軌道交通地鐵車站基坑開挖對臨近建筑物的影響分析

歐士嘉

摘要：地鐵深基坑開挖卸荷導致兩側建筑物產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，會影響建筑物的結構安全及使用壽命。文章基于某地鐵車站實例，采用MidasGTSNS有限元軟件對深基坑開挖過程進行了數(shù)值模擬，分析深基坑開挖卸載對臨近建筑物的影響，為地鐵基坑工程的設計和施工提供參考。

關鍵詞：地鐵;深基坑;數(shù)值模擬;臨近建筑物;影響;加固

0 引言

隨著我國城市人口密度的不斷增加和城市建設的發(fā)展，地鐵作為城市重要的公共交通工具，對緩解城市化帶來的交通擁堵問題具有極其重要的作用，這也涌現(xiàn)出了越來越多的深基坑工程。這類工程在設計與施工中，除須保證自身技術的合理與安全外，還需要考慮深基坑開挖卸荷對環(huán)境的影響。本文基于某一地鐵車站實例，采用MidasGTSNS有限元軟件對深基坑開挖過程進行了數(shù)值模擬，重點分析深基坑開挖對臨近建筑物的影響，對地鐵基坑工程的設計和施工提出合理的控制要求。

1 工程概況

1.1 工程概況

某地鐵站站型為地下一層側式站臺車站，為地下一層框架結構，車站長224.7m，寬40.30m，建筑面積為11260m2。海洋館建筑（1層，柱下獨立基礎，柱距3.6m）距離外邊線3.05m。車站采用明挖法施工，施工過程采用先開挖中心島，后施工四周的方案，即一期施工本工程中心部分結構，一期開挖的基坑采用土釘墻支護體系，二期開挖圍護采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐結合的支護體系。

1.2 水文地質情況

場地位于剝蝕丘陵區(qū)，地形略有起伏，地勢兩側高，中間較低。場地內(nèi)主要地層由沖積洪積河床堆積形成的第四系全新統(tǒng)粉土、砂類土、圓礫和角度不整合的三疊系泥巖、砂巖、礫巖構成。第四系地層厚度差異較大，沉積紊亂，巖性分布縱、橫向變化均較大;三疊系基巖面起伏較大。場地地表普遍分布厚度不均的人工填土?，F(xiàn)場地質勘察結果顯示，在海洋館附近鉆孔的基坑開挖深度及影響范圍內(nèi)，主要地基土的組成自上而下為：雜填土、圓礫層、粉土、圓礫層、強風化砂巖層、中風化砂巖層。

勘探深度內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙潛水、承壓水和碎屑巖類裂隙水：

（1）松散巖類孔隙水

潛水主要埋藏于地表人工（雜）填土和下伏沖、洪積圓礫中，水位為1.3～3.1m。

（2）承壓水

承壓水主要埋藏于潛水含水層之下的圓礫中，隔水頂板為其上黏性土層，隔水底板為下伏黏性土層或泥巖強風化巖層。含水層厚度為1.4～6.5m，滲透系數(shù)為48.4m/d，屬強透水地層。該含水層與其上潛水含水層有一定的水力聯(lián)系。

（3）碎屑巖類裂隙水

基巖裂隙潛水賦存于下伏三疊系砂巖、泥巖中，水位埋深為3.5～7.5m?；鶐r裂隙水的透水性因地層的巖性、風化程度、裂隙發(fā)育程度等因素有較大差異，透水性弱-中。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗資料，砂巖滲透系數(shù)為9.82m/d，屬中等透水地層;泥巖滲透系數(shù)為0.11m/d，屬弱透水地層。

1.3 深基坑支護設計與施工

圍護結構支撐采用鋼支撐，直徑為609mm，壁厚t=12mm，對撐水平間距為4m，豎向間距為5.2m，一端支撐于圍護樁上，另一端支撐于已施工完成的核心區(qū)車站主體結構上?；影踩燃壈匆患壙紤]，重要性系數(shù)為1.10，基坑整體變形控制等級按二級考慮，其中靠近海洋館位置處基坑變形控制保護等級為一級?；A單柱承受荷載為300kN?；釉O置旋噴樁封閉式止水帷幕，基坑內(nèi)降水屬于疏干井降水，不考慮滲流影響，鉆孔灌注樁在施工期間作為基坑支護結構，承擔施工期間全部的側向水土壓力?；又ёo剖面圖如圖1所示。

