地鐵明挖基坑與建筑相鄰位置關(guān)系的判別

曹 平 唐 凱 李冀偉

(成都市建筑設(shè)計(jì)研究院，610015，成都∥第一作者，高級(jí)工程師)

地鐵工程一般位于城市密集區(qū)，其工程復(fù)雜，施工難度大，潛在的風(fēng)險(xiǎn)種類多，風(fēng)險(xiǎn)損失大[1]。為規(guī)范城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理，統(tǒng)一風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)施技術(shù)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，減少城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，國(guó)家和地方出臺(tái)了一系列的安全質(zhì)量管理辦法和風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范等[2-3]。

在地鐵建設(shè)中，由施工引起的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)尤為突出[4]。在城市軌道交通工程建設(shè)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理中,尤其要認(rèn)真做好環(huán)境的識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控工作,以降低環(huán)境的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[5]。文獻(xiàn)[6]分析了我國(guó)地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的必要性和緊迫性，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中存在的問(wèn)題提出了合理的建議。文獻(xiàn)[6-9]等研究大多集中于地鐵基坑的變形規(guī)律，而對(duì)于周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估研究甚少。GB 50625—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)對(duì)于建筑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估中的相鄰位置關(guān)系定義存在一定模糊性，導(dǎo)致明挖法施工地鐵基坑與周邊建筑相鄰位置關(guān)系的判別存在問(wèn)題，亟待完善。

1 建筑風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)與分級(jí)

1.1 地鐵明挖基坑工程與建筑鄰近位置關(guān)系分類

《規(guī)范》根據(jù)建筑上部結(jié)構(gòu)與地鐵基坑的最小距離L，對(duì)地鐵明挖基坑工程與周邊建筑的相鄰位置關(guān)系(以下簡(jiǎn)為“相鄰關(guān)系”)進(jìn)行分類，見表1。

表1 相鄰關(guān)系分類[1]

對(duì)于相鄰關(guān)系的判別，本文引入相鄰關(guān)系影響因子a，有

a=L/H

(1)

根據(jù)式(1)，表1相鄰關(guān)系分類可相應(yīng)調(diào)整為由a判別，見表2。

表2 相鄰關(guān)系影響因子與相鄰關(guān)系類別對(duì)應(yīng)表

由表2可知，a越小，地鐵基坑與周邊建筑越近，地鐵基坑施工對(duì)周邊建筑的影響風(fēng)險(xiǎn)越大。

1.2 建筑風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

綜合建筑重要性分類及相鄰關(guān)系，《規(guī)范》建立了城市軌道交通地下工程施工環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，見表3。

表3 城市軌道交通地下工程施工環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)[1]

由表3可知，周邊建筑的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由其重要性類別及相鄰關(guān)系綜合確定。可見，相鄰關(guān)系的準(zhǔn)確判別對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分尤為重要。

2 相鄰關(guān)系判別方法的改進(jìn)

2.1 相鄰關(guān)系判別的影響因素

根據(jù)上文可知，《規(guī)范》對(duì)鄰近關(guān)系的判別主要考慮H及L兩因素。但實(shí)際情況更為復(fù)雜。工程實(shí)踐和相關(guān)理論研究表明，地鐵基坑施工對(duì)周邊建筑最直接最敏感的影響是引起地基的變形，導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)的沉降和差異沉降，進(jìn)而引起建筑上部結(jié)構(gòu)的變形[10]。

如圖1所示：帶地下室的建筑A、建筑B及建筑C，其上部結(jié)構(gòu)均為9層框架結(jié)構(gòu)，且其上部結(jié)構(gòu)與地鐵基坑工程的水平距離均相等；僅因地下室層數(shù)不同而導(dǎo)致各建筑的基礎(chǔ)埋深不同，即地鐵基坑與建筑基礎(chǔ)的高差不同。如按《規(guī)范》判別，則地鐵基坑工程同建筑A、建筑B及建筑C的鄰近關(guān)系均相同，故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)也相同。然而工程實(shí)踐表明，由于建筑基礎(chǔ)埋深差異較大，建筑A、建筑B及建筑C的工程風(fēng)險(xiǎn)存在明顯的差異。

