城市軌道交通深基坑周邊建筑物安全評判方法

龔迪快 成怡沖 湯繼新 藍建中

城市軌道交通深基坑周邊建筑物安全評判方法

龔迪快1成怡沖1湯繼新2藍建中2

（1.浙江華展工程研究設計院有限公司，315012，寧波；2.寧波市軌道交通集團有限公司，315012，寧波//第一作者，高級工程師）

根據(jù)以往研究成果以及寧波市軌道交通1、2號線已建地鐵車站深基坑及周邊建筑物變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，認為建筑物與基坑之間的距離以及建筑物抵抗變形的能力是影響基坑外建筑物安全的主要因素。提出了城市軌道交通深基坑周邊建筑物安全的評判方法。與風險評估方法不同，該方法更側(cè)重于對基坑外建筑物安全的評估，評判結(jié)果更為嚴格與合理，可為鄰近軌道交通深基坑的建筑物保護提供參考。

城市軌道交通；深基坑；建筑物安全；評判方法

城市軌道交通建設所涉及的深基坑通常緊鄰周邊建（構）筑物與管線。因此，深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響顯得尤為重要。有必要在工程動工前對深基坑本身及其周邊建（構）筑物進行工程風險分析與安全評估，為制定深基坑工程的圍護設計方案和施工方案以及周邊建筑物加固措施等提供依據(jù)，幫助決策者進行科學的決策，以減少工程事故的發(fā)生。

文獻［1］涉及的風險評估方法雖已在實際工程中得到廣泛應用，但未考慮不同地區(qū)、不同工程環(huán)境的特殊性。以寧波市軌道交通建設的工程環(huán)境為例，寧波屬于典型的軟土地區(qū)，該地區(qū)軟土具有天然含水量高、壓縮性大、強度低、滲透性差、抗剪強度指標變化范圍大等特點，其工程地質(zhì)性質(zhì)劣于天津及上海的軟土；另外，寧波市建成于90年代的老房屋普遍采用已被淘汰的Φ377 mm沉管灌注樁，該樁型抵抗側(cè)向變形能力差且樁底多位于軌道交通深基坑坑底位置。故這類緊鄰基坑的建筑物存在極大的安全隱患。可見，建立適合于寧波軌道交通深基坑周邊建筑物的安全評判方法十分必要。

本文基于已投入運營的寧波市軌道交通1、2號線地鐵車站深基坑及周邊建（構）筑物變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了正常設計與施工條件下城市軌道交通車站深基坑周邊建筑物的安全狀況，并結(jié)合相關規(guī)范和文獻的研究成果，建立了相應的建筑物安全評判方法。

1 軌道交通深基坑周邊建筑物變形統(tǒng)計與分析

1.1 建筑物離基坑的距離與變形之間的關系分析

基坑施工過程中，由于圍護結(jié)構的側(cè)向變形以及坑底土體的回彈隆起，坑外土體將不可避免地產(chǎn)生豎向和水平向位移，從而導致坑外建（構）筑物產(chǎn)生變形。文獻［2］表明：正常情況下，離基坑越遠，土體變形越小。這意味著坑外建筑物的變形大小與建筑物離基坑的距離存在著一定的相關性。文獻［1，4］將基坑與周圍環(huán)境設施之間的距離作為基坑施工對環(huán)境影響分級的重要依據(jù)之一。表1列出了相關規(guī)范中坑外設施與基坑距離遠近的評價標準。

文獻［1］反映了南方軟土地區(qū)軌道交通建設的情況，而文獻［4］則以北京的地質(zhì)情況為標準。不難看出，后者對于基坑與周圍環(huán)境設施鄰近關系的限定要寬于前者。這是因為：北京市城區(qū)主要為第四系沖洪積地層，基巖埋藏較深，地層分布以黏性土、砂土和礫卵石為主，施工引起的變形相對較?。ㄅc南方地下水位較高的軟土地區(qū)和復合地層地區(qū)有很大不同）。這說明，不同地區(qū)應根據(jù)當?shù)毓こ痰刭|(zhì)情況（基坑施工影響程度及范圍的大?。┐_定合理的坑外設施與基坑距離的評價標準。

