建筑工程施工對臨近地鐵安全性影響因素分析

高 超，陳 濤，翟 超，潘小波，黃亞德

(天津市勘察院， 天津 300191)

建筑工程施工過程中，由于工程樁施工、基坑降水、基坑開挖卸載、主體結(jié)構(gòu)施工加載等因素會造成土體變形，導(dǎo)致附存于地層中的既有地鐵隧道及車站結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生移動和變形，進而引起車站結(jié)構(gòu)受力的變化，與車站主體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的重要結(jié)構(gòu)物也將發(fā)生移動和變形。因此，既有地鐵隧道和車站結(jié)構(gòu)變形的有效控制是選擇其周邊后建工程地下圍護結(jié)構(gòu)及施工工序的關(guān)鍵。目前，針對該類工程問題，處于經(jīng)驗總結(jié)階段，基礎(chǔ)理論數(shù)字化和模型化成果并不多。工程人員多采用經(jīng)驗法確定基坑工程和主體結(jié)構(gòu)施工對臨近地鐵影響，但結(jié)果多有偏差。如果不能正確有效地評估建筑工程施工對臨近地鐵的影響，則會導(dǎo)致很大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此正確評估建筑工程施工對臨近地鐵影響工作意義重大。本文先分析了建筑工程施工對臨近地鐵安全性影響因素，后針對哈爾濱某建筑工程，借助有限差分軟件FLAC3D進行基坑開挖對臨近地鐵安全性影響預(yù)評估。

1 影響因素分析

1.1 工程樁施工

工程樁施工對地鐵影響主要有：

(1) 擠土：由于樁入土擠壓周圍土層造成土體變形。

(2) 振動：打樁過程中在樁錘沖擊下，樁體產(chǎn)生振動，振動波向四周傳播[1-2]。該動力荷載會影響地鐵隧道及車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其危害程度主要由錘擊能量、樁距、地鐵與工程樁距離、地鐵施工質(zhì)量等因素決定。輕則地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫或原有裂縫進一步擴展；重則導(dǎo)致地鐵產(chǎn)生不均勻沉降，影響地鐵正常運營。

(3) 超靜水壓力：土體中的孔隙水壓力在樁體擠壓下產(chǎn)生很高的壓力，該高壓力水向四周滲透時亦會給地鐵帶來危害。

(4) 流砂：遇流砂后，在工程樁施工時流砂造成周邊土層塌陷，從而使周圍土層及地鐵產(chǎn)生沉降。

1.2 基坑降水

基坑降水時，止水帷幕如果沒有截斷含水層，坑內(nèi)外形成孔壓差，勢必會造成坑外水位下降，土體固結(jié)變形，進而造成基坑地表沉降[3]，以及因此產(chǎn)生的管線破壞，臨近地鐵開裂等工程事故。目前，超大深基坑降水基本上是完全截斷潛水含水層，部分或者完全截斷承壓含水層。當采用部分截斷承壓含水層止水帷幕時，在抽取承壓水降壓防止基坑突涌過程中，承壓含水層中所形成的水位降落漏斗會引起土體固結(jié)沉降，且影響范圍(10倍～15倍開挖深度以上)遠大于常規(guī)基坑開挖造成的影響(2倍～4倍開挖深度)。徐新等[4]運用FLAC3D流固耦合軟件分析基坑降水對周邊建筑物影響，發(fā)現(xiàn)降水后期要比前期對周邊建筑物不均勻沉降影響顯著。2011年11月，上海浦東世紀大道某基坑工程因承壓水頭降低造成臨近地鐵發(fā)生嚴重不均勻沉降，考慮到地鐵安全性，采取基坑回灌技術(shù)防止地鐵沉降持續(xù)增大，但該工程已完全終止，造成直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元[5]。

