軌道交通地鐵車站基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響分析

歐士嘉

摘要：地鐵深基坑開挖卸荷導(dǎo)致兩側(cè)建筑物產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，會(huì)影響建筑物的結(jié)構(gòu)安全及使用壽命。文章基于某地鐵車站實(shí)例，采用MidasGTSNS有限元軟件對(duì)深基坑開挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析深基坑開挖卸載對(duì)臨近建筑物的影響，為地鐵基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;深基坑;數(shù)值模擬;臨近建筑物;影響;加固

0 引言

隨著我國(guó)城市人口密度的不斷增加和城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵作為城市重要的公共交通工具，對(duì)緩解城市化帶來(lái)的交通擁堵問(wèn)題具有極其重要的作用，這也涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的深基坑工程。這類工程在設(shè)計(jì)與施工中，除須保證自身技術(shù)的合理與安全外，還需要考慮深基坑開挖卸荷對(duì)環(huán)境的影響。本文基于某一地鐵車站實(shí)例，采用MidasGTSNS有限元軟件對(duì)深基坑開挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析深基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響，對(duì)地鐵基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提出合理的控制要求。

1 工程概況

1.1 工程概況

某地鐵站站型為地下一層側(cè)式站臺(tái)車站，為地下一層框架結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)224.7m，寬40.30m，建筑面積為11260m2。海洋館建筑（1層，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，柱距3.6m）距離外邊線3.05m。車站采用明挖法施工，施工過(guò)程采用先開挖中心島，后施工四周的方案，即一期施工本工程中心部分結(jié)構(gòu)，一期開挖的基坑采用土釘墻支護(hù)體系，二期開挖圍護(hù)采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐結(jié)合的支護(hù)體系。

1.2 水文地質(zhì)情況

場(chǎng)地位于剝蝕丘陵區(qū)，地形略有起伏，地勢(shì)兩側(cè)高，中間較低。場(chǎng)地內(nèi)主要地層由沖積洪積河床堆積形成的第四系全新統(tǒng)粉土、砂類土、圓礫和角度不整合的三疊系泥巖、砂巖、礫巖構(gòu)成。第四系地層厚度差異較大，沉積紊亂，巖性分布縱、橫向變化均較大;三疊系基巖面起伏較大。場(chǎng)地地表普遍分布厚度不均的人工填土。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，在海洋館附近鉆孔的基坑開挖深度及影響范圍內(nèi)，主要地基土的組成自上而下為：雜填土、圓礫層、粉土、圓礫層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖層、中風(fēng)化砂巖層。

勘探深度內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙潛水、承壓水和碎屑巖類裂隙水：

（1）松散巖類孔隙水

潛水主要埋藏于地表人工（雜）填土和下伏沖、洪積圓礫中，水位為1.3～3.1m。

（2）承壓水

承壓水主要埋藏于潛水含水層之下的圓礫中，隔水頂板為其上黏性土層，隔水底板為下伏黏性土層或泥巖強(qiáng)風(fēng)化巖層。含水層厚度為1.4～6.5m，滲透系數(shù)為48.4m/d，屬?gòu)?qiáng)透水地層。該含水層與其上潛水含水層有一定的水力聯(lián)系。

（3）碎屑巖類裂隙水

基巖裂隙潛水賦存于下伏三疊系砂巖、泥巖中，水位埋深為3.5～7.5m。基巖裂隙水的透水性因地層的巖性、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育程度等因素有較大差異，透水性弱-中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)資料，砂巖滲透系數(shù)為9.82m/d，屬中等透水地層;泥巖滲透系數(shù)為0.11m/d，屬弱透水地層。

1.3 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐采用鋼支撐，直徑為609mm，壁厚t=12mm，對(duì)撐水平間距為4m，豎向間距為5.2m，一端支撐于圍護(hù)樁上，另一端支撐于已施工完成的核心區(qū)車站主體結(jié)構(gòu)上?；影踩燃?jí)按一級(jí)考慮，重要性系數(shù)為1.10，基坑整體變形控制等級(jí)按二級(jí)考慮，其中靠近海洋館位置處基坑變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)?；A(chǔ)單柱承受荷載為300kN?；釉O(shè)置旋噴樁封閉式止水帷幕，基坑內(nèi)降水屬于疏干井降水，不考慮滲流影響，鉆孔灌注樁在施工期間作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，承擔(dān)施工期間全部的側(cè)向水土壓力?；又ёo(hù)剖面圖如圖1所示。