表1 基坑與周圍環(huán)境設施的鄰近關系

通過對寧波軌道交通1號線18個車站基坑工程實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，其坑外地表沉降的統(tǒng)計結(jié)果見圖 1［4］。

圖1 地表沉降分布范圍

由圖1可知，深基坑圍護墻墻后地表沉降均被包絡于一個梯形的區(qū)域內(nèi)，坑外地表最大沉降落于0＜d/H≤1.5范圍內(nèi)，且在該范圍內(nèi)任意位置都可能發(fā)生0～ δvm的沉降。坑外地表沉降在1.5＜d/H≤4.0內(nèi)逐漸衰減至可以忽略。其中，當1.5＜d/H≤ 2.5時，沉降變化范圍為0～0.7δvm；當2.5＜d/H≤4.0時，沉降變化范圍為0～0.4δvm。故基坑坑外1.5倍及2.5倍坑深可作為劃分軌道交通深基坑與鄰近建筑關系的重要界限。

經(jīng)統(tǒng)計，寧波軌道交通車站深基坑標準段深度普遍在17～18 m，端頭井深度在18～20 m，基坑長寬比為8～10?；哟蠖嗖捎?00 mm厚地下連續(xù)墻，結(jié)合1或2道鋼筋混凝土支撐加4道鋼支撐的支護形式?？拥滓话阄挥?-1或3-2層粉質(zhì)黏土層，地下連續(xù)墻墻趾主要位于5或6層粉質(zhì)黏土層。在支護形式、土層條件、施工水平等基本相同的情況下，車站深基坑施工引起的坑外土體變形的變異性不大。就基坑施工對建筑物的變形影響而言，建筑物距基坑坑邊的距離與基坑開挖深度的比值為最主要的影響因素。

由寧波市軌道交通1、2號線車站基坑周邊建筑物變形的統(tǒng)計結(jié)果（見圖2）可知，發(fā)生明顯裂縫的建筑物都處于1.5倍坑深范圍內(nèi)，對于2.5倍坑深范圍外的建筑物，未發(fā)現(xiàn)顯著破壞。

圖2 建筑物最大沉降量與建筑物距基坑坑邊的距離關系統(tǒng)計圖

1.2 建筑物抵抗變形的能力分析

風險評估的相關規(guī)范因僅關注由于基坑開挖導致周邊環(huán)境破壞的宏觀后果（如經(jīng)濟損失、工期延誤、社會影響等），故在對周邊建筑物進行風險評估時，除考慮表1中基坑與周圍環(huán)境設施的鄰近關系外，還應重點考慮建筑物自身的重要性。然而，從軌道交通建設的實際而言，即使是一般的居民房屋，施工導致房屋細微開裂（美觀破壞）都會引起居民恐慌。故僅考慮建筑物的重要性進行風險分級并未充分照顧周邊群眾的心理和需求，難以達到“和諧共建”的目的。因此，對于周邊建筑物的分類和分析還需作進一步細化，使建立的安全評判標準更具現(xiàn)實意義。

