地鐵車站深基坑開挖對鄰近建筑物的影響分析研究

摘要 繁華鬧市區地鐵車站基坑開挖施工，往往會對鄰近建筑物產生諸多不利影響，如沉降、水平位移、建筑物開裂等。該文以廈門地鐵1號線鎮海路站為例，選取車站基坑與周邊一棟7層混凝土框架宿舍樓為分析對象，通過建立土－支護結構相互作用計算模型分析基坑開挖卸荷對建筑沉降和水平位移的影響，有利于進一步指導工程安全施工，為同類車站基坑開挖提供安全施工經驗。

關鍵詞 地鐵車站；深基坑開挖；鄰近建筑物；影響分析

中圖分類號 U231 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0024-03

0 引言

隨著社會經濟的發展和技術的進步，交通壓力大、城市空間利用率低逐漸成為限制城市發展和影響居民生活的主要因素。近年來，國內地鐵建設不斷興起，掀起一陣建設熱潮，車站基坑作為地鐵建設的不可避免的重難點工程也隨之增多，由于不同地區的地質條件存在著巨大差異性，以及車站基坑周邊存在著諸多復雜環境，使得基坑工程在選擇開挖方式和監測手段時尤為重要。做好基坑開挖前的建模分析、過程中的動態監測，把基坑開挖對周邊建筑的影響降到最低，在最短時間內完成基坑開挖、支護、封閉，才能有效地保障基坑工程的施工安全。

該文以鄰近建筑物為對象，采用有限元建模，分析了地鐵車站深基坑開挖對鄰近建筑物的影響，以各項研究結果數據作為施工及監測參考依據，有效指導工程快速、安全推進。

1 工程概況

該項目基坑為廈門地鐵1號線起點站鎮海路站基坑，基坑位于鎮海路上、沿鎮海路西南—東北向布置，基坑面積約9 941.8 m2，挖深約23.5 m。鎮海路站為地下二層（局部一層）的側式站臺車站[1]，標準段底板埋深為13.2～22.0 m，寬度24.2 m，為單柱雙跨鋼筋混凝土框架結構；北端頭井底板埋深23.5 m，寬度24.2 m，為地下二層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結構，車站總長410.82 m。

鎮海路規劃路面寬度約21.5 m，路口交通繁忙，車站周邊現狀以商業、公共設施、軍事用地為主，周邊分布的建構筑物有廈門市第一廣場大樓、廈門市婦幼保健醫院、千禧海景大酒店、海軍宿舍大樓、海軍醫院、廈門市思明區少年宮等。車站基坑開挖距現有建筑距離近：距軍區宿舍4.7 m、距千禧海景大酒店地下室3.8 m、距婦幼醫院地下室11.7 m。周邊建筑物環境如表1所示。

2 工程地質條件

該工程所處場地為低山丘陵區，局部為殘積臺地區及濱海堆積區，現狀地面標高4.9～14.7 m，高差9.8 m，地勢變化較大。周邊外擴至緊鄰既有建筑物，地下管網繁雜，幾乎包含全部的市政管網類型，環境條件復雜程度屬實復雜，開挖深度范圍內含水層類型主要為第四系松散巖類孔隙含水巖組，主要巖土層特性參數如表2所示。

3 基坑支護設計方案

結合該工程特點、基坑挖深、面積、工程地質條件及周邊環境條件等，本著安全、經濟、合理、可行的原則，確定該項目基坑圍護基坑四周采用鉆孔灌注樁進行圍護，樁間設止水帷幕，設計采用兩道支撐[2]，第一道支撐為800 mm×1 000 mm的混凝土支撐，第二道為Φ 609×16 mm的鋼支撐，往下設兩道3Φ15.2 mm的錨索，豎向間距2.5 m，縱向間距2 m。

基坑標準斷面處，開挖深度約為17.4 m，地下水位埋深為2.6～3.7 m，車站底板位于中風化花崗巖土層中，基坑采用明挖法施工。為方便施工現場交通疏解和管線改遷等工作，基坑采取了分期實施方案。

4 車站深基坑開挖對鄰近建筑影響分析

為進一步分析地鐵車站基坑開挖對鄰近建筑的影響，采用Plaxis 2d 8.x版本有限元軟件，對車站基坑南側7層混凝土框架軍隊宿舍樓進行有限元建模，并結合實際的車站基坑施工工序步驟進行模擬分析。PLAXIS程序軟件是一款專業的巖土工程有限元分析軟件，可在計算中對實際施工步驟進行模擬，并內置有摩爾庫倫模型、劍橋模型、HS硬化、HSS小應變模型等多種常用的土體本構模型，可方便地對各類巖土工程問題進行模擬[3]。

建模過程中樓板、圍護樁、水平支撐等結構采用彈性單元模擬。為較真實地反映土體開挖及卸荷過程中的建筑物的沉降及水平位移變化，土體采用HS硬化本構模型進行模擬。

4.1 計算模型

計算模型邊界取值范圍為基坑兩側邊線各40 m、高35 m范圍。模擬對象為各土層、圍護樁、支撐、主體結構及右側建筑與基坑相距最近的斷面，鋼支撐預加軸力、施工步驟等參數按設計要求取值。

