地鐵明挖基坑與建筑相鄰位置關系的判別

曹 平 唐 凱 李冀偉

(成都市建筑設計研究院，610015，成都∥第一作者，高級工程師)

地鐵工程一般位于城市密集區，其工程復雜，施工難度大，潛在的風險種類多，風險損失大[1]。為規范城市軌道交通地下工程建設風險管理，統一風險管理的實施技術和執行標準，減少城市軌道交通地下工程建設風險的發生，國家和地方出臺了一系列的安全質量管理辦法和風險管理規范等[2-3]。

在地鐵建設中，由施工引起的環境安全風險尤為突出[4]。在城市軌道交通工程建設的環境風險管理中,尤其要認真做好環境的識別和風險預控工作,以降低環境的技術風險[5]。文獻[6]分析了我國地下工程安全風險管理的必要性和緊迫性，并針對風險管理實踐中存在的問題提出了合理的建議。文獻[6-9]等研究大多集中于地鐵基坑的變形規律，而對于周邊環境的風險等級評估研究甚少。GB 50625—2011《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》(以下簡稱“《規范》”)對于建筑風險等級評估中的相鄰位置關系定義存在一定模糊性，導致明挖法施工地鐵基坑與周邊建筑相鄰位置關系的判別存在問題，亟待完善。

1 建筑風險的辨識與分級

1.1 地鐵明挖基坑工程與建筑鄰近位置關系分類

《規范》根據建筑上部結構與地鐵基坑的最小距離L，對地鐵明挖基坑工程與周邊建筑的相鄰位置關系(以下簡為“相鄰關系”)進行分類，見表1。

表1 相鄰關系分類[1]

對于相鄰關系的判別，本文引入相鄰關系影響因子a，有

a=L/H

(1)

根據式(1)，表1相鄰關系分類可相應調整為由a判別，見表2。

表2 相鄰關系影響因子與相鄰關系類別對應表

由表2可知，a越小，地鐵基坑與周邊建筑越近，地鐵基坑施工對周邊建筑的影響風險越大。

1.2 建筑風險分級

綜合建筑重要性分類及相鄰關系，《規范》建立了城市軌道交通地下工程施工環境影響的風險等級評估，見表3。

表3 城市軌道交通地下工程施工環境影響的風險分級[1]

由表3可知，周邊建筑的風險等級由其重要性類別及相鄰關系綜合確定?？梢姡噜応P系的準確判別對于風險等級的劃分尤為重要。

2 相鄰關系判別方法的改進

2.1 相鄰關系判別的影響因素

根據上文可知，《規范》對鄰近關系的判別主要考慮H及L兩因素。但實際情況更為復雜。工程實踐和相關理論研究表明，地鐵基坑施工對周邊建筑最直接最敏感的影響是引起地基的變形，導致建筑基礎的沉降和差異沉降，進而引起建筑上部結構的變形[10]。

如圖1所示：帶地下室的建筑A、建筑B及建筑C，其上部結構均為9層框架結構，且其上部結構與地鐵基坑工程的水平距離均相等；僅因地下室層數不同而導致各建筑的基礎埋深不同，即地鐵基坑與建筑基礎的高差不同。如按《規范》判別，則地鐵基坑工程同建筑A、建筑B及建筑C的鄰近關系均相同，故風險評估等級也相同。然而工程實踐表明，由于建筑基礎埋深差異較大，建筑A、建筑B及建筑C的工程風險存在明顯的差異。

圖1 地鐵基坑與建筑平面關系圖

以北京地區某地鐵基坑為例，其基坑深度范圍內的各地層物理力學參數見表4。

表4 地層物理力學參數

按圖1和圖2所示的鄰近關系，建筑上部結構為框架結構體系，地鐵基坑工程深約為16.6 m，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁(樁徑為0.8 m，樁間距為1.2 m)，豎向設置3道鋼支撐。

圖2 地鐵基坑與建筑剖面圖

利用MIDAS GTS軟件進行數值分析，探討地鐵基坑與建筑鄰近關系對建筑風險等級評估的影響。圖3～圖5為地鐵基坑開挖至底部后，建筑A、建筑B及建筑C的沉降云圖。

圖3 地鐵基坑對建筑A影響的沉降云圖

圖4 地鐵基坑對建筑B影響的沉降云圖

圖5 地鐵基坑對建筑C影響的沉降云圖

由數值分析結果可知：建筑A、建筑B及建筑C的最大沉降量分別是29.60 mm、18.64 mm及16.90 mm；建筑A最大沉降量比建筑C最大沉降量約大75.1%；建筑A、建筑B及建筑C的差異沉降分別是0.000 79、0.000 66、 0.000 54；建筑A差異沉降值比建筑C差異沉降值約大46.4%；建筑地基的主要變形路徑指向開挖后的基坑內側。進一步分析可知：隨著鄰近建筑基礎埋深的增大，鄰近建筑基礎與基坑坑底的豎向間距減小，地鐵基坑的坑底隆起和建筑鄰近基坑一側的沉降也隨之加劇，且建筑沉降和差異沉降均顯著增大?？梢姡ㄖA與地鐵基坑的相對位置關系對于其風險評估的影響不容忽視。

