明挖區間施工對臨近重要建筑物的影響分析

張云龍, 趙子寅

(北京城建設計發展集團股份有限公司，山東濟南 250101)

隨著我國城市軌道交通工程的快速發展，地鐵在城市交通的作用和影響越來越明顯。在地鐵車站修建的過程中，明挖法具有造價低、工藝簡單、地質條件適應性廣的特點，因此被廣泛采用。地鐵車站大部分位于城市中心區域，周邊建筑較多，風險較大。如何減小周邊建筑物的沉降變形，已經成為地鐵車站施工中一個十分重要的課題。

1　工程概況

明挖區間包含濟南軌道交通M2線與M1線聯絡通道部分，位于緯二路與站前街交叉口南側，沿緯二路布設，起訖里程為YCK20+376.375～YCK448.175，全長71.8 m，最大寬度17.76 m，5 ‰單面下坡，底板最大埋深23.21 m。為緩解明挖施工帶來的交通壓力，區間采用明挖法+蓋挖法施工方法。

德華銀行舊址，國家級文保單位，建于1901年，位于經二路與緯二路交叉口北側，地上三層，地下一層，結構為磚木結構，基礎為毛石基礎，與明挖區間結構最近距離為9.60 m，一級環境風險源。明挖區間與德華銀行舊址的位置關系如圖1所示。

圖1　明挖區間與風險源位置關系

區間沿線屬山前沖洪積傾斜平原地貌單元，南高北低，地勢由南至北逐漸趨于平緩，明挖區間地面標高34.15～34.91 m。鉆探結果揭示本區間地質從上至下依次為①2雜填土、①1素填土、⑩3碎石、⑩1粉質黏土、1粉質黏土、4碎石、1全風化輝長巖、2強風化輝長巖、3中風化輝長巖。底板位于全風化閃長巖層中。區間地下水位埋深較淺，施工期間水位按地表考慮。

明挖區間基坑采用鉆孔咬合樁+內支撐體系，鉆孔灌注樁葷素樁間隔布置，樁徑1 000 mm，間距750 mm；內支撐采用一道800 mm×800 mm混凝土支撐，四道鋼支撐(含一道倒撐)，第四道鋼支撐為φ800 mm，其余鋼支撐均為φ609 mm。施做臨時立柱及路面體系，咬合樁嵌入中風化巖層2.6 m[1-2]。明挖區間基坑維護結構如圖2所示。

圖2　明挖區間維護結構

2　臨近文保單位基坑開挖數值模擬

2.1　計算模型

利用MIDAS-GTSNX有限元軟件進行基坑臨近風險源的開挖數值模擬，模型采用地層-荷載結構模型，土體本構關系為摩爾庫倫。模型尺寸為183.2 m×80 m×50 m(圖3)。

圖3　明挖區間臨近風險源模型

地層及臨近建筑基礎采用三維實體單元模擬，建筑樓板及維護結構采用二維板單元模擬，內支撐、格構柱及建筑內部柱采用一維梁單元模擬。網格采用四面體網格劃分，局部網格加密，共劃分293 943個單元，54 323個節點。約束土體周邊位移。施工階段設置10步，模擬至開挖完成。地層主要物理學參數如表1所示[3-4]。

表1　地層主要物理學參數

2.2　結果分析

施工模擬步序主要包括：(1)自重應力場計算，位移清零；(2)第一次開挖；(3)施做第一道混凝土支撐及連系梁；(4)第二次開挖；(5)施做第二道鋼支撐及連系梁；(6)第三次開挖；(7)施做第三道鋼支撐及連系梁；(8)第四次開挖；(9)施做第四道鋼支撐及連系梁；(10)第五次開挖。取圍護結構外5 m處作為沉降觀測點，基坑開挖至底部時，累積地表沉降如圖4所示。

圖4　地表沉降(單位:mm)

從圖4中可以看出，基坑開挖對南北兩側沉降量的影響遠小于東西兩側的沉降影響。監測位置距維護結構距離5 m，南北兩側的地表沉降值為2.0～3.1 mm，東西兩側的地表沉降值為11.1～15.8 mm，且風險源附近地表沉降值均較大，均值在15.2 mm左右，布置內支撐時，應適當加密內支撐，增大維護結構剛度，以減小風險源位置處的地表沉降。

為研究開挖施工步序對地表沉降的影響，取風險源附近及建筑基礎共4個測點，研究施工步序對地表沉降的影響關系，優化維護形式。開挖至基坑底部時，測點沉降積累量如圖5所示，測點變形隨施工步序的變化如圖6所示。

圖5　累積沉降位移云圖

圖6　地表沉降隨施工步序的變化關系

從圖5中可以看出，基坑開挖對建筑物沉降影響較大，基坑附近地表沉降范圍在6～10 mm，建筑物基礎沉降范圍在10～16 mm，且距離建筑物越遠，沉降量越小，但降低不明顯。

圖6表明，隨著基坑的開挖及支護，地表沉降呈波動式增長規律，地表沉降量變化逐漸減小；內支撐可以有效的減小地表沉降，如施工步序(3)、(5)、(7)、(9)；第二次開挖時，地表沉降變化達到最大6 mm，開挖引起建筑累積沉降15.8 mm，因此，應適當增加維護結構剛度或對建筑物采取有效的保護措施。

綜上所述，明挖區間開挖對相鄰文保單位的變形影響較大，應采取增加維護結構剛度、隔離文保單位措施、提高文保單位基礎結構剛度等技術措施減小開挖對于文保單位的影響[5-6]。

3　結論與建議

本文通過對明挖區間基坑開挖的數值模擬，分析了現有支護方案下基坑開挖對臨近文保單位的變形影響。模擬結果表明，現有支護方案對文保單位的變形沉降具有一定的抑制作用，施工時，建議采取如下保護措施，防止沉降變形過大：

(1)明確文保單位沉降控制標準，重視數值模擬在維護設計時的作用。

(2)優化基坑開挖的深度，必要時，縱向分段開挖，增大支撐截面，提高支撐的結構剛度。

(3)建議施工時在文保單位基礎位置施做注漿孔，根據施工期間的監測沉降值決定是否采取注漿措施。

(4)優化施工監測，增加文保單位附近的沉降觀測點，加密關鍵監測點的監測頻率。

(5)基坑開挖時，維護結構應嵌入不透水層，降水措施采用坑內降水，并增設坑外降水井，減小降水造成的建筑物沉降。