建筑物抵抗變形的能力（以下簡稱“建筑剛度”）與建筑物的結(jié)構類型（或?qū)訑?shù)）、長高比、基礎類型、材料老化情況（使用年份）、可能的結(jié)構調(diào)整以及加固等多種因素相關。文獻［5-6］的實測結(jié)果顯示，不同基礎類型的建筑物對于深基坑施工引起的建筑物變形的抵抗能力不同，樁基礎在這方面要優(yōu)于淺基礎。但樁基礎在抵抗基坑施工引起坑外土體變形的同時，其自身也將產(chǎn)生附加變形與內(nèi)力。因此，對于采用樁基礎的建筑物，不僅要關注基坑施工導致的上部結(jié)構變形，還要對下部樁基的受力變形情況加以重視。文獻［7］通過對軟土地區(qū)數(shù) 10棟建筑物的實地調(diào)查，提出建筑物的長高比是衡量磚墻承重結(jié)構建筑物剛度的主要指標。建筑物長高比越小，其整體剛度越大，調(diào)整不均勻沉降的能力就越強；反之，建筑物的長高比越大，整體剛度越小，調(diào)整不均勻沉降的能力也就越弱。文獻［8］綜臺建筑物的長高比、結(jié)構類型以及有（無）樁等情況來判斷建筑物的整體剛度，將建筑物分為大剛度建筑物和小剛度建筑物兩類。并認為大剛度建筑物可用傾斜度作為其破壞指標，而小剛度建筑物可用裂縫寬度作為其破壞指標。通過以上文獻以及多年的工程實踐可知，建筑物的基礎類型、結(jié)構類型以及長高比對于建筑剛度的影響最為顯著。

圖3為寧波市軌道交通1、2號線車站基坑周邊建筑物變形統(tǒng)計圖。由圖3可知：① 建筑物長高比越大，建筑剛度越??；對于距基坑坑邊1.5倍坑深范圍內(nèi)的建筑物，當長高比大于 1.5時，具有產(chǎn)生裂縫的可能。② 3層以下建筑物的沉降變化范圍最大，3～7層建筑物的沉降變化范圍為 0～20 mm，而高層建筑物的沉降更小，故建筑剛度為：框架＜磚混＜磚木；若從建筑層數(shù)的角度考慮，建筑剛度為：高層＜多層＜低層。③ 采用樁基礎的建筑物的平均沉降明顯小于采用淺基礎的建筑物，可見，樁基礎抵抗變形的能力大于淺基礎。

2 軌道交通深基坑周邊建筑物受損評級

為建立軌道交通深基坑周邊建筑物的安全評判方法，首先應對建筑物最終的安全狀態(tài)或損壞程度進行定級。文獻［9］根據(jù)砌體墻體最大裂縫可修復的難易程度，給出了建筑物損壞程度的分級說明，如表2所示。對于城市中的建筑物，往往由工程引起的極小裂縫都可能引起居民恐慌，故按照建筑物裂縫評判建筑物安全時，其分級應偏于保守。表 2中，對于損壞類別0和 1是可以忽略的，對于損壞類別2是可接受的，對于損壞類別3是難接受的，而對于損壞類別4和 5是不可接受的。

圖3 寧波市軌道交通車站基坑周邊建筑物變形統(tǒng)計圖

表2 建筑物損壞程度分級說明

文獻［10］根據(jù)建筑物的最大沉降值和最大傾斜度劃分基坑周邊建筑物的風險等級，如表 3所示。需要指出的是，不同地區(qū)建筑物沉降與對應的風險等級應是不同的。文獻［11］根據(jù)已收集的上海地區(qū) 13棟鋼筋混凝土結(jié)構受基坑開挖影響的資料，發(fā)現(xiàn)當建筑物總沉降量為60 mm以上時，建筑物出現(xiàn)了不同程度的損壞；根據(jù)已收集的上海地區(qū) 27棟磚混結(jié)構受基坑開挖影響的資料，發(fā)現(xiàn)當建筑物總沉降量為40 mm以上時，絕大部分建筑物出現(xiàn)了不同程度的損壞。以上數(shù)據(jù)可為軟土地區(qū)由基坑開挖引起的建筑物沉降控制提供參考。

表3 基坑周邊建筑物的風險等級

GB 20811—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》規(guī)定，當無地方經(jīng)驗時，對于風險等級較低且無特殊要求的建（構）筑物，沉降控制值宜為 10～30 mm。建筑物在該沉降范圍內(nèi)產(chǎn)生的損壞程度是可接受的。

綜合以上文獻、規(guī)范及寧波地區(qū)經(jīng)驗，對建筑物受損狀態(tài)分級見表 4。由表 4可知，當建筑物裂縫寬度、最大沉降值及最大傾斜度之一滿足表4受損等級對應值時，即取該等級為建筑物受損等級。

