地鐵豎井及橫通道施工對鄰近建筑基礎(chǔ)影響分析

呂文龍，范 昊

(1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，廣州 510000；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510000）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下工程的修建，尤其是在地面建筑密集、地下管線復(fù)雜的城市中心地區(qū)，地鐵施工不可避免地對巖土體產(chǎn)生擾動，引起地層變形，當(dāng)變形達到一定程度時將造成地表建筑物沉降、傾斜甚至開裂，嚴(yán)重時還將影響到相關(guān)人員的生命安全以及建筑物的正常使用，從而產(chǎn)生非常惡劣的社會影響。為盡量減少工程中豎井以及隧道的開挖對地層以及建筑物的不良影響，必須對地表沉降和變形以及豎井隧道的開挖進行深入研究和有效預(yù)計，必要時需采取注漿加固[1]、大管棚和小導(dǎo)管超前支護等措施[2]，從而合理控制地鐵施工過程中引起的地表沉降和變形。近年來，地鐵施工造成的環(huán)境影響已經(jīng)成為地下工程界的熱點問題。國內(nèi)外諸多學(xué)者通過研究大量工程實踐，運用數(shù)值模擬、模型試驗、理論計算等方式，對于地鐵施工所造成的影響進行分析，并且已經(jīng)有許多可觀的研究成果。

楊福麟[3]等以武漢地鐵虎名區(qū)間隧道開挖工程為背景，運用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS 建立隧道斷面開挖的數(shù)值模型，計算隧道開挖引起的地表沉降量，與實測沉降量進行擬合，模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后地表沉降仍在安全范圍內(nèi)。衛(wèi)守峰[4]依托西安地鐵五號線區(qū)間黃土隧道工程的施工，進行了豎井轉(zhuǎn)橫通道施工方案的數(shù)值試驗研究，對比研究“豎井—橫通并行”與“先豎井后橫通”兩種施工方案引起的地表沉降及圍巖塑性區(qū)的變化．?dāng)?shù)值分析表明，“豎井—橫通并行”施工時，馬頭門橫向收斂位移和豎井靠近馬頭門一側(cè)井壁的支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力較“先豎井后橫通”施工方案小約14%以上，因此對穩(wěn)定性較好的黃土地層，“豎井—橫通并行”施工方案更優(yōu)。趙華松[5]等以上海地鐵明珠線某隧道區(qū)間施工工程為基礎(chǔ)，建立了隧道施工的三維有限元數(shù)值模型，在對比分析模擬沉降及實測沉降的基礎(chǔ)上，總結(jié)了隧道周圍地層位移的規(guī)律。白銘海[6]利用有限元分析軟件ABAQUS 對超前小導(dǎo)管、超前管棚等預(yù)加固措施進行論證并對小豎井施工大跨隧道過程進行三維數(shù)值分析。在豎井轉(zhuǎn)入橫通道后采用樁梁體系成功地解決了因上部荷載過大引起的橫通道穩(wěn)定問題，并有效地控制了地表沉降。韓日美[7]等指出在地層條件較差、沉降控制指標(biāo)較高的工程施工中，最好選擇橫通道隨豎井下挖交替進行，既可減弱馬頭門部位的應(yīng)力集中、減少地層沉降、降低施工風(fēng)險并可利用土體作為作業(yè)平臺，施工也較方便。李靜[8]針對城市地鐵豎井橫通道轉(zhuǎn)正洞施工難度大、工序繁雜的特點，通過方案比選，提出了豎井橫通道轉(zhuǎn)正洞采用大包施工工法。

本文基于廣州地鐵十三號線某豎井及橫通道施工項目，采用數(shù)值模擬的方法，研究了地鐵施工中豎井以及橫通道的開挖對于周圍建筑群基礎(chǔ)造成的影響。

1 工程概況

該項目豎井埋深約32 m，豎井采用倒掛井壁工法施工，擬采用錨桿或注漿錨管+格柵鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護，橫通道采用上下臺階法施工，擬采用錨桿+格柵鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護，拱頂設(shè)置大管棚和小導(dǎo)管超前支護。