施工順序：圍護結構施工前應先查明場地范圍內(nèi)的地下管線，地下建（構）筑物情況以及地面障礙物的處理→進行場地地基處理和施工灌注樁及冠梁→基坑降水→放坡開挖核心部分土體→清理基底、施工接地及防水層、鋪設墊層→施工核心部分結構→分層開挖周邊土層及架設鋼支撐（在已完工結構和圍護之間）→開挖剩余部分土方→清理基底、施工接地及防水層、鋪設墊層→剩余部分主體結構施工→分層碾壓回填土方→恢復場地。

2 建筑物變形控制標準

由于地下工程施工使周圍地基的應力得到釋放，或受到附加應力的影響而使地基發(fā)生下沉或隆起。地基發(fā)生下沉或隆起與地面建筑物的間距、相互之間的地基土性質、已有建筑物的結構條件、基礎型式等因素有關，因此可在對建筑物調查的基礎上，通過評估建筑物對地表變形適應能力及根據(jù)有關施工經(jīng)驗，可提出其沉降與傾斜控制標準。但由于施工條件各異，各建筑物個體間存在較大的差異，對于重要建筑物，控制標準應根據(jù)具體情況制定，由建設、設計、監(jiān)理、施工、監(jiān)測等有關部門共同商定，并根據(jù)實際監(jiān)測成果進行調整。由于海洋館距離基坑極近，經(jīng)各方協(xié)商，將變形控制保護等級設為一級，基坑最大水平位移≤0.2%H，且≤30mm，地面最大沉降量≤0.15%H（H為基坑深度），即水平位移≤23.1mm，最大沉降≤17.3mm。

3 有限元數(shù)值計算

本站支撐沿基坑四周環(huán)形設置，支撐長度為7.65～16.25m，環(huán)形基坑長寬比很大，且本次重點分析對象為單體建筑，本次模型截取50m長的基坑以減少程序計算時間。海洋館位置處基坑深度為11.55m，直徑0.8m排樁深度約15.5m。為消除邊界尺寸對計算的影響，模型寬度和高度取3～5倍基坑深度，模型長×寬×高為110×80×40m。鄰近建筑物距基坑邊的距離為3.05m，基坑設置旋噴樁止水帷幕，不考慮坑內(nèi)水疏干對建筑物的影響。為便于建模，將排樁的擋土作用和旋噴樁的止水作用采用地連墻進行模擬，并進行等剛度代換，代換后地連墻厚度為h=0.838D，即0.67m。

整個模擬分兩種情形：（1）開挖基坑不對海洋館基礎進行保護;（2）開挖前對海洋館基礎進行提前注漿加固保護。分別計算分析兩種狀況下的沉降情況。

3.1 Midas/GTSNS建模

本次分析土層采用修正摩爾-庫倫模型本構模型，加固土采用摩爾-庫倫本構模型設置邊界約束，圍護樁、內(nèi)支撐及建筑物基礎采用1D梁單元，土層和加固區(qū)采用3D單元。結合地勘報告及工程經(jīng)驗，本次數(shù)值模擬選用的巖土力學參數(shù)和結構屬性參數(shù)如表1和表2所示。

3.2 不注漿加固的沉降分析

通過Midas有限元分析，未對建筑物基礎進行注漿加固保護工況下的基坑開挖后模型跨中截面切向量豎向沉降云圖見圖3，水平位移云圖見圖4。

根據(jù)模型分析結果，基坑的破裂面與水平線約成45°夾角，該夾角范圍的建筑受基坑開挖影響最大。最大變形發(fā)生在最后一步開挖，開挖至坑底后，最大變形在最靠近基坑的海洋館基礎附近處，該位置最大沉降為24.2mm，超過基坑變形允許標準，水平位移為11.9mm，滿足允許值（見圖5）。綜上所述，不采取加固方案將導致變形超出允許值，影響建筑物的壽命和使用安全，且有可能造成工程索賠，故需對建筑物進行保護，采取加固措施。