圖1 地鐵基坑與建筑平面關(guān)系圖

以北京地區(qū)某地鐵基坑為例，其基坑深度范圍內(nèi)的各地層物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 地層物理力學(xué)參數(shù)

按圖1和圖2所示的鄰近關(guān)系，建筑上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)體系，地鐵基坑工程深約為16.6 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁(樁徑為0.8 m，樁間距為1.2 m)，豎向設(shè)置3道鋼支撐。

圖2 地鐵基坑與建筑剖面圖

利用MIDAS GTS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，探討地鐵基坑與建筑鄰近關(guān)系對(duì)建筑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的影響。圖3～圖5為地鐵基坑開挖至底部后，建筑A、建筑B及建筑C的沉降云圖。

圖3 地鐵基坑對(duì)建筑A影響的沉降云圖

圖4 地鐵基坑對(duì)建筑B影響的沉降云圖

圖5 地鐵基坑對(duì)建筑C影響的沉降云圖

由數(shù)值分析結(jié)果可知：建筑A、建筑B及建筑C的最大沉降量分別是29.60 mm、18.64 mm及16.90 mm；建筑A最大沉降量比建筑C最大沉降量約大75.1%；建筑A、建筑B及建筑C的差異沉降分別是0.000 79、0.000 66、 0.000 54；建筑A差異沉降值比建筑C差異沉降值約大46.4%；建筑地基的主要變形路徑指向開挖后的基坑內(nèi)側(cè)。進(jìn)一步分析可知：隨著鄰近建筑基礎(chǔ)埋深的增大，鄰近建筑基礎(chǔ)與基坑坑底的豎向間距減小，地鐵基坑的坑底隆起和建筑鄰近基坑一側(cè)的沉降也隨之加劇，且建筑沉降和差異沉降均顯著增大。可見，建筑基礎(chǔ)與地鐵基坑的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)于其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響不容忽視。

建筑的上部結(jié)構(gòu)以墻、柱與基礎(chǔ)相連，基礎(chǔ)底面又直接與地基相接觸。一方面，由上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力通過(guò)建筑基礎(chǔ)傳遞給地基，進(jìn)而對(duì)鄰近的地鐵基坑工程產(chǎn)生側(cè)壓力引起基坑變形；另一方面，在建筑地基范圍內(nèi)的地鐵基坑變形，將引起建筑基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降和差異沉降，進(jìn)而引起建筑上部結(jié)構(gòu)的變形。因此，地鐵基坑變形和建筑變形是通過(guò)地基基礎(chǔ)沉降而相互作用的結(jié)果。

根據(jù)以上分析，結(jié)合《規(guī)范》的相關(guān)條款可知，地鐵基坑自身特征、地鐵基坑與建筑上部結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系、地鐵基坑與建筑基礎(chǔ)的位置關(guān)系是判別地鐵基坑與建筑鄰近位置關(guān)系的主要因素。如圖6所示具體參數(shù)為：①地鐵基坑深度H；②地鐵基坑與建筑地上結(jié)構(gòu)的水平距離L；③地鐵基坑與建筑地下結(jié)構(gòu)的水平距離l；④H與建筑基礎(chǔ)埋深h的高差Δh(Δh=H-h)。

圖6 相鄰關(guān)系判別的影響因素

2.2 地鐵基坑與建筑基礎(chǔ)的位置關(guān)系的影響

由工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果可知：建筑的風(fēng)險(xiǎn)隨著l的增大而減小，隨著Δh的增大而減??；建筑的沉降及差異沉降均隨著Δh的增大而減小。

2.3 相鄰關(guān)系影響因子的改進(jìn)

根據(jù)建筑風(fēng)險(xiǎn)與其影響因素的定性變化趨勢(shì)，結(jié)合建筑風(fēng)險(xiǎn)與相鄰關(guān)系影響進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：a隨H的增大而減小、隨L的增大而增大、隨l的增大而增大、隨Δh的增大而增大。此外，考慮到與《規(guī)范》既有規(guī)定的銜接，本文提出改進(jìn)后的相鄰關(guān)系影響因子b:

b=(L+l+H-Δh)/(3H)

(2)