1.3 基坑開挖

基坑開挖是一個土體應(yīng)力釋放過程，此過程導(dǎo)致基坑支護結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)外土體產(chǎn)生應(yīng)力重分布，引起基坑支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)移動，墻后土體受擾動產(chǎn)生水平位移和不均勻沉降。此變形將打破臨近地鐵原有的受力平衡體系，使地鐵產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形[6-11]。若地鐵結(jié)構(gòu)能夠承受上述附加應(yīng)力和變形，造成影響不大的情況下地鐵仍能正常運行。否則就會遭受損傷破壞，破壞形式主要有：隧道變形或錯位、襯砌被壓壞等。針對基坑開挖引起臨近地鐵變形問題，眾多學者采用了不同方法(理論分析、數(shù)值建模、室內(nèi)模型試驗等)進行探討分析。Han Y H等[12]通過有限元分析得出，深基坑開挖造成臨近地鐵水平位移較大。林杭等[13]通過FLAC3D軟件分析得出隧道變形隨著基坑深度和寬度增加而增加。

1.4 主體結(jié)構(gòu)施工

主體結(jié)構(gòu)施工是一個加載過程，此過程同樣將對土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致土體產(chǎn)生應(yīng)力重分布，土體受壓產(chǎn)生不均勻沉降。此沉降將打破臨近地鐵原有的受力平衡體系，使地鐵產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形。

上述四種影響因素主要是通過附加應(yīng)力，導(dǎo)致地鐵隧道及車站變形，變形過大或者差異變形都會引起隧道和車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，滲漏等危害，情況嚴重時會影響地鐵運營和地鐵結(jié)構(gòu)自身安全，見圖1～圖6。

圖1 隧道頂部漏水 圖2 車站結(jié)構(gòu)頂部漏水

圖3道床漏水圖4道床滲出泥漿

2 基坑開挖對地鐵影響分析

基坑開挖會影響臨近地鐵隧道和車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性[14-18]。另外，為保證地鐵安全運營，允許結(jié)構(gòu)變形非常小。因此，需采用技術(shù)手段預(yù)測基坑開挖等因素對臨近隧道和車站結(jié)構(gòu)的影響程度及可能帶來的危害，從而對相關(guān)工程的施工方案、設(shè)計、加固及地鐵運營管理提出指導(dǎo)性的意見，對危險部位事先采取防范措施，回避風險。

圖5道床裂縫(寬度5mm)圖6車站走廊地表裂縫(方向與軌道方向一致)

本文以哈爾濱某建筑工程為例，采用FLAC3D有限差分軟件，考慮土體小應(yīng)變變形，建立FLAC3D數(shù)值模型，按照實際開挖工況進行分析并求取基坑臨近地鐵隧道和車站結(jié)構(gòu)變形值，根據(jù)規(guī)范及地鐵部門提供的變形控制值，評價基坑臨近地鐵的安全性。

2.1 變形控制值

既有地鐵安全運營的控制指標和標準應(yīng)從結(jié)構(gòu)變形、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、建筑限界三個方面來考慮制定，且一般采用變形控制指標作為主要控制指標。根據(jù)該臨近地鐵現(xiàn)狀及周邊設(shè)施，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗并結(jié)合理論計算分析，制定本工程變形控制指標及標準見表1。

表1 周邊地塊施工期間地鐵車站及隧道控制指標

2.2 工程概況

本工程基坑開挖深度為2.0 m～2.3 m。支護方案為放坡開挖，放坡1∶1。西北側(cè)坡頂距離地鐵車站地下室外墻約16.69 m，北側(cè)坡頂距離地鐵隧道內(nèi)壁外邊線最近約15.86 m。東側(cè)距離2層公建最近約9.2 m，距離7層公建約20.4 m，距離民強大街約39.40 m。西側(cè)(偏北)距離3層公建約23 m。