3.3 預注漿加固保護的沉降分析

本工程對現(xiàn)有的建筑物保護方案主要分為兩類：

（1）隔離樁法。由于海洋館位置距離基坑僅3m，隔離樁法對建筑物擾動過大，容易造成“保護破壞”。

（2）注漿保護法。該方法施工靈活，且可以控制注漿壓力來降低對建筑物的影響，在現(xiàn)有條件較差時使用該種方法具有較好的效果。

因此，本次保護方案采用注漿保護法。通過在開挖之前進行預注漿，改良原有地層的物理力學參數(shù)。根據(jù)相關工程實踐經(jīng)驗[2-5]，一般情況下，加固后土體的彈模能提高到原來的1.2～1.5倍左右，粘聚力有10倍左右的增幅，內(nèi)摩擦角和重度略微提高但不顯著，而泊松比則有所降低。確定本站砂卵圓礫地層經(jīng)注漿加固后的相關參數(shù)如表4所示。

具體建模辦法是在本文3.2節(jié)不加固模型基礎上，對海洋館基礎底下的3D網(wǎng)格單位進行屬性更改，由圓礫改為加固土屬性，加固區(qū)寬度方向為基礎平面外1m，深度方向分別為基底以下2m和4m。兩種加固情形下在開挖到基坑底后的沉降位移云圖分別見圖6和圖7。

開挖到基坑底后的地表在不加固、加固2m和加固4m三種情形下的沉降曲線見圖8。

根據(jù)沉降曲線，注漿加固在圓礫層中效果表現(xiàn)較好，能有效地抑制地表和建筑的沉降。在加固深度2m時，沉降較未加固降低了48.4%，降低效果顯著，滿足一級基坑變形控制要求，建筑物的安全得到了較大的保障。在加固深度達到4m時，豎向位移僅為5.9mm，較未加固時降低了75.6%。由于基坑開挖會挖除一部分土體，進而使地層缺失而產(chǎn)生應力松弛，從而導致土體存在往臨空面變形的趨勢，支擋結構的剛度、土體的性質、滲流的影響等均會對地表建筑物的變形有關鍵性的影響。通過注漿改變土體性質，使土體重新固結，土體空隙填充注漿體，補充松弛的應力狀態(tài)，有效地控制了地基土的變形，進而保證地表上部結構的安全。

3.4 建筑物保護方案選定

（1）根據(jù)模型計算結果，海洋館對由于基坑施工時引起的地面沉降較為敏感，故在施工前預埋注漿管，提前注漿?？紤]經(jīng)濟效益情況，加固區(qū)域為基底下2m深度范圍，并在施工過程中根據(jù)加固體的情況隨時跟蹤注漿。

（2）注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，袖閥管采用直徑48mm的硬質PVC管，間距為1.5～2m，漿液擴散半徑為0.75～1m，袖閥管傾斜角度≤30°，注漿壓力為0.3～0.8MPa，不宜過大。在基礎邊界線外擴2m范圍內(nèi)進行注漿，同時對基礎進行嚴密監(jiān)測，以防注漿壓力過大造成地面隆起過大，影響安全。

（3）加固時應因地制宜，建筑物保護時由相關資質的鑒定部門對其做安全性評估，給出基礎變形允許值，以便合理選擇注漿加固的范圍和參數(shù)，達到較為理想的安全和經(jīng)濟效果。

（4）從施工監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，位移監(jiān)測值基本在計算值以內(nèi)，偶有超過計算值的，偏移幅度也不超過10%，整個基坑施工期間未因位移和變形發(fā)生報警，基坑和坑外建筑均處在相對穩(wěn)定和安全的狀態(tài)下。

4 結語

（1）Midas數(shù)值分析能直觀地反映出基坑支護各施工工況的位置變形規(guī)律，為基坑支護施工提供更多的理論依據(jù)，對基坑周邊環(huán)境的安全保護有重要指導作用。

（2）坑外地表在基坑開挖施工中呈現(xiàn)勺子形沉降曲線，建筑物本身承受荷載，對基坑開挖較為敏感，在該位置沉降最大，隨后沿遠離坑壁方向逐漸減小，距離坑壁越遠變化幅度越小，最終逐漸穩(wěn)定。一般在距離1.5～2倍基坑深度范圍外的沉降已經(jīng)可以忽略不計。

（3）注漿加固較未經(jīng)處理前能夠很好地減少地基變形沉降，能對抑制周邊建筑物的變形起到一定的作用。

參考文獻：

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