成都地鐵車站深基坑施工對(duì)緊鄰建筑群變形的影響

楊偉，曾勇，宋建虎，朱光亞

(1．中鐵二局二公司，四川成都610091;2．西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉山614202; 3．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

成都地鐵車站深基坑施工對(duì)緊鄰建筑群變形的影響

楊偉1，曾勇2，宋建虎1，朱光亞3

(1．中鐵二局二公司，四川成都610091;2．西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉山614202; 3．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

針對(duì)成都地鐵3號(hào)線馬鞍北路站的深基坑工程，采用有限元方法建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了理論分析模型的正確性，進(jìn)而計(jì)算分析了深基坑施工不同階段緊鄰建筑群的變形規(guī)律。研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益參考。

地鐵車站 深基坑 建筑群 變形

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，地鐵作為有效利用地下空間，緩解地面交通壓力的手段，在城市中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，城市中建筑物密度大，施工環(huán)境復(fù)雜，地鐵施工尤其是明挖施工過(guò)程中，由于改變了土體力學(xué)平衡狀態(tài)，容易引起區(qū)域土體及周邊建筑物的變形，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題［1-3］。因此，有必要對(duì)城市地鐵明挖施工時(shí)周圍建筑物的變形規(guī)律進(jìn)行研究。本文以成都地鐵3號(hào)線馬鞍北路車站深基坑工程為例，采用有限元方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段研究深基坑施工過(guò)程中緊鄰建筑群的變形問(wèn)題。

1 工程概況

成都地鐵3號(hào)線馬鞍北路車站深基坑周邊，建筑物分布密集且距離基坑較近。其中，基坑周邊前鋒小區(qū)有5幢建筑物(如圖1所示)，距深基坑邊緣最小距離僅為3.5 m。圖1中建筑物長(zhǎng)57.75 m，寬9.3 m，高21 m。建筑主體結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.95 m，主要由四部分構(gòu)成，自下而上依次為混凝土墊層、混凝土底板、磚基礎(chǔ)、鋼筋混凝土地圈梁。

車站主體及站臺(tái)區(qū)間結(jié)構(gòu)采用明挖順做法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁結(jié)合鋼支撐的形式。研究區(qū)段基坑開(kāi)挖深度16.88 m，樁長(zhǎng)20.33 m，采用φ1200 @2200 mm鉆孔灌注樁。共設(shè)置3道橫支撐。其中，第1道支撐為600 mm×800 mm混凝土支撐，第2、第3道支撐為鋼支撐，采用φ609 mm的鋼管支撐。各支撐安裝位置為:第1道支撐在－1.1 m處，支撐間距7 m，第2道支撐在－7.2 m處，支撐間距3.5 m，第3道支撐在－12.7 m處，支撐間距3.5 m，除了第1道支撐安裝在冠梁上外，第2，第3道支撐均安裝在鋼圍檁上。

整個(gè)基坑施工過(guò)程按照開(kāi)挖及支護(hù)的時(shí)間順序分為7個(gè)階段，如表1所示。

圖1 基坑與相鄰建筑概況

表1 基坑開(kāi)挖工況

2 計(jì)算模型

由于地鐵深基坑施工過(guò)程較為復(fù)雜，在使用有限元方法分析時(shí)常將土體視為彈性或彈塑性材料，并作出如下假設(shè):①將巖土體視為連續(xù)均勻、各向同性介質(zhì)，采用D－P屈服準(zhǔn)則;②僅考慮土體自重應(yīng)力的影響［4］。

利用大型通用有限元軟件Ansys建立三維實(shí)體模型模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程及建筑群的變形，如圖2所示，并利用生死單元實(shí)現(xiàn)基坑開(kāi)挖過(guò)程以及支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的動(dòng)態(tài)模擬［5］。

車站深基坑及鄰近建筑群區(qū)域的土層分布及物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 有限元模型

表2 土層分布

3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證深基坑施工與建筑物變形的計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果的正確性，將33幢建筑物2個(gè)角點(diǎn)(如圖1所示)沉降變形計(jì)算值與相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 33幢建筑物角點(diǎn)沉降變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖3可知，33幢建筑物各角點(diǎn)的計(jì)算變形曲線與實(shí)測(cè)曲線基本一致，誤差值均不超過(guò)1 mm，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合度較高。由此判定，建立的計(jì)算模型符合要求。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 水平位移