周邊建筑群分別位于豎井的西側(cè)、西南側(cè)、東側(cè)與東南側(cè)，除西南側(cè)有一棟9 層采用10 m 樁長的錘擊樁基礎(chǔ)形式的高層建筑外，其余均為1～3層的淺基礎(chǔ)平房建筑。豎井與西側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最小水平凈距為8.4 m，與西南側(cè)高層建筑樁基礎(chǔ)的最小水平凈距為23 m，與西南側(cè)平房淺基礎(chǔ)的最小水平凈距為12.2 m，與東側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最小水平凈距為12.1 m，與東南側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最小水平凈距為18.2 m。圖1 為豎井、橫通道與周邊建筑群位置關(guān)系圖；圖2 為豎井、橫通道平面圖；圖3為豎井、橫通道剖面圖及施工工序。

圖1 豎井、橫通道與周邊建筑群位置關(guān)系圖Fig.1 Location diagram of shaft，horizontal passage and surrounding buildings

圖2 豎井、橫通道平面圖Fig.2 Plan of the shaft and horizontal passage

圖3 豎井、橫通道剖面圖及施工工序Fig.3 Section drawing of shaft and cross passage and construction process

2 計算模型的建立

根據(jù)周邊建筑群和豎井及橫通道工程的空間立體關(guān)系以及工程施工特點，用MIDAS GTS 建立三維有限元計算模型，并充分考慮本工程的地層分布特點并合理選取計算參數(shù)、劃分網(wǎng)格。

2.1 結(jié)構(gòu)三維模型

三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y 方向約束，模型左右面X 方向約束。三維有限元整體模型示意如圖4所示，建筑群分區(qū)示意圖如圖5所示。

2.2 材料參數(shù)的確定

施工場地周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對該豎井及橫通道施工過程中周邊建筑群的受力和變形起著關(guān)鍵作用，為此，進行三維模擬分析計算時須充分結(jié)合本工程的地層分布特點合理選取計算參數(shù)。

句中“大勢可以拒操者”值得注意，不能按順序翻譯，“可以拒操”作“大勢”的后置定語，現(xiàn)代漢語的表達習(xí)慣是定語在前，中心語在后，中間加“的”字。于是，這個句子翻譯成“可以用來抵抗曹操的有利的地勢”。

三維有限元計算模型中的地層主要根據(jù)該豎井及橫通道附近的工程地質(zhì)資料進行適當(dāng)簡化，主要有素填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等地層，各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)相關(guān)工程地質(zhì)勘察資料和工程經(jīng)驗綜合分析確定；1#豎井及橫通道和周邊建筑群基礎(chǔ)的力學(xué)計算參數(shù)依據(jù)相關(guān)設(shè)計施工圖紙資料，經(jīng)綜合考慮相關(guān)因素后確定，部分模型具體材料參數(shù)取值見表1，模擬單元參數(shù)見表2。

圖4 三維有限元整體模型Fig.4 Three dimensional finite element model

圖5 建筑群分區(qū)示意圖與基礎(chǔ)編號Fig.5 Schematic diagram and base number of the building complex zoning

2.3 施工工況的模擬

豎井及橫通道對周邊建筑群基礎(chǔ)影響的三維動態(tài)施工模擬的主要流程為：初始應(yīng)力場分析、豎井開挖；橫通道開挖。本次三維數(shù)值模擬工況見表3。

表1 三維數(shù)值模擬材料參數(shù)取值表Table 1 Material parameters for 3D numerical simulation

表2 三維數(shù)值模擬單元參數(shù)表Table 2 Element parameters of 3D numerical simulation

表3 施工工況表Table 3 Construction working sheet

施工工況工況13工況14工況15工況16工況17工況18工況19工況20工況21工況22工況23工況24工況25工況26主要施工內(nèi)容橫通道第二層開挖2橫通道第二層開挖3豎井開挖5橫通道第三層開挖1橫通道第三層開挖2橫通道第三層開挖3豎井開挖6橫通道第四層開挖1橫通道第四層開挖2橫通道第四層開挖3豎井開挖7橫通道第五層開挖1橫通道第五層開挖2橫通道第五層開挖3