利用15個結點三角形單元對土體進行模擬計算，板單元模擬為擋土墻，與土體的接觸面可用10個點無厚度接觸面單元模擬，水平支撐視為彈性桿件，網格劃分精度選擇細程度，這樣既能減少計算時間又能得到較為理想的計算結果，計算網絡劃分如圖1所示。

4.2 計算參數

土體本構關系采用考慮卸荷效應的HS強化土體模型，在確定HS模型參數時，綜合考慮地質勘查報告、室內試驗結果、工程經驗以及類似項目的參數取值等多種因素，各土層計算參數取值如表3所示。

根據該工程勘察報告，開挖深度范圍內含水層類型主要為第四系松散巖類孔隙含水巖組，滲透系數一般在20～90 m/d，各土層透水性較好，土體在模型中設置為排水材料。

把圍護樁按側向及軸向剛度等效成連續墻進行分析和計算，右側建筑為7層的一般框架結構，相距開挖邊線為8 m，跨度為17.5 m，計算中分別把水平構件梁、板和豎向構件墻、柱等效成地下連續墻用板單元模擬。圍護結構和支撐的計算參數如表4和表5所示，框架結構的梁板、墻柱的計算參數如表6所示，圍護結構和支撐假設為線彈性材料來考慮[4]。

4.3 結果分析

通過模型計算得出如下結果，如表7～9所示。

結果表明：

（1）基坑右側最大地表沉降為3.98 mm（距離坑邊5.3 m），地表最大水平位移為6.66 mm（距離坑邊4.5m），即為建筑物靠近基坑一側的底部角點附近。（2）右側圍護樁頂部位移5 mm，最大水平位移為6.51 mm（位于深7.3 m處），豎向位移0.65 mm；左側圍護樁最大水平位移4.65 mm（位于樁頂），方向朝向坑外圍護樁位移。（3）建筑物斷面最大水平位移值為7 mm（位于頂部），建筑物斷面底部水平位移為3.05 mm，約為天然最大地表水平位移的1/2；近基坑側底部沉降為最大沉降（3.84 mm），遠離基坑側底部沉降為最小沉降（0.55 mm），則沉降差為3.84－0.55=3.29 mm，整體傾斜為3.29/17 500=0.188/1 000。（4）建筑物各層水平構件均發生輕微的上凸撓曲變形，底部構件彎矩最大值642.31 kN/m，剪力最大值466.67 kN/m，靠基坑側豎向構件彎矩最大值633.62 kN/m，剪力最大值為234.03 kN/m。經分析比較，建筑的水平位移和沉降值滿足變形控制要求，內力值滿足承載力要求。

分析結果得出：

（1）基坑開挖后右側土體向坑內移動，造成建筑物跟隨土體向坑內傾斜并發生沉降；（2）建筑物最大水平位移值出現在頂部，基礎的水平位移值為頂部的47%；（3）建筑物各層水平構件均發生輕微的上凸撓曲變形；（4）基坑右側的圍護墻呈弓形變形且整體往坑內移動，左側圍護墻頂部向基坑外移動，底部出現踢腳。

因此在施工過程中，應加強對土體地表沉降、水平變形、建筑物底部和頂部水平位移值、底部沉降、橫向差異沉降、整體傾斜等變形的測量，確保在整個施工過程中建筑物的安全，把施工對周圍建筑物變形的影響減到最小[5]。

4.4 實測數據分析

在深基坑分步開挖過程中，對基坑旁建筑物進行實時監測，實測數據如表10所示。

從實測結果與建模分析計算結果對比表明，實際情況與建模分析情況相一致。

5 結語

該文通過建模計算分析，提前掌握了基坑開挖后各階段的土體及周邊房屋水平位移和變形情況，對整個基坑開挖安全性進行了綜合評估，針對建筑物及圍護結構變形及沉降重點位置落實過程監控量測，確保把施工對周圍建筑物變形的影響減到最小，為后續施工提供了參考依據，可為類似項目提供借鑒。

參考文獻

[1]李冰.復雜環境下地鐵基坑爆破開挖減振試驗研究[J].鐵道建筑技術， 2017（3）：101-104.

[2]羅海鵬.鄰近建筑物的車站開挖爆破減振技術[J].江西建材， 2018（10）：84-85+87.

[3]謝洪斌，王操，戴永興.不排水情況下路基建造的有限元分析[J].交通標準化， 2008（4）：55-58.

[4]王浩然，王衛東，徐中華.基于數值分析的預估基坑開挖對環境影響的簡化方法[J].巖土工程學報， 2012（S1）： 108-112.

[5]黃軍華，周志健，劉鑫坤，等.鄰近運營地鐵的深基坑開挖風險及控制措施[J].施工技術（中英文）， 2021（24）：35-39.