施工順序：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前應(yīng)先查明場(chǎng)地范圍內(nèi)的地下管線，地下建（構(gòu)）筑物情況以及地面障礙物的處理→進(jìn)行場(chǎng)地地基處理和施工灌注樁及冠梁→基坑降水→放坡開挖核心部分土體→清理基底、施工接地及防水層、鋪設(shè)墊層→施工核心部分結(jié)構(gòu)→分層開挖周邊土層及架設(shè)鋼支撐（在已完工結(jié)構(gòu)和圍護(hù)之間）→開挖剩余部分土方→清理基底、施工接地及防水層、鋪設(shè)墊層→剩余部分主體結(jié)構(gòu)施工→分層碾壓回填土方→恢復(fù)場(chǎng)地。

2 建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)

由于地下工程施工使周圍地基的應(yīng)力得到釋放，或受到附加應(yīng)力的影響而使地基發(fā)生下沉或隆起。地基發(fā)生下沉或隆起與地面建筑物的間距、相互之間的地基土性質(zhì)、已有建筑物的結(jié)構(gòu)條件、基礎(chǔ)型式等因素有關(guān)，因此可在對(duì)建筑物調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)評(píng)估建筑物對(duì)地表變形適應(yīng)能力及根據(jù)有關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，可提出其沉降與傾斜控制標(biāo)準(zhǔn)。但由于施工條件各異，各建筑物個(gè)體間存在較大的差異，對(duì)于重要建筑物，控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)具體情況制定，由建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、監(jiān)測(cè)等有關(guān)部門共同商定，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行調(diào)整。由于海洋館距離基坑極近，經(jīng)各方協(xié)商，將變形控制保護(hù)等級(jí)設(shè)為一級(jí)，基坑最大水平位移≤0.2%H，且≤30mm，地面最大沉降量≤0.15%H（H為基坑深度），即水平位移≤23.1mm，最大沉降≤17.3mm。

3 有限元數(shù)值計(jì)算

本站支撐沿基坑四周環(huán)形設(shè)置，支撐長(zhǎng)度為7.65～16.25m，環(huán)形基坑長(zhǎng)寬比很大，且本次重點(diǎn)分析對(duì)象為單體建筑，本次模型截取50m長(zhǎng)的基坑以減少程序計(jì)算時(shí)間。海洋館位置處基坑深度為11.55m，直徑0.8m排樁深度約15.5m。為消除邊界尺寸對(duì)計(jì)算的影響，模型寬度和高度取3～5倍基坑深度，模型長(zhǎng)×寬×高為110×80×40m。鄰近建筑物距基坑邊的距離為3.05m，基坑設(shè)置旋噴樁止水帷幕，不考慮坑內(nèi)水疏干對(duì)建筑物的影響。為便于建模，將排樁的擋土作用和旋噴樁的止水作用采用地連墻進(jìn)行模擬，并進(jìn)行等剛度代換，代換后地連墻厚度為h=0.838D，即0.67m。

整個(gè)模擬分兩種情形：（1）開挖基坑不對(duì)海洋館基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù);（2）開挖前對(duì)海洋館基礎(chǔ)進(jìn)行提前注漿加固保護(hù)。分別計(jì)算分析兩種狀況下的沉降情況。

3.1 Midas/GTSNS建模

本次分析土層采用修正摩爾-庫(kù)倫模型本構(gòu)模型，加固土采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型設(shè)置邊界約束，圍護(hù)樁、內(nèi)支撐及建筑物基礎(chǔ)采用1D梁?jiǎn)卧?，土層和加固區(qū)采用3D單元。結(jié)合地勘報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)，本次數(shù)值模擬選用的巖土力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)如表1和表2所示。

3.2 不注漿加固的沉降分析

通過(guò)Midas有限元分析，未對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固保護(hù)工況下的基坑開挖后模型跨中截面切向量豎向沉降云圖見圖3，水平位移云圖見圖4。

根據(jù)模型分析結(jié)果，基坑的破裂面與水平線約成45°夾角，該夾角范圍的建筑受基坑開挖影響最大。最大變形發(fā)生在最后一步開挖，開挖至坑底后，最大變形在最靠近基坑的海洋館基礎(chǔ)附近處，該位置最大沉降為24.2mm，超過(guò)基坑變形允許標(biāo)準(zhǔn)，水平位移為11.9mm，滿足允許值（見圖5）。綜上所述，不采取加固方案將導(dǎo)致變形超出允許值，影響建筑物的壽命和使用安全，且有可能造成工程索賠，故需對(duì)建筑物進(jìn)行保護(hù)，采取加固措施。

3.3 預(yù)注漿加固保護(hù)的沉降分析

本工程對(duì)現(xiàn)有的建筑物保護(hù)方案主要分為兩類：

（1）隔離樁法。由于海洋館位置距離基坑僅3m，隔離樁法對(duì)建筑物擾動(dòng)過(guò)大，容易造成“保護(hù)破壞”。

（2）注漿保護(hù)法。該方法施工靈活，且可以控制注漿壓力來(lái)降低對(duì)建筑物的影響，在現(xiàn)有條件較差時(shí)使用該種方法具有較好的效果。