3 計算結(jié)果分析

3.1 對西側(cè)建筑群的位移影響

圖6為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西側(cè)建筑群基礎(chǔ)總位移云圖；圖7為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西側(cè)建筑群基礎(chǔ)位移折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為位移大小。

豎井及橫通道施工過程對西側(cè)建筑群結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：該豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大水平X位移為1.3 mm，水平Y(jié)位移為0.8 mm，最大豎向位移為3.4 mm，最大總位移為3.7 mm。相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降發(fā)生在1 號樁與5 號樁之間，為0.91 mm。

3.2 對西南側(cè)建筑群（高層）的位移影響

圖8為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西南側(cè)建筑群（高層）基礎(chǔ)總位移云圖；圖9為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西南側(cè)建筑群（高層）基礎(chǔ)位移折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為位移大小。

圖6 西側(cè)建筑群基礎(chǔ)總位移Fig.6 Total displacement of west buildings

圖7 各工況下西側(cè)建筑群基礎(chǔ)各位移圖Fig.7 Diagram of foundation structure displacement of west buildings

圖8 西南側(cè)建筑群（高層）基礎(chǔ)總位移Fig.8 Total displacement of foundation of southwest buildings(high-rise)

圖9 各工況下西南側(cè)建筑群（高層）基礎(chǔ)位移圖Fig.9 Diagram of foundation displacement of southwest buildings(high-rise)

該豎井及橫通道施工過程對西南側(cè)建筑群（高層）結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：該豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西南側(cè)建筑群（高層）樁基礎(chǔ)的最大水平X 位移為0.3 mm，水平Y(jié) 位移為0.5 mm，最大豎向位移為0.3 mm，最大總位移為0.6 mm。相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降發(fā)生在4號樁與7號樁之間，為0.06 mm。

3.3 對西南側(cè)建筑群（平房）的位移影響

圖10 為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西南側(cè)建筑群（平房）基礎(chǔ)總位移云圖；圖11 為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下西南側(cè)建筑群（平房）基礎(chǔ)位移折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為位移大小。

該豎井及橫通道施工過程對西南側(cè)建筑群（平房）結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西南側(cè)建筑群（平房）淺基礎(chǔ)的最大水平X 位移為0.4 mm，水平Y(jié) 位移為1.0 mm，最大豎向位移為2.2 mm，最大總位移為2.5 mm。相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降發(fā)生在2號樁與3號樁之間，為0.32 mm。

3.4 對東側(cè)建筑群的位移影響

該豎井及橫通道施工過程對東側(cè)建筑群結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：豎井及橫通道施工過程誘發(fā)東側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大水平X位移為1.3 mm，水平Y(jié) 位移為0.7 mm，最大豎向位移為2.2 mm，最大總位移為2.4 mm。相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降發(fā)生在4 號樁與10 號樁之間，為0.60 mm。

圖10 西南側(cè)建筑群（平房）基礎(chǔ)總位移Fig.10 Total displacement of southwest buildings(bungalow)

圖11 各工況下西南側(cè)建筑群（平房）基礎(chǔ)位移圖Fig.11 Diagram of foundation displacement of southwest buildings(bungalow)

圖12 東側(cè)建筑群基礎(chǔ)總位移Fig.12 Total displacement of the east buildings

圖13 各工況下東側(cè)建筑群基礎(chǔ)位移圖Fig.13 Diagram of foundation displacement of east buildings

3.5 對東南側(cè)建筑群的位移影響

圖14 為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下東南側(cè)建筑群基礎(chǔ)總位移云圖；圖15 為豎井及橫通道施工過程中關(guān)鍵工況下東南側(cè)建筑群基礎(chǔ)位移折線圖，其中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為位移大小。