根據(jù)b判別地鐵基坑與周邊建筑的鄰近位置關(guān)系見表5。

表5 地鐵明挖基坑工程與周邊建筑的鄰近位置關(guān)系分類改進(jìn)

2.4 按a與b進(jìn)行鄰近位置關(guān)系判別的對(duì)比

對(duì)于h≈1.5 m的淺基礎(chǔ)建筑，若H≈16.6 m，L=l，則a與b隨l的變化見圖7。由圖7可知：在相鄰關(guān)系影響因子介于0.7～1.0的區(qū)段，即“非常接近”與“接近”、“接近”與“較接近”的類別敏感區(qū)段，a與b差別不大，說(shuō)明本文的改進(jìn)方法與規(guī)范的評(píng)價(jià)方法相差較??；在“非常接近”和“不接近”范圍，a與b雖相差較大，但基本不影響相鄰位置關(guān)系的判別?？梢?，在判別地鐵明挖基坑與淺基礎(chǔ)建筑相鄰位置關(guān)系時(shí)，采用本文改進(jìn)方法與《規(guī)范》評(píng)價(jià)方法的結(jié)論基本一致。

圖7 淺基礎(chǔ)建筑相鄰關(guān)系影響因子的對(duì)比

當(dāng)H≈16.6 m，且L=12 m時(shí)，在l不同的條件下，相鄰關(guān)系影響因子隨Δh的變化見圖8。由圖8可知：如h1越小(即Δh越大)，或l越大，則a與b越接近，相鄰位置關(guān)系的判別趨于一致；反之，如l越小或h1越大(即Δh越小)，則本文改進(jìn)的相鄰關(guān)系影響因子同規(guī)范的計(jì)算方法偏離越大，相鄰關(guān)系分類的判別可能不一致。

圖8 l不同條件下相鄰關(guān)系影響因子的對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(GB 50625—2011),根據(jù)地下工程周邊環(huán)境設(shè)施重要性和鄰近影響距離關(guān)系評(píng)估周邊建筑風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)中相鄰關(guān)系的判別，通過(guò)引入相鄰關(guān)系影響因子的概念，結(jié)合考慮建筑基礎(chǔ)與地鐵基坑工程相對(duì)位置關(guān)系的影響，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，得出以下研究成果：

1) 影響建筑鄰近關(guān)系的主要因素為：地鐵基坑深度、地鐵基坑與建筑上部結(jié)構(gòu)的距離、地鐵基坑與建筑地下結(jié)構(gòu)距離、地鐵基坑與建筑基礎(chǔ)的高差。

2) 基于規(guī)范的基本思路，分析建筑鄰近關(guān)系的影響因素，并在規(guī)范的基礎(chǔ)上建立了相鄰關(guān)系影響因子與鄰近關(guān)系種類的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3) 通過(guò)分析地鐵基坑與建筑地下結(jié)構(gòu)的距離、地鐵基坑與建筑基礎(chǔ)的高差對(duì)建筑風(fēng)險(xiǎn)的影響，結(jié)合考慮相鄰關(guān)系影響因子與建筑風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，提出了考慮建筑基礎(chǔ)與地鐵基坑工程相對(duì)位置關(guān)系改進(jìn)的相鄰關(guān)系影響因子計(jì)算公式，并據(jù)此判別地鐵基坑與建筑的鄰近關(guān)系，改進(jìn)后的方法簡(jiǎn)單明了，可操作性強(qiáng)。

4) 對(duì)于基礎(chǔ)埋深小的建筑，改進(jìn)后的相鄰關(guān)系影響因子計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)規(guī)范的計(jì)算方法有一定的差別，但相鄰關(guān)系的類別判別基本一致。

5) 對(duì)于基礎(chǔ)埋深大的建筑，改進(jìn)后的相鄰關(guān)系影響因子計(jì)算方法與現(xiàn)規(guī)范計(jì)算方法的差別較大。由于本文改進(jìn)的計(jì)算方法考慮建筑基礎(chǔ)的影響，當(dāng)建筑基礎(chǔ)與地鐵基坑相距越小或建筑基礎(chǔ)埋深越大時(shí)，本文改進(jìn)的相鄰關(guān)系影響因子同規(guī)范的計(jì)算方法偏離越大，因此，相鄰關(guān)系的分類可能不一致。