地鐵基坑明暗挖銜接施工參數(shù)對(duì)緊鄰建筑沉降影響分析

梁世龍，方世民，刁國君，張姜飛，王世明

（中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300300）

城市地下空間的發(fā)展與建設(shè)，必然伴隨著較大規(guī)模的基坑工程[1]。地鐵車站作為地下空間的一種形式，其基坑開挖過程中所帶來的既有建筑沉降問題不可忽略。當(dāng)車站尺寸受鄰近建筑物限制導(dǎo)致明挖基坑下部需要局部擴(kuò)挖時(shí)，暗挖施工會(huì)對(duì)既有建筑沉降可能產(chǎn)生不利影響。

目前已有學(xué)者對(duì)基坑開挖和隧道暗挖施工展開了大量研究。馮小婷[2]以成都地鐵鳳溪河站工程為背景，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)地表沉降進(jìn)行了預(yù)測。Huang[3]等人將傳統(tǒng)鋼支撐結(jié)構(gòu)與樁-支柱框架支撐結(jié)構(gòu)在抑制擋土結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、維護(hù)基坑穩(wěn)定方面進(jìn)行對(duì)比，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明了樁-支柱框架支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。林可夫[4]等人依托冬奧會(huì)配套交通工程——新建崇禮鐵路正盤臺(tái)隧道，分析了圍巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)、隧道洞徑、地下水位高度和三臺(tái)階法施工參數(shù)對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響。李釗[5]等人以甘肅省某隧道臺(tái)階法施工的上臺(tái)階長度和循環(huán)開挖進(jìn)尺為參數(shù)，采用三維有限元計(jì)算模型，進(jìn)行圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。Fan[6]等人以朝陽隧道采用臺(tái)階法開挖為基礎(chǔ)，采用有限元數(shù)值模擬方法，模擬了軟巖巷道圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性，得到了巷道圍巖各階段的應(yīng)力、應(yīng)變及巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。

目前對(duì)于基坑和隧道開挖的研究主要局限各自領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于基坑開挖后再進(jìn)行局部暗挖施工的研究還鮮有報(bào)道。基坑開挖完成后再進(jìn)行局部暗挖施工，不僅會(huì)對(duì)既有基坑支護(hù)的受力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而且還會(huì)對(duì)既有建筑物沉降產(chǎn)生二次影響。

本文以成都地鐵13 號(hào)線某車站基坑開挖為背景，通過構(gòu)建有限元模型，對(duì)開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬；針對(duì)暗挖施工采用的臺(tái)階法，從臺(tái)階長度、開挖進(jìn)尺和支護(hù)剛度三個(gè)方面分析暗挖施工對(duì)地面既有建筑物沉降的影響，進(jìn)而對(duì)暗挖施工提出合理建議。

1 工程概況

成都地鐵13 號(hào)線某車站總長269m，寬27m，基坑開挖深度42m。基坑示意圖如圖1 所示。

圖1 基坑示意圖

基坑施工場地范圍內(nèi)地層從上到下依次為雜填土、砂卵石和中風(fēng)化泥巖。基坑開挖平面及建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)如圖2 所示，其中紅色線表示既有道路，藍(lán)色線框表示基坑開挖的范圍，黑色線框表示既有建筑物。

2 數(shù)值模型建立

2.1 材料參數(shù)設(shè)定

雜填土、砂卵石及中風(fēng)化泥巖的參數(shù)如表1 所示；支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2 所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 模型尺寸設(shè)定

為減小模型邊界效應(yīng)對(duì)后續(xù)模擬分析結(jié)果的影響，在土層計(jì)算時(shí)，各土層邊界寬度和深度在空間垂直距離上均超過基坑最外緣邊界3 倍以上。據(jù)此，有限元模型長度取600m，寬度取200m，深度取150m。