2.3 三維模型

模型的范圍必須要足夠大，能夠覆蓋基坑開挖可能影響的區(qū)域，同時又要兼顧計算效率。根據(jù)現(xiàn)行國家和地方規(guī)范的要求，參考已有的研究成果，最終確定模型長度為196.0 m，寬度為160.0 m，高度為40.3 m。網(wǎng)格劃分原則為基坑附近密集，遠處稀疏。模型共有節(jié)點67 502個，單元7 177個。由于基坑周邊臨近建筑物較多，為了便于計算分析并取得較為準確的計算結(jié)果，對模型進行了一定的簡化。基坑周邊的各類建筑，坑外地面堆載、打樁施工荷載等效施加在模型中。并考慮立柱樁對基坑土體的加固作用。三維模型包括的部件主要有：坑內(nèi)土體、坑外土體，地鐵隧道及車站等。模型主要部件見圖7，裝配效果見圖8。土體模型按照地勘報告進行分層分段劃分(見圖9)，土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，地鐵車站及隧道采用彈性模型，開挖部分用Null模型。整個模型底部為固定約束，前后左右為法向約束。初始水位位于自然地面以下3 m處?；又苓吺┘庸ぷ骱奢d20 kPa，各臨近建筑物在相應(yīng)位置加上其等效荷載。

圖7 模型中主要部件及相對位置

圖8 模型裝配效果圖及網(wǎng)格劃分

圖9土層劃分

2.4 計算結(jié)果

通過三維模型的計算分析，獲得了基坑開挖變形及對周邊環(huán)境的影響結(jié)果，基坑變形情況如圖10～圖14所示，所有圖中變形數(shù)值為累計值，單位為m。

圖10 基坑變形圖

圖11 地鐵隧道變形圖(豎向)

圖12 地鐵隧道變形圖(水平向)

圖13 地鐵車站變形圖(豎向)

圖14地鐵車站變形圖(水平向)

圖10為基坑開挖后變形云圖，基坑開挖后，周圍土體有向基坑滑動的趨勢，坑底土體向上隆起。圖11、圖12分別為地鐵隧道豎向變形云圖和水平向變形云圖，基坑開挖后，在滑動土體壓力作用下，地鐵隧道發(fā)生變形，越是靠近基坑，地鐵隧道變形越大。圖13、圖14分別為地鐵結(jié)構(gòu)豎向變形云圖和水平向變形云圖，基坑開挖后，在滑動土體壓力作用下，地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，地鐵結(jié)構(gòu)臨近基坑拐角處(見圖7)變形最大。

2.5 變形分析

2.5.1 變形統(tǒng)計

通過對計算結(jié)果的整理，變形情況(累計值)如表2所示。

表2 基坑及地鐵變形統(tǒng)計表

2.5.2 變形分析

(1) 地面沉降分析：

從以上計算成果及變形統(tǒng)計表可以看出本次基坑開挖對周邊環(huán)境有一定影響。沉降主要發(fā)生在坡頂后一倍的坑深范圍內(nèi)，基坑開挖造成地表累計最大沉降為2.1 mm。

(2) 地鐵隧道分析：

① 變形趨勢分析從計算結(jié)果可以看出，基坑的坑底隆起使得地鐵隧道發(fā)生一定變形，隧道主要變形趨勢為水平指向坑內(nèi)并伴有一定的上升(見圖10、圖11)。

② 變形定量分析?；油馏w開挖造成的隧道變形，累計最大豎向位移為0.89 mm；累計最大水平位移(x方向)為0.54 mm。

(3) 地鐵車站分析：

① 變形趨勢分析。從計算結(jié)果可以看出，基坑開挖造成的坑底隆起使得地鐵車站發(fā)生一定變形，車站主要變形趨勢為水平指向坑內(nèi)并伴有一定的上升(見圖12、圖13)。

② 變形定量分析。基坑開挖造成的車站變形，累計最大豎向位移為0.96 mm；累計最大水平位移(x方向)0.67 mm。

數(shù)值計算分析結(jié)果表明，地鐵車站和隧道在基坑開挖施工過程中，各項變形指標數(shù)值均處在變形控制標準之內(nèi)，符合相應(yīng)的評估標準，地鐵結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié) 論

建筑項目施工對臨近地鐵變形影響重大，涉及到建筑項目施工全過程，其中主要影響因素為：工程樁施工、基坑降水，基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。因此，對建筑項目臨近地鐵進行施工全過程預(yù)測分析并評估地鐵安全性極為重要。本文采用的數(shù)值模擬手段(FLAC3D有限差分軟件)能夠較好地分析項目施工對臨近地鐵影響，為以后評估基坑開挖對地鐵安全性提供一種操作可行的辦法。

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