析。

對基坑深度以及面積進行統計的結果如圖1所示。從圖1可知，20個基坑中，12m以上開挖深度的有12個，5000m2以上開挖面積的有10個。

1.1" "地表最大沉降與開挖深度的關系

基坑工程中坑外的地表沉降對周邊建筑安全影響較大，需重點觀測。而坑外地表沉降情況重要指標，則可采用坑外地表沉降最大值及其位置與坑邊距離進行衡量。用X軸表示基坑開挖深度，用Y軸表示坑外地表沉降最大值，繪制出坑外地表最大沉降與開挖深度關系如圖2所示。其中圖2中δVm表示坑外最大沉降，H表示開挖深度（下同）。

非狹長型基坑最大的坑外沉降和開挖深度有著0.31%～0.60%范圍內的比值，0.50%的均值;狹長型基坑的坑外最大沉降與開挖深度約有0.32%～0.50%的比值，0.41%的均值。綜上可知，在開挖深度相同時，狹長型基坑有著相對較小的坑外地表沉降最大值。

1.2" "坑外地表最大沉降與嵌固比的關系

對坑外地表沉降最大值與基坑嵌固比之間的關系如圖3所示，其中X軸為嵌固比，Y軸為坑外沉降最大值與開挖深度比。從圖3可以看出，數據離散性較高，隨著不斷增加的嵌固比，無量綱側移也表現出不斷增加的趨勢，在狹長型基坑之中，地表的最大沉降在相近的嵌固比下，仍然有著較大的變化范圍，說明地表的沉降最大值與嵌固比關系較小。

1.3" "坑外地表最大沉降與圍護墻最大側移關系

對深基坑變形以及沉降進行統計分析，以X軸為圍護結構側移最大值與開挖深度的比值，以Y軸為墻后地表沉降的最大值與開挖深度的比值，作出圖4。從圖4可以看出，非狹長型基坑最大的地表沉降約為0.97倍的圍護結構側移最大值，狹長型基坑的地表沉降平均值約等于1.78倍圍護結構側移最大值。

2" "狹長型基坑變形特點

明挖法施工的基坑多為狹長型，其主要特點從以下幾個方面進行闡述。

2.1" "三維空間結構

深基坑為三維空間結構，其變形受到尺寸以及形狀的影響。三維空間效應所體現出的基坑坑角效應較為顯著，而在不同的尺寸之下，不同邊所受坑角效應的影響也存在差異，如圖5所示。坑角處圍護墻的約束作用，導致圍護結構以及外部土體的變形有所減小;坑角所產生的約束作用，隨著與其保持的距離呈反比例關系，在坑角效應之外，可使用平面應變模型對基坑變形和受力進行分析。

2.2" "基坑坑底隆起變形性狀

深基坑的開挖會導致面上土體自重應力得到釋放，使基底表現出回彈現象。一般情況下，狹長型基坑有著較大的深度，且土體回彈受到地連墻的約束，常常出現兩邊變形小而中間變形大的坑底隆起現象。對于尺寸較寬的基坑，隨著挖掘的不斷進行，隆起量將變現為中間小而兩邊大的形式。

2.3" "基坑挖土及設撐方式

狹長型基坑在施工時往往以分層分段的方式進行，并隨挖隨撐，以及時進行預應力支撐的施加，狹長型基坑對撐設置如圖6所示。如此可充分利用時空效應控制基坑變形，而一般的民用基坑存在較長的施工周期，難以確保各工序之間的銜接。狹長型的基坑多數使用首道鋼筋混凝土支撐和多道鋼管支撐的對撐方式，而非狹長型基坑則有更多的支撐形式。

3" "明挖隧道基坑外建筑變形控制標準

一般將建筑的沉降和傾斜理解為建筑變形，剛度較小的建筑一般以差異沉降進行控制，剛度大的建筑一般以傾斜程度進行控制。從相關設計規范可知，一般的民用建筑應將傾斜度控制在3/1000以下。實際在開挖軌道交通深基坑時，建筑的變形允許值應在該基礎之上減去建筑已有的變形量。需說明的是，以上變形允許值是在建筑不發生結構損壞的基礎上提出的，而本文除了考慮建筑的結構損壞之外，還考慮了美觀破壞，有著更加嚴格的要求。

本文的變形控制要求明挖隧道施工時周邊建筑不出現裂縫，并且角變量應控制在1/500以下，該標準相比規范更加嚴格。此外，針對存在地下室的樁基礎建筑，應以傾斜度控制其變形，本文同樣以1/500作為該種大剛度建筑的傾斜控制標準。

建筑受損機理較為復雜，且多種因素會對建筑破壞造成影響，建筑的破壞無法通過單一變形控制指標進行限制。從該工程的已建設項目來看，因基坑開挖而出現的房屋開裂案例中，建筑的沉降和傾斜都在規范容許值內，除去開挖之前建筑已有的較大變形以及測量失誤之外，建筑變形采用沉降和傾斜進行控制是不全面的。故對建筑變形控制時，有必要從多種變形角度對其提出綜合控制標準。

本文從建筑沉降、角變量等對建筑變形和內力提出綜合控制標準。建筑沉降控制標準中給出的沉降允許值均較大，均是在沒有考慮美觀破壞的前提下提出的，因無可直接參考的規范和規定，所以本文從基坑施工時保持房屋穩定沉降的角度提出允許值。

《建筑變形測量規范》中規定，最后10天施工時間內建筑應保持在0.01～0.04mm/d的沉降速率。本項目共有850d的施工時間，若以0.02mm/d以下的沉降速率進行考慮，則應該以17mm作為房屋沉降控制指標。經過綜合考慮，將基坑周邊的房屋沉降與傾斜控制標準定為，允許沉降控制值應控制在18mm以下，角變形應控制在1/500以下。

4" "結語

本文依托某軟土地區的明挖隧道基坑工程，以數據統計分析的方式，對其施工與周邊建筑的關系以及相應的變形控制開展研究。考慮到明挖法施工的基坑多為狹長型基坑，其與一般基坑的變形規律有所不同，因此本文從該工程中選取20個代表性較強的基坑工程進行統計分析。

從統計結果可知，一樣的深度范圍下，狹長型基坑的地表最大值沉降量更小。此外，其坑外最大地表沉降和嵌固比的關系較小，施工時應采用其他方式對其變形進行控制。地表沉降的最大值位置，在開挖深度增加時表現出遠離坑邊的趨勢。經過綜合考慮，本文總結出在考慮美觀破壞條件下，房屋的變形應以18mm以下的允許沉降值控制，以1/500的角變形進行控制。

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