表4 建筑物受損狀態(tài)分級

3 軌道交通深基坑周邊建筑物的安全性評價

基于寧波軟土地區(qū)軌道交通深基坑及周邊建筑物變形實測結(jié)果，得到基坑與周邊建筑物鄰近關系評級，如表 5所示。

對于非軟土為主要土層的地區(qū)，以及深度不大且體量較小的車站附屬基坑，由于基坑開挖導致的相對變形較小，使用表5中建筑物與基坑的相對位置關系的界定須根據(jù)實際情況進行調(diào)整。此外，表 5并未對基坑外是否有行駛重車的情況進行區(qū)分。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，基坑外行駛重車導致的坑外超載及振動是建筑物產(chǎn)生變形的重要原因。因此，應盡量避免基坑坑邊行駛重車。

綜合建筑物長高比、結(jié)構類型及基礎類型得到建筑剛度評級，如表 6所示。

表5 基坑與周邊建筑物鄰近關系評級（K 1）

表6 建筑剛度評級（K 2）

需要說明的是：① 寧波市建成于90年代的老房屋普遍采用已被淘汰的 Φ377 mm和 Φ426 mm沉管灌注樁，這類樁的樁長與軌道交通深基坑開挖深度相近，且這類樁的施工質(zhì)量良莠不齊，安全隱患較大。考慮到樁基的存在對于控制建筑物沉降雖有利，但其實際效果又難以分析。因此，對于短樁基礎，按上部結(jié)構類型分為混凝土結(jié)構和非混凝土結(jié)構，分別對應樁基和淺基取其剛度等級。② 由于建筑物本身體型特點以及建筑物在使用過程中受到內(nèi)、外部因素的影響，其在基坑開挖前的初始剛度（即對變形的敏感程度）是不同的。如遇建筑物平面較不規(guī)則、建筑物為主裙連體結(jié)構、建筑物現(xiàn)狀變形過大、建筑物已出現(xiàn)建筑性損壞、建筑物經(jīng)歷過結(jié)構性調(diào)整等情況，因其對建筑物初始剛度的影響難以定量考慮，故針對此類建筑物，其建筑剛度等級可在表6的基礎上降低一級；另外，根據(jù) GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》的風險等級評判結(jié)果，對于重要建筑物，即省市級以上的保護古建筑物、高度超過 15層（含）的建筑物以及年代久遠、基礎條件較差的重點保護建筑物，其建筑剛度等級應降低一級。

基坑開挖導致的周邊建筑物變形是基坑、土體及建筑物相互作用的結(jié)果。基坑外建筑物的變形與基坑和建筑物的距離以及建筑剛度相關。因此，得到K1和 K2組合下對應的建筑物安全等級評判方法，如表 7所示。

表7 建筑物安全評級（K）

對于軌道交通深基坑周邊不同安全等級的建筑物，表 8給出了對應的處理建議以及建議應對的牽頭部門，以供參考。

表8 不同安全等級下建筑物的處理建議

采用文獻［1］推薦的風險評估方法以及本文提出的建筑物受損等級和建筑物安全等級評判方法對寧波市軌道交通 1、2號線周邊 22幢建筑物進行評級，如表 9所示。由表 9可知，實際建筑物的受損等級與風險等級并不能很好吻合，這是因為建筑物的風險等級與建筑物變形之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。如一般情況下，鄰近車站深基坑的具有深基礎的高層建筑物風險等級較高，但實際變形較小。盡管建筑物安全評級與建筑物風險評級的側(cè)重點不同，但考慮到建筑物的安全評級方法及其結(jié)果可為后續(xù)建筑物的保護措施提供依據(jù)。因此，建筑物安全等級應取建筑物受損等級與風險等級的較高者。表 9中的建筑物安全等級包絡了受損等級及風險等級，具有一定的合理性。

4 結(jié)論

本文基于寧波市軌道交通深基坑建設中的監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)有研究成果，提出從建筑物與基坑的距離以及建筑剛度兩方面入手來對鄰近軌道交通深基坑的建筑物進行安全性評價。主要結(jié)論如下：