豎井及橫通道施工過程對東南側(cè)建筑群結(jié)構(gòu)影響的三維模擬分析位移結(jié)果表明：該豎井及橫通道施工過程誘發(fā)東南側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大水平X 位移為0.6 mm，水平Y(jié) 位移為0.6 mm，最大豎向位移為1.1 mm，最大總位移為1.2 mm。相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降差發(fā)生在4 號樁與5 號樁之間，為0.22 mm。

綜上所述，豎井及橫通道施工誘發(fā)周圍建筑群淺基礎(chǔ)發(fā)生了一定量的位移。引起的樁基豎向位移較大，基礎(chǔ)之間產(chǎn)生一定量的沉降，隨著豎井以及橫通道開挖施工的進行，結(jié)構(gòu)位移變化呈現(xiàn)先逐步上漲，后逐步減小，最終趨于穩(wěn)定。根據(jù)《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DBJ 15-31-2016）[9]對建筑物地基變形的允許值，豎井及橫通道施工誘發(fā)既有周圍建筑群結(jié)構(gòu)的位移量可控。因此認(rèn)為本項目的豎井及橫通道施工不危及周圍建筑群的安全。

4 設(shè)計與施工建議

結(jié)合該豎井及橫通道工程的巖土工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及施工特點、周邊建筑群結(jié)構(gòu)特點分析，為確保豎井及橫通道施工過程中不危及周邊建筑群結(jié)構(gòu)安全，不影響周邊建筑群的結(jié)構(gòu)安全，建議：

（1）項目建設(shè)過程應(yīng)加強緊鄰受影響范圍內(nèi)的建筑群結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測工作，尤其重點關(guān)注靠近豎井的建筑物的位移監(jiān)測工作，及時監(jiān)控建筑群結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

（2）在豎井及橫通道施工前，對受影響范圍的周邊建筑群的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)狀況開展調(diào)查分析。

（3）嚴(yán)格控制豎井及橫通道的圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，嚴(yán)格監(jiān)控圍護結(jié)構(gòu)的定位、垂直度等，避免由于圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜、偏曲等現(xiàn)象對周邊建筑群結(jié)構(gòu)造成直接沖擊破壞。

圖14 東南側(cè)建筑群基礎(chǔ)總位移Fig.14 Total displacement of foundation of southeast buildings

圖15各工況下東南側(cè)建筑群基礎(chǔ)位移圖Fig.15 Diagram of foundation displacement of southeast buildings

5 結(jié)論

綜合豎井及橫通道施工場地的工程地質(zhì)、支護結(jié)構(gòu)及周邊建筑群的基礎(chǔ)資料，依據(jù)所開展的系列三維數(shù)值模擬計算結(jié)果，得到的結(jié)論如下：

（1）本項目豎井及橫通道施工對周邊建筑群結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，主要體現(xiàn)在豎井及橫通道開挖施工過程中對緊鄰周邊建筑群基礎(chǔ)位移造成的不利影響。

（2）本項目豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大豎向位移為3.4 mm，相鄰基礎(chǔ)之間的沉降差最大為0.91 mm，均符合規(guī)范要求。

（3）本項目豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西南側(cè)建筑群（高層）樁基礎(chǔ)最大豎向位移為0.3 mm，相鄰基礎(chǔ)之間的沉降差最大為0.06 mm，均符合規(guī)范要求。

（4）本項目豎井及橫通道施工過程誘發(fā)西南側(cè)建筑群（平房）淺基礎(chǔ)的最大豎向位移為2.2 mm，相鄰基礎(chǔ)之間的沉降差最大為0.32 mm，均符合規(guī)范要求。

（5）本項目豎井及橫通道施工過程誘發(fā)東側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大豎向位移為2.2 mm，相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降差最大為0.60 mm，均符合規(guī)范要求。

（6）本項目豎井及橫通道施工過程誘發(fā)東南側(cè)建筑群淺基礎(chǔ)的最大豎向位移為1.1 mm，相鄰基礎(chǔ)之間的最大沉降差最大為0.22 mm，均符合規(guī)范要求。