成都地鐵車站深基坑施工對緊鄰建筑群變形的影響

楊偉，曾勇，宋建虎，朱光亞

(1．中鐵二局二公司，四川成都610091;2．西南交通大學峨眉校區(qū)，四川峨眉山614202; 3．西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

成都地鐵車站深基坑施工對緊鄰建筑群變形的影響

楊偉1，曾勇2，宋建虎1，朱光亞3

(1．中鐵二局二公司，四川成都610091;2．西南交通大學峨眉校區(qū)，四川峨眉山614202; 3．西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

針對成都地鐵3號線馬鞍北路站的深基坑工程，采用有限元方法建立了三維數值計算模型，利用現場實測數據對比驗證了理論分析模型的正確性，進而計算分析了深基坑施工不同階段緊鄰建筑群的變形規(guī)律。研究成果可為類似工程的設計和施工提供有益參考。

地鐵車站 深基坑 建筑群 變形

隨著我國城市化進程不斷加快，地鐵作為有效利用地下空間，緩解地面交通壓力的手段，在城市中應用越來越廣泛。然而，城市中建筑物密度大，施工環(huán)境復雜，地鐵施工尤其是明挖施工過程中，由于改變了土體力學平衡狀態(tài)，容易引起區(qū)域土體及周邊建筑物的變形，甚至帶來嚴重的安全問題［1-3］。因此，有必要對城市地鐵明挖施工時周圍建筑物的變形規(guī)律進行研究。本文以成都地鐵3號線馬鞍北路車站深基坑工程為例，采用有限元方法，結合現場監(jiān)測手段研究深基坑施工過程中緊鄰建筑群的變形問題。

1 工程概況

成都地鐵3號線馬鞍北路車站深基坑周邊，建筑物分布密集且距離基坑較近。其中，基坑周邊前鋒小區(qū)有5幢建筑物(如圖1所示)，距深基坑邊緣最小距離僅為3.5 m。圖1中建筑物長57.75 m，寬9.3 m，高21 m。建筑主體結構采用磚混結構，基礎采用條形基礎，基礎埋深2.95 m，主要由四部分構成，自下而上依次為混凝土墊層、混凝土底板、磚基礎、鋼筋混凝土地圈梁。

車站主體及站臺區(qū)間結構采用明挖順做法施工。圍護結構采用鉆孔灌注樁結合鋼支撐的形式。研究區(qū)段基坑開挖深度16.88 m，樁長20.33 m，采用φ1200 @2200 mm鉆孔灌注樁。共設置3道橫支撐。其中，第1道支撐為600 mm×800 mm混凝土支撐，第2、第3道支撐為鋼支撐，采用φ609 mm的鋼管支撐。各支撐安裝位置為:第1道支撐在－1.1 m處，支撐間距7 m，第2道支撐在－7.2 m處，支撐間距3.5 m，第3道支撐在－12.7 m處，支撐間距3.5 m，除了第1道支撐安裝在冠梁上外，第2，第3道支撐均安裝在鋼圍檁上。

整個基坑施工過程按照開挖及支護的時間順序分為7個階段，如表1所示。

圖1 基坑與相鄰建筑概況

表1 基坑開挖工況

2 計算模型

由于地鐵深基坑施工過程較為復雜，在使用有限元方法分析時常將土體視為彈性或彈塑性材料，并作出如下假設:①將巖土體視為連續(xù)均勻、各向同性介質，采用D－P屈服準則;②僅考慮土體自重應力的影響［4］。

利用大型通用有限元軟件Ansys建立三維實體模型模擬基坑開挖過程及建筑群的變形，如圖2所示，并利用生死單元實現基坑開挖過程以及支護結構作用的動態(tài)模擬［5］。

車站深基坑及鄰近建筑群區(qū)域的土層分布及物理力學參數如表2所示。

圖2 有限元模型

表2 土層分布

3 計算模型驗證

為驗證深基坑施工與建筑物變形的計算模型和計算結果的正確性，將33幢建筑物2個角點(如圖1所示)沉降變形計算值與相關現場實測數據進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 33幢建筑物角點沉降變形計算值與實測值對比

