暗挖區間基坑開挖對建筑物沉降影響

白海龍

(中鐵七局集團第二工程有限公司 遼寧沈陽 110000)

暗挖洞樁法（Pile-Beam-Arch-method，PBA）是一種靈活多變的施工方法，可以建造具有不同結構層數和距離的車站。可以適用于具有復雜管道和大量建筑的環境，逐漸成為修建地鐵車站的常用方法。而基坑豎井作為暗挖施工的第一步驟施工更是對整個工程具有格外的意義，分析研究基坑豎井及基坑豎井開挖工程中的建筑物沉降對于整個工程的建設來說，都是有重大意義的。已有許多研究者對基坑開挖對臨近建筑物影、PBA法的技術特點、設計原則和技術重點，并總結了洞樁法各階段的技術重點[1-4]。孫小飛[5]以沈陽地鐵北大營站為工程背景，通過建立有限元模型，并與實測數據進行對比分析，研究基坑開挖對臨近建筑的影響。結果表明：通過設置隔斷墻、對建筑物基礎注漿加固，優化基坑方案設計等保護措施能夠有效減小基坑施工對周圍環境的影響。羊科印[6]以西安某深基坑為工程背景，研究了邊樁直徑、邊樁長度、預應力大小、建筑物荷載等因素對臨近建筑的影響。結果表明：建筑荷載對其影響最大，樁徑對臨近建筑物影響最小。

1 工程概況

沈陽地鐵3號線一期工程土建施工第十二合同段包括方型廣場站—三好街站區間、三好街站、三好街站—工業展覽館站區間3個單位工程，三好街車站采用PBA暗挖法施工。該車站為暗挖島式站臺車站，有效站臺寬度14 m，車站主體為地下兩層三跨八導洞框架結構，車站總長220.7 m。標準段寬度為22.7 m，標準段高度為15.6 m，頂板覆土厚度約7.0 m。車站共設置3 個施工豎井、4個出入口通道、4個地面出入口、1個安全出口、2組風道、2組地面風亭。車站設置的3個施工豎井中，1 號豎井尺寸為9.8 m×11.3 m，開挖深度為30 m。基坑位置和周邊建筑物如圖1所示。

圖1 豎井及其建筑物位置

1號豎井在豎井一側有地下一層地上22層的金科大廈；2號豎井在1號豎井周邊，2號豎井在橫通道一側有盛京醫院地下停車場；3號豎井位于車站右側，其兩側均有建筑物，豎井上側是南湖五金工具交易中心，下側是機電裝備大廈B座。本文模擬研究的是1號基坑豎井及其周邊建筑物在施工工程中的沉降問題。

2 數值計算分析

2.1 基坑數值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元軟件建立1號豎井基坑臨近建筑物三維有限元仿真模型。在三維基坑豎井模型建立方面將施工現場簡化成X方向長度是60 m，Y方向是60 m，Z方向是45 m；豎井基坑的尺寸是X方向10 m，Y方向15 m，Z方向30 m。周邊建筑物位置簡化到距基坑豎井10 m 位置。在約束方面附加X、Y、Z方向底部約束位移，土體上表面不加約束，為自由面。模型如圖2、圖3所示。

圖2 三維實體模型

圖3 三維網格模型

2.2 材料本構模型

依據地質勘探報告顯示，三好街站沿線勘察工程深度內主要地層分布為雜填土、中粗砂、圓礫、沙礫-1、沙礫-2，根據地質勘探報告和土體的性質，土體模擬時選擇修正摩爾庫倫本構關系。其中，土體、豎井基坑、建筑物均采用實體單元進行模擬，豎井內支撐、腰梁冠梁、豎井圍護樁均用梁單元進行模擬，建筑物筏板樁采用植入式梁單元，建筑物筏板采用板單元進行模擬。數值模擬參數如表1所示，材料計算取值如表2所示。

