城市地下開挖對鄰域既有工程的影響機理及處理措施

李鵬飛，胡江春，魯家濠，劉克文

（1.中原工學院，河南 鄭州 450007；2.云南省第十四冶金建設有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

隨著城市的快速發展，城市規模不斷擴大，受城市空間和環境的限制，大多數城市都不同程度地出現了包括建筑用地、生存空間、交通運輸等用地不足的現象。因此，城市地下空間的開發是非常必要的。隨著地下空間開發的推進，新建工程對相鄰建筑物必然會產生影響，如果處理不當這種影響將造成重大安全事故[1-4]。為了緩解地面交通壓力，越來越多城市開始修建地鐵，而地鐵隧道和普通的山嶺隧道有所不同，城市地下空間交錯復雜，在城市地跌隧道選擇線路中，很多建筑物需要保留，所以減小城市地下空間建筑物之間的相互影響與地下空間的利用程度有著直接的關系[5-6]。

在城市地下工程的建設中，由于城市工程的特殊性和地下工程的特點，不可避免地會破壞土體原來的物理特性和力學平衡，如在施工過程中會經常出現基坑失穩、地表以及周邊建筑物沉降，直接影響地面和相鄰建筑物原有的穩定，城市地下工程的安全性問題是地鐵建設和地下空間利用最核心的技術問題[7-9]。所以本文中提出的減小城市地下工程之間的相互影響非常必要。

在研究擬建場地地下工程相互影響時采用有限元軟件ABAQUS模擬的方法，模擬分析了地下工程土體開挖過程中土體以及相鄰構筑物的水平豎向位移，通過在地下工程間是否設置隔離樁進行數值模擬，對比分析是否設置隔離樁對土體以及相鄰構筑物位移的影響[10-12]。

本文以擬建場地鄰近地鐵3號線隧道剖面為例，通過是否設置隔離樁分析對比基坑開挖至基底過程中土體以及鄰近建筑物的水平豎向位移情況。

2 工程概況

擬建場區位于昆明斷陷湖積盆地邊緣，屬沖、洪積、濱湖積盆地地貌。場地位于原昆明市政府舊址之上，屬拆舊建新工程。場地地形平坦、開闊，高差較小，場地總體呈東北高、西北低之勢，地形坡度小于1%。場地地基土從上自下分為淺部人工填土層（①層），沖洪積地層（②-③層），湖積-濱湖積地層（④-⑩層）。其中，地層分布主要以（濱）湖積地層為主。土層物理力學性質匯總如表1所示。

場地地處東風路、北京路尚義街及尚義巷之間，北側為東風路，與金格中心相鄰，西側為北京路，與茶花公園相鄰，東側為尚義巷，并與白塔花園住宅小區相鄰，南側為尚義街。由于地鐵建設，東風路暫時封閉，臨時道路從場地中穿過，并于2012年10月2日恢復原東風路通行，其中茶花公園圍墻與擬建場地紅線相鄰。如圖1所示。

基坑挖深22.7m。鄰近在停工期間已經盾構完成的地鐵3號隧道，基坑與隧道最近僅約14m。擬在坑外設置隔離樁并預埋跟蹤注漿孔。隔離樁樁徑800mm，樁間距1200mm，插入至基底以下21m；地下連續墻外邊線普遍退地塊紅線3 m，隔離樁普遍設置在紅線和地下室外墻之間，即樁中心距離地下室外墻外邊線1.5m；樁頂設置連通的壓頂梁，并于原地下連續墻壓頂梁間設置橫梁連接，以增強隔離樁的整體性。

本項目為拆舊建新工程，項目占地面積約有5.33hm2，擬建建筑包括1棟62層塔樓，總高338 m，1棟180m高塔樓、1棟152m高塔樓及8層的商業住宅，總建筑面積約40萬m2。擬建場地為整體開挖地下室，地下室為4層，其中塔樓部分基坑開挖深度預計在現地面下32m，其他部分開挖深度預計在現地面下28m。