3 關(guān)鍵施工參數(shù)對(duì)緊鄰建筑沉降的影響

3.1 臺(tái)階長度的影響

在分析臺(tái)階長度對(duì)緊鄰建筑物沉降的影響時(shí)，保持開挖進(jìn)尺3m 不變，改變上、下層臺(tái)階的長度，對(duì)計(jì)算得到隧道開挖上方建筑物沉降數(shù)值進(jìn)行分析。當(dāng)上臺(tái)階長度不變，下臺(tái)階長度由3m 增加到6m 時(shí)，緊鄰建筑物最大沉降量由11.53mm 增大到11.77mm，增大了0.24mm，增幅為2.08%；下臺(tái)階長度由6m 增加到9m 時(shí)，緊鄰建筑物最大沉降量由11.77mm 增大到12mm，增大了0.23mm，增幅為1.95%。

3.2 開挖進(jìn)尺的影響

在分析開挖進(jìn)尺對(duì)緊鄰建筑物沉降的影響時(shí)，保持上、下臺(tái)階長度均為3m 不變，改變每一次開挖進(jìn)尺的長度，對(duì)計(jì)算得到隧道開挖上方建筑物沉降數(shù)值進(jìn)行分析（如圖3 所示）。由圖3 可知，以開挖進(jìn)尺0.5m 為基準(zhǔn)，開挖進(jìn)尺為3m、6m 和9m 時(shí)，建筑物沉降量最大值分別增加1.13mm、2.08mm 和2.83mm，增加比例分別為10.87%、20%和27.21%。

圖3 開挖進(jìn)尺對(duì)緊鄰建筑物沉降影響

3.3 支護(hù)剛度對(duì)緊鄰建筑物沉降的影響

在分析支護(hù)剛度對(duì)緊鄰建筑物沉降的影響時(shí)，上、下臺(tái)階長度均設(shè)置為3m，開挖進(jìn)尺設(shè)置為6m。對(duì)計(jì)算得到隧道開挖上方建筑物沉降數(shù)值進(jìn)行分析（如圖4 所示）。

圖4 支護(hù)剛度對(duì)緊鄰建筑物最大沉降量影響

從圖4 可以看出，以支護(hù)剛度7×107KN/m 為基準(zhǔn)，支護(hù)剛度分別為6×107KN/m、5×107KN/m、4×107KN/m 時(shí)，緊鄰建筑物最大沉降量分別增加了0.13mm、0.27mm、0.42mm，增長幅度分別為1.19%、2.47%、3.84%。

4 結(jié)論

本文通過建立砂卵石土體—深基坑—支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對(duì)地鐵基坑明挖轉(zhuǎn)暗挖施工過程進(jìn)行模擬，并從臺(tái)階長度、開挖進(jìn)尺和有無支護(hù)三個(gè)方面分析暗挖施工對(duì)地表既有建筑物沉降的影響。結(jié)果表明：

（1）運(yùn)用臺(tái)階法進(jìn)行暗挖施工時(shí)，上、下臺(tái)階長度越長，緊鄰建筑物沉降越大。與上、下臺(tái)階長度之和為6m 相比，臺(tái)階長度之和分別為9m 和12m 時(shí)，緊鄰建筑物最大沉降量分別增加了0.255mm 和0.515mm，增幅分別為2.21%和4.47%，說明施工時(shí)應(yīng)控制好上、下臺(tái)階長度。

（2）暗挖施工時(shí)，緊鄰建筑物沉降量隨著開挖進(jìn)尺增大而增大。與開挖進(jìn)尺0.5m 相比，開挖進(jìn)尺分別為3m、6m 和9m 時(shí)，建筑物沉降量最大值分別增加了10.87%、20%和27.21%，說明開挖進(jìn)尺對(duì)建筑物沉降影響較大，施工時(shí)需采用較小的開挖進(jìn)尺。

（3）隨著支護(hù)剛度的下降，緊鄰建筑物最大沉降量也隨之增大。與支護(hù)剛度7×107KN/m 相比，支護(hù)剛度分別為6×107KN/m、5×107KN/m、4×107KN/m 時(shí)，緊鄰建筑物最大沉降量分別增加了0.13mm、0.27mm、0.42mm，增長幅度分別為1.19%、2.47%、3.84%。據(jù)此，施工時(shí)可適當(dāng)減小格柵鋼架的剛度以減小施工成本。