由圖3可知，33幢建筑物各角點的計算變形曲線與實測曲線基本一致，誤差值均不超過1 mm，計算值和實測值吻合度較高。由此判定，建立的計算模型符合要求。

4 計算結果及分析

4.1 水平位移

通過計算得到建筑群水平位移與深基坑開挖深度的關系。開挖至工況7時建筑群水平位移如圖4所示。

計算結果顯示，隨著開挖深度的不同，建筑群水平位移呈現出較為明顯的變化。隨著開挖深度的增加，鄰近建筑群水平位移逐步增長。

為進一步探明基坑開挖對緊鄰建筑群水平位移的影響，以小區(qū)33幢建筑(居中建筑物)為對象進行深入分析。深基坑開挖至不同深度時，建筑物4個角點產生的水平位移值如表3所示。

圖4 工況7(開挖深度16.88 m)建筑群水平位移(單位:m)

表3 33幢建筑物各角點水平位移mm

由表3分析可知，在同一工況下，車站基坑開挖引起建筑物各個角點的水平位移相差不大，靠近基坑角點的水平位移略大于遠離基坑角點的水平位移;隨著基坑開挖深度的加大，建筑物水平位移呈現出逐漸增大的趨勢。

4.2 沉降變形

通過計算得到土體及建筑物的沉降與車站深基坑開挖深度的關系。開挖至工況7時建筑群沉降變形如圖5所示。

圖5 工況7(開挖深度16.88 m)建筑群沉降變形(單位:m)

計算結果顯示，隨著開挖深度的增加建筑物的沉降逐漸增加，且五幢建筑的沉降基本一致。選取前鋒小區(qū)33幢的沉降數據進一步分析建筑物沉降變形規(guī)律，如表4所示。

由表4可知，建筑物沉降變形與開挖深度有密切關系。隨著開挖深度增加，建筑物沉降變形表現出逐漸增大的趨勢。開挖過程中，建筑物靠近基坑端的沉降始終大于遠離基坑端的沉降，但建筑物各角點沉降量不大，建筑物靠近基坑端的沉降最大值僅為9.87 mm。

當基坑開挖至16.88 m時，建筑物不均勻沉降達到最大值4.46 mm，由于建筑物長度為57.75 m，故建筑物傾斜率為0.08‰，遠小于4‰的規(guī)范要求。由此可知，基坑鄰近建筑群的最大沉降和不均勻沉降均滿足規(guī)范要求，表明該處深基坑支護結構的設計是合理的。

表4 33幢建筑物各角點沉降變形mm

5 結論

1)地鐵車站深基坑開挖過程中，鄰近建筑物靠近基坑側和遠離基坑側的水平位移基本保持一致;建筑物水平位移隨著開挖深度的增加而增大，水平位移增長趨勢隨著開挖深度增加而變緩。

2)地鐵車站深基坑施工時，鄰近建筑物沉降變形隨著開挖深度的增加而增大，建筑物靠近基坑側的沉降變形大于遠離基坑側的沉降變形，會造成建筑物的不均勻沉降，但不均勻沉降值較小，滿足規(guī)范要求。

3)地鐵車站深基坑施工會引起建筑物的變形，但只要采取的支護措施合理，便可將周邊建筑物的變形控制在規(guī)定范圍內，有效地減小基坑開挖帶來的不利影響。

［1］胡云龍．基坑開挖對既有地鐵結構變形影響的研究［J］．鐵道建筑，2013(6):85-87．

［2］陰紅宇，李天斌．成都某地鐵車站深基坑水平變形分析［J］．鐵道建筑，2013(3):97-100．

［3］郭建強，龔洪祥．地鐵車站深基坑施工對臨近建筑物影響的控制［J］．建筑科學，2008(9):91-95．

［4］霍潤科，顏明圓，宋戰(zhàn)平．地鐵車站深基坑開挖監(jiān)測與數值分析［J］．鐵道工程學報，2011(5):81-85．

［5］孟文清．基于ANSYS的地鐵車站深基坑支護設計［J］．河北工程大學學報(自然科學版)，2010(4):5-8，22．

(責任審編孟慶伶)

U231+．4;TU94+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．20

1003-1995(2015)03-0070-03

2014-09-10;

2014-12-10

楊偉(1975—)，男，重慶江津人，工程師。