通過(guò)計(jì)算得到建筑群水平位移與深基坑開(kāi)挖深度的關(guān)系。開(kāi)挖至工況7時(shí)建筑群水平位移如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著開(kāi)挖深度的不同，建筑群水平位移呈現(xiàn)出較為明顯的變化。隨著開(kāi)挖深度的增加，鄰近建筑群水平位移逐步增長(zhǎng)。

為進(jìn)一步探明基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰建筑群水平位移的影響，以小區(qū)33幢建筑(居中建筑物)為對(duì)象進(jìn)行深入分析。深基坑開(kāi)挖至不同深度時(shí)，建筑物4個(gè)角點(diǎn)產(chǎn)生的水平位移值如表3所示。

圖4 工況7(開(kāi)挖深度16.88 m)建筑群水平位移(單位:m)

表3 33幢建筑物各角點(diǎn)水平位移mm

由表3分析可知，在同一工況下，車站基坑開(kāi)挖引起建筑物各個(gè)角點(diǎn)的水平位移相差不大，靠近基坑角點(diǎn)的水平位移略大于遠(yuǎn)離基坑角點(diǎn)的水平位移;隨著基坑開(kāi)挖深度的加大，建筑物水平位移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

4.2 沉降變形

通過(guò)計(jì)算得到土體及建筑物的沉降與車站深基坑開(kāi)挖深度的關(guān)系。開(kāi)挖至工況7時(shí)建筑群沉降變形如圖5所示。

圖5 工況7(開(kāi)挖深度16.88 m)建筑群沉降變形(單位:m)

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著開(kāi)挖深度的增加建筑物的沉降逐漸增加，且五幢建筑的沉降基本一致。選取前鋒小區(qū)33幢的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析建筑物沉降變形規(guī)律，如表4所示。

由表4可知，建筑物沉降變形與開(kāi)挖深度有密切關(guān)系。隨著開(kāi)挖深度增加，建筑物沉降變形表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。開(kāi)挖過(guò)程中，建筑物靠近基坑端的沉降始終大于遠(yuǎn)離基坑端的沉降，但建筑物各角點(diǎn)沉降量不大，建筑物靠近基坑端的沉降最大值僅為9.87 mm。

當(dāng)基坑開(kāi)挖至16.88 m時(shí)，建筑物不均勻沉降達(dá)到最大值4.46 mm，由于建筑物長(zhǎng)度為57.75 m，故建筑物傾斜率為0.08‰，遠(yuǎn)小于4‰的規(guī)范要求。由此可知，基坑鄰近建筑群的最大沉降和不均勻沉降均滿足規(guī)范要求，表明該處深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

表4 33幢建筑物各角點(diǎn)沉降變形mm

5 結(jié)論

1)地鐵車站深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，鄰近建筑物靠近基坑側(cè)和遠(yuǎn)離基坑側(cè)的水平位移基本保持一致;建筑物水平位移隨著開(kāi)挖深度的增加而增大，水平位移增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著開(kāi)挖深度增加而變緩。

2)地鐵車站深基坑施工時(shí)，鄰近建筑物沉降變形隨著開(kāi)挖深度的增加而增大，建筑物靠近基坑側(cè)的沉降變形大于遠(yuǎn)離基坑側(cè)的沉降變形，會(huì)造成建筑物的不均勻沉降，但不均勻沉降值較小，滿足規(guī)范要求。

3)地鐵車站深基坑施工會(huì)引起建筑物的變形，但只要采取的支護(hù)措施合理，便可將周邊建筑物的變形控制在規(guī)定范圍內(nèi)，有效地減小基坑開(kāi)挖帶來(lái)的不利影響。

［1］胡云龍．基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)變形影響的研究［J］．鐵道建筑，2013(6):85-87．

［2］陰紅宇，李天斌．成都某地鐵車站深基坑水平變形分析［J］．鐵道建筑，2013(3):97-100．

［3］郭建強(qiáng)，龔洪祥．地鐵車站深基坑施工對(duì)臨近建筑物影響的控制［J］．建筑科學(xué)，2008(9):91-95．

［4］霍潤(rùn)科，顏明圓，宋戰(zhàn)平．地鐵車站深基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(5):81-85．

［5］孟文清．基于ANSYS的地鐵車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)［J］．河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(4):5-8，22．

(責(zé)任審編孟慶伶)

U231+．4;TU94+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．20

1003-1995(2015)03-0070-03

2014-09-10;

2014-12-10

楊偉(1975—)，男，重慶江津人，工程師。