土層物理力學性質匯總表 表1

圖1 平面布置圖

3 相鄰工程的相互影響研究

3.1 基本簡化

通過對基坑計算剖面的簡化，建立平面應變有限元模型進行數值模擬計算，對基坑開挖卸荷過程產生的附加變形進行預測分析。主要的簡化如下。

①初始應力場的模擬：根據勘察報告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計算基坑開挖前土體初始應力場分布。同時模擬了圍護體施工對初始應力場等的影響。

②連續介質的模擬：有限元數值計算中土體采用硬化彈塑性模型。

③基坑開挖過程的模擬：通過有限元軟件的“單元生死”模擬基坑工程地下連續墻施工、各層土體的分層開挖以及各道支撐的施工過程，根據基坑工程“順作法”施工工況全過程模擬基坑開挖的全過程。

3.2 計算模型選擇

計算模型包括了土體、圍護結構、地鐵隧道、車站、隧道端頭井和建筑結構等結構構件。其中土體材料采用彈塑性模型模擬，計算單元為三角形15節點單元；混凝土結構構件采用線彈性模型模擬。分析模型的水平向為X向，豎直向為Y向。水平方向按照基坑尺寸關系建模，并考慮一定的開挖影響范圍，深度則取至足夠深度。對左邊界施加X向位移約束，底邊界施加X、Y向約束，對稱邊施加對稱約束邊界條件。計算模型相關參數如表2所示。

計算模型參數 表2

3.3 計算工況確定

計算分析工況表 表3

為評估隔離樁的作用，分別進行了原設計條件無隔離樁和在停工狀態下增打隔離樁兩種工況。普遍區域的計算工況如表3所示。

3.4 相互影響機理分析

針對本工程的特點，基坑圍護體采用1000mm厚地下連續墻，同時在坑內豎向設置四道混凝土支撐。隧道圓心距地表20m，兩隧道外徑距離約9.5m，隧道半徑3.1m，右側隧道距地下連續墻約18.3m。

下文以擬建場地鄰近地鐵車3號線隧道剖面為例，給出設置隔離樁與否的計算模型和開挖至基底的變形結果云圖。

3.4.1 相鄰工程開挖的影響

圖2 不設隔離樁計算模型

圖3 不設離樁開挖至基底土體水平位移云圖

圖4 不設隔離樁開挖至基底土體豎向位移云圖

分析位移結果云圖得出：

①不設置隔離樁時地下連續墻最大水平位移45.3 mm，隧道的最大水平位移6.65 mm，見圖3；

②不設隔離樁時明通河箱涵的最大豎向位移-15.36 mm，隧道的最大豎向位移-5.68 mm，地表沉降-22.58 mm，見圖4。

3.4.2 支護加固后的效果

分析位移結果云圖得出：

①設置隔離樁時地連墻最大水平移38.86 mm，右線隧道的最大水平位移5.59 mm，左線隧道的最大水平位移3.62 mm，見圖6；

圖5 設隔離樁計算模型

圖6 設隔離樁開挖至基底土體水平位移云圖

圖7 設隔離樁開挖至基底土體豎向位移云圖

②設置隔離樁時明通河箱涵的最大水平位移-12.16 mm，右線隧道的最大豎向位移-3.98 mm，左線隧道的最大水平位移-7.71 mm，地表沉降-19.76 mm，如圖7所示。

通過對比分析是否設置隔離樁兩種工況相鄰構筑物的水平豎向位移發現：

對比計算結果，可以得到設置隔離樁后，地表沉降有一定程度的減小，地下連續墻以及周圍構筑物的位移明顯減小。

4 討論

有限元計算所得鄰近建筑物及圍護結構變形匯總如表4所示。

由表4計算結果可以看出，采用隔離樁加固后，鄰近地鐵隧道、明通河箱涵及地表沉降的最大附加變形均比未設置隔離樁有所減小。

5 結論

本文以擬建場地鄰近地鐵車3號線隧道剖面為研究對象，對是否設置隔離樁進行了數值模擬，并對是否設置隔離樁對鄰近構筑物的水平豎向位移進行了分析比較，得出如下結論：

計算結果匯總表 表4

①設置隔離樁可以有效控制地表沉降，有效降低施工過程中的不安全因素；

②通過設置隔離樁加固后，相鄰構筑物的水平豎向位移都有所減小；

③相鄰構筑物之間設置隔離樁可以有效的減小相鄰構筑物之間的相互影響。