因此，本次保護(hù)方案采用注漿保護(hù)法。通過(guò)在開挖之前進(jìn)行預(yù)注漿，改良原有地層的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2-5]，一般情況下，加固后土體的彈模能提高到原來(lái)的1.2～1.5倍左右，粘聚力有10倍左右的增幅，內(nèi)摩擦角和重度略微提高但不顯著，而泊松比則有所降低。確定本站砂卵圓礫地層經(jīng)注漿加固后的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

具體建模辦法是在本文3.2節(jié)不加固模型基礎(chǔ)上，對(duì)海洋館基礎(chǔ)底下的3D網(wǎng)格單位進(jìn)行屬性更改，由圓礫改為加固土屬性，加固區(qū)寬度方向?yàn)榛A(chǔ)平面外1m，深度方向分別為基底以下2m和4m。兩種加固情形下在開挖到基坑底后的沉降位移云圖分別見圖6和圖7。

開挖到基坑底后的地表在不加固、加固2m和加固4m三種情形下的沉降曲線見圖8。

根據(jù)沉降曲線，注漿加固在圓礫層中效果表現(xiàn)較好，能有效地抑制地表和建筑的沉降。在加固深度2m時(shí)，沉降較未加固降低了48.4%，降低效果顯著，滿足一級(jí)基坑變形控制要求，建筑物的安全得到了較大的保障。在加固深度達(dá)到4m時(shí)，豎向位移僅為5.9mm，較未加固時(shí)降低了75.6%。由于基坑開挖會(huì)挖除一部分土體，進(jìn)而使地層缺失而產(chǎn)生應(yīng)力松弛，從而導(dǎo)致土體存在往臨空面變形的趨勢(shì)，支擋結(jié)構(gòu)的剛度、土體的性質(zhì)、滲流的影響等均會(huì)對(duì)地表建筑物的變形有關(guān)鍵性的影響。通過(guò)注漿改變土體性質(zhì)，使土體重新固結(jié)，土體空隙填充注漿體，補(bǔ)充松弛的應(yīng)力狀態(tài)，有效地控制了地基土的變形，進(jìn)而保證地表上部結(jié)構(gòu)的安全。

3.4 建筑物保護(hù)方案選定

（1）根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，海洋館對(duì)由于基坑施工時(shí)引起的地面沉降較為敏感，故在施工前預(yù)埋注漿管，提前注漿。考慮經(jīng)濟(jì)效益情況，加固區(qū)域?yàn)榛紫?m深度范圍，并在施工過(guò)程中根據(jù)加固體的情況隨時(shí)跟蹤注漿。

（2）注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，袖閥管采用直徑48mm的硬質(zhì)PVC管，間距為1.5～2m，漿液擴(kuò)散半徑為0.75～1m，袖閥管傾斜角度≤30°，注漿壓力為0.3～0.8MPa，不宜過(guò)大。在基礎(chǔ)邊界線外擴(kuò)2m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，以防注漿壓力過(guò)大造成地面隆起過(guò)大，影響安全。

（3）加固時(shí)應(yīng)因地制宜，建筑物保護(hù)時(shí)由相關(guān)資質(zhì)的鑒定部門對(duì)其做安全性評(píng)估，給出基礎(chǔ)變形允許值，以便合理選擇注漿加固的范圍和參數(shù)，達(dá)到較為理想的安全和經(jīng)濟(jì)效果。

（4）從施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，位移監(jiān)測(cè)值基本在計(jì)算值以內(nèi)，偶有超過(guò)計(jì)算值的，偏移幅度也不超過(guò)10%，整個(gè)基坑施工期間未因位移和變形發(fā)生報(bào)警，基坑和坑外建筑均處在相對(duì)穩(wěn)定和安全的狀態(tài)下。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）Midas數(shù)值分析能直觀地反映出基坑支護(hù)各施工工況的位置變形規(guī)律，為基坑支護(hù)施工提供更多的理論依據(jù)，對(duì)基坑周邊環(huán)境的安全保護(hù)有重要指導(dǎo)作用。

（2）坑外地表在基坑開挖施工中呈現(xiàn)勺子形沉降曲線，建筑物本身承受荷載，對(duì)基坑開挖較為敏感，在該位置沉降最大，隨后沿遠(yuǎn)離坑壁方向逐漸減小，距離坑壁越遠(yuǎn)變化幅度越小，最終逐漸穩(wěn)定。一般在距離1.5～2倍基坑深度范圍外的沉降已經(jīng)可以忽略不計(jì)。

（3）注漿加固較未經(jīng)處理前能夠很好地減少地基變形沉降，能對(duì)抑制周邊建筑物的變形起到一定的作用。

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