建筑的上部結構以墻、柱與基礎相連，基礎底面又直接與地基相接觸。一方面，由上部結構產生的附加應力通過建筑基礎傳遞給地基，進而對鄰近的地鐵基坑工程產生側壓力引起基坑變形；另一方面，在建筑地基范圍內的地鐵基坑變形，將引起建筑基礎產生沉降和差異沉降，進而引起建筑上部結構的變形。因此，地鐵基坑變形和建筑變形是通過地基基礎沉降而相互作用的結果。

根據以上分析，結合《規范》的相關條款可知，地鐵基坑自身特征、地鐵基坑與建筑上部結構的位置關系、地鐵基坑與建筑基礎的位置關系是判別地鐵基坑與建筑鄰近位置關系的主要因素。如圖6所示具體參數為：①地鐵基坑深度H；②地鐵基坑與建筑地上結構的水平距離L；③地鐵基坑與建筑地下結構的水平距離l；④H與建筑基礎埋深h的高差Δh(Δh=H-h)。

圖6 相鄰關系判別的影響因素

2.2 地鐵基坑與建筑基礎的位置關系的影響

由工程實踐經驗和數值分析結果可知：建筑的風險隨著l的增大而減小，隨著Δh的增大而減?。唤ㄖ某两导安町惓两稻S著Δh的增大而減小。

2.3 相鄰關系影響因子的改進

根據建筑風險與其影響因素的定性變化趨勢，結合建筑風險與相鄰關系影響進行分析發現：a隨H的增大而減小、隨L的增大而增大、隨l的增大而增大、隨Δh的增大而增大。此外，考慮到與《規范》既有規定的銜接，本文提出改進后的相鄰關系影響因子b:

b=(L+l+H-Δh)/(3H)

(2)

根據b判別地鐵基坑與周邊建筑的鄰近位置關系見表5。

表5 地鐵明挖基坑工程與周邊建筑的鄰近位置關系分類改進

2.4 按a與b進行鄰近位置關系判別的對比

對于h≈1.5 m的淺基礎建筑，若H≈16.6 m，L=l，則a與b隨l的變化見圖7。由圖7可知：在相鄰關系影響因子介于0.7～1.0的區段，即“非常接近”與“接近”、“接近”與“較接近”的類別敏感區段，a與b差別不大，說明本文的改進方法與規范的評價方法相差較??；在“非常接近”和“不接近”范圍，a與b雖相差較大，但基本不影響相鄰位置關系的判別?？梢姡谂袆e地鐵明挖基坑與淺基礎建筑相鄰位置關系時，采用本文改進方法與《規范》評價方法的結論基本一致。

圖7 淺基礎建筑相鄰關系影響因子的對比

當H≈16.6 m，且L=12 m時，在l不同的條件下，相鄰關系影響因子隨Δh的變化見圖8。由圖8可知：如h1越小(即Δh越大)，或l越大，則a與b越接近，相鄰位置關系的判別趨于一致；反之，如l越小或h1越大(即Δh越小)，則本文改進的相鄰關系影響因子同規范的計算方法偏離越大，相鄰關系分類的判別可能不一致。

圖8 l不同條件下相鄰關系影響因子的對比

3 結語

針對《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》(GB 50625—2011),根據地下工程周邊環境設施重要性和鄰近影響距離關系評估周邊建筑風險的等級中相鄰關系的判別，通過引入相鄰關系影響因子的概念，結合考慮建筑基礎與地鐵基坑工程相對位置關系的影響，通過理論分析和數值模擬，得出以下研究成果：

1) 影響建筑鄰近關系的主要因素為：地鐵基坑深度、地鐵基坑與建筑上部結構的距離、地鐵基坑與建筑地下結構距離、地鐵基坑與建筑基礎的高差。

2) 基于規范的基本思路，分析建筑鄰近關系的影響因素，并在規范的基礎上建立了相鄰關系影響因子與鄰近關系種類的對應關系。

3) 通過分析地鐵基坑與建筑地下結構的距離、地鐵基坑與建筑基礎的高差對建筑風險的影響，結合考慮相鄰關系影響因子與建筑風險的關系，提出了考慮建筑基礎與地鐵基坑工程相對位置關系改進的相鄰關系影響因子計算公式，并據此判別地鐵基坑與建筑的鄰近關系，改進后的方法簡單明了，可操作性強。

4) 對于基礎埋深小的建筑，改進后的相鄰關系影響因子計算結果與現規范的計算方法有一定的差別，但相鄰關系的類別判別基本一致。

5) 對于基礎埋深大的建筑，改進后的相鄰關系影響因子計算方法與現規范計算方法的差別較大。由于本文改進的計算方法考慮建筑基礎的影響，當建筑基礎與地鐵基坑相距越小或建筑基礎埋深越大時，本文改進的相鄰關系影響因子同規范的計算方法偏離越大，因此，相鄰關系的分類可能不一致。