（1）不同地區(qū)深基坑施工影響程度及范圍不同，應根據(jù)當?shù)毓こ痰刭|(zhì)情況確定合理的坑外設施與基坑距離的評價標準。寧波地區(qū)軟土的工程特性差，對于建筑物與基坑臨近關系的界定應更為嚴格。

表9 寧波市軌道交通1、2號線周邊建筑物變形匯總與評級

（2）建筑剛度受多種因素的影響，其中，建筑結(jié)構類型、長高比及基礎類型對于建筑剛度的影響最為顯著。

（3）與風險分析方法側(cè)重于對事故損失的判定不同，本文更側(cè)重于對基坑坑外建筑物安全性的評估，評判結(jié)果更為嚴格與合理。

本文所涉及的建筑物安全性的評級方法是根據(jù)寧波市軌道交通 1、2號線路的 22處建筑物統(tǒng)計結(jié)果得出的。相對而言，目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少，其中數(shù)據(jù)主要來自于以淺基與短樁為基礎的磚混建筑物。對于其他結(jié)構類型或基礎類型的建筑物，還需結(jié)合寧波市軌道交通后續(xù)工程的建設，進一步補充實測數(shù)據(jù)，以完善評判方法。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī) 范：GB 50652— 2011［S］.北 京 ：建 設 工業(yè) 出 版 社 ，2011.

［2］ 鄭剛，焦瑩.深基坑工程設計理論及工程應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 北京城建設計研究總院有限責任公司，北京安捷工程咨詢有限公司.城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規(guī)范：DB11/1067— 2013［S］.北 京 ：北 京 市 規(guī) 劃 委 員 會 ，北 京 市 質(zhì) 量 技術監(jiān)督局，2014.

［4］ 劉曉虎.寧波軌道交通深基坑工程變形規(guī)律及反饋分析［D］.寧波：寧波大學，2012.

［5］ 史春樂，王鵬飛，王小軍，等.深基坑開挖導致鄰近建筑群大變形 損 壞 的 實 測 分 析［J］.巖 土 工 程 學 報 ，2012，34（S）：512-518.

［6］ 閤超，劉秀珍.某深基坑安全開挖引起臨近建筑物較大沉降的實 例 分 析［J］.巖 土 工 程 學 報 ，2014，36（S2）：279-282.

［7］ 陸承鐸.建筑物裂縫形成的原因探析與處理［J］.蘇州城建環(huán)保學 院 學 報 ，2000，13（2）：60-65.

［8］ 陳龍.城市軟土盾構隧道施工期風險分析與評估研究［D］.上海：同濟大學，2004.

［9］ Burland J B.Assessment of risk damage to buildings due to tunneling and excavations［Z］.Tokyo：1995.

［10］ 吳朝陽，吳紅華，李正農(nóng)，等.基于區(qū)間數(shù)理論的基坑周邊建筑物 風 險 模 糊 評 判［J］.湖 南 大 學 學 報 （自 然 科 學 版 ），2014，41（3）：7-13.

［11］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Safety Evaluation for the Buildings around Deep Foundation Pit of Urban Rail Transit

GONGDikuai，CHENGYichong，TANGJixin，LANJianzhong

According to previous research achievements and the measured deformation data from the constructed deep foundation pits of the stations and surrounding buildings on Ningbo urban rail transit Line 1 and Line 2，the distance between buildings and foundation pit，the resistance of buildings against deformation are considered as the major factors that affect the safety of buildings.Based on this conclusion，a safety evaluation method is presented for buildings around the deep foundation pit of urban rail transit.The proposed method is different from risk assessment，it can provide a reference for the protection of buildings adjacent to deep foundation pit of rail transit with stricter and more reasonable evaluation.

urban rail transit； deep foundation pit；building safety； evaluation method

U433：U231

10.16037/j.1007-869x.2017.10.011

First-author′s address Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research&Design，315012，Ningbo，China

2016-06-12）