表1 土體物理力學參數

表2 材料計算取值

2.3 模擬工序

豎井基坑采取分層開挖，分層支護，豎井開挖總深為30 m，共分6 次開挖。在開挖基坑之前需要先將周圍建筑物地上部分，地下部分進行激活，地上部分包括25 m高的建筑物，地下部分包括地下室，建筑物筏板和長14 m 的建筑物筏板樁。然后在進行初次支護結構施工時，將圍護樁、地連墻、冠梁進行激活，在開挖時每開挖一次進行一次內支撐與腰梁的建設，保證開挖一部分支護一部分，模擬過程一共分為15步。

3 模擬數值結果分析

3.1 距基坑不同距離的建筑物沉降

在同一X軸方向上每間隔2 m 選取一個節點，檢測其在基坑豎井施工結束之后的沉降數值。檢測點的選取如圖4所示，自左到右分別是節點40 506、40 498、405 07、40 503、40 511、40 497。

圖4 節點選取

圖5 中曲線是豎井開挖結束，在做完第六步支護結構后的沉降值。在距離豎井的建筑物上選取的5個連續的相鄰2 m 監測節點，由圖5 可以看出，在距離基坑10 m 處的節點40 506 的沉降值是最大的，達到了16.51 mm，隨著距離豎井的距離的不斷增加，沉降量的數值是逐步下降的，在距離基坑豎井20 m處的位置僅有6.78 mm，與距離基坑豎井10 m 處的16.51 mm 相差近3倍。每隔2 m的沉降差值在1.5～2.8 mm之間，其中距離基坑10 m和12 m兩處節點的沉降差距最大，達到2.82 mm，距離基坑18 m和20 m的沉降差距最小，僅有1.56 mm。整體呈近類似線性變化。

3.2 整體沉降效果

將每一步的開挖和其后面的支護步驟分為一步整體的工程步序，得到每一步序的模型沉降位移具體情況如圖6～圖10所示。

圖6 支護1沉降圖

圖7 支護2沉降圖

圖8 支護3沉降圖

圖9 支護4沉降圖

圖10 支護5沉降圖

圖6～圖10 是每一步支護結構施工完成后的模型整體沉降數值圖。從圖中可以明顯看出在支護步驟完成后，會明顯看到基坑與建筑物之間會有一段距離產生相對小的沉降，會有沉降低谷產生。在靠近豎井基坑的建筑物一側的沉降量在每一步驟都要大于遠離基坑的一側的沉降數值。而在同一維度，X軸方向上沉降的產生基本呈現隨著離車站基坑距離增大而減小的規律，并且每隔2 m 的減少沉降幅度在不斷減小。隨著基坑開挖深度的增加，作用在支護結構上的土壓力不斷增大，因此土體豎向方向的位移逐漸增大。隨著開挖深度的增加，坑頂豎向變形的影響范圍在變大。

4 結論

本文以暗挖車站施工為背景，通過Midas gts nx 軟件，對基坑豎井及周圍建筑物進行三維模型建立，通過模擬施工工序，分析在基坑豎井開挖過程中及開挖完成后對建筑物的沉降影響得到以下幾點結論。

（1）基坑對于建筑物的沉降影響越靠近基坑影響越重大，在建筑物兩側所引起的沉降數值相差巨大，在施工過程中需要進行特別注意，防止建筑物兩側沉降相差過大，影響工程的工期進度。

（2）在基坑與建筑物之間引起的沉降并不是隨著距離的增加一味地下降，在建筑物和基坑豎井之間會出現一段沉降量下降的區域，會出現沉降低谷，需要在施工過程中格外注意。

（3）隨著基坑開挖的不斷深入，支護結構所受的土壓力也在不斷增加，土體的沉降范圍、沉降數值也在不斷增加，對于沉降的控制還是要從源頭抓起，加強基坑圍護和鋼結構支撐剛度，降低對周邊建筑物的影響。