地鐵車站深基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響分析研究

摘要 繁華鬧市區(qū)地鐵車站基坑開挖施工，往往會(huì)對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)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(hào)線鎮(zhèn)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(duì)象，通過建立土－支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算模型分析基坑開挖卸荷對(duì)建筑沉降和水平位移的影響，有利于進(jìn)一步指導(dǎo)工程安全施工，為同類車站基坑開挖提供安全施工經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)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(hào) U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0024-03

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，交通壓力大、城市空間利用率低逐漸成為限制城市發(fā)展和影響居民生活的主要因素。近年來，國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)不斷興起，掀起一陣建設(shè)熱潮，車站基坑作為地鐵建設(shè)的不可避免的重難點(diǎn)工程也隨之增多，由于不同地區(qū)的地質(zhì)條件存在著巨大差異性，以及車站基坑周邊存在著諸多復(fù)雜環(huán)境，使得基坑工程在選擇開挖方式和監(jiān)測(cè)手段時(shí)尤為重要。做好基坑開挖前的建模分析、過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，把基坑開挖對(duì)周邊建筑的影響降到最低，在最短時(shí)間內(nèi)完成基坑開挖、支護(hù)、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(duì)象，采用有限元建模，分析了地鐵車站深基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響，以各項(xiàng)研究結(jié)果數(shù)據(jù)作為施工及監(jiān)測(cè)參考依據(jù)，有效指導(dǎo)工程快速、安全推進(jìn)。

1 工程概況

該項(xiàng)目基坑為廈門地鐵1號(hào)線起點(diǎn)站鎮(zhèn)海路站基坑，基坑位于鎮(zhèn)海路上、沿鎮(zhèn)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(zhèn)海路站為地下二層（局部一層）的側(cè)式站臺(tái)車站[1]，標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)410.82 m。

鎮(zhèn)海路規(guī)劃路面寬度約21.5 m，路口交通繁忙，車站周邊現(xiàn)狀以商業(yè)、公共設(shè)施、軍事用地為主，周邊分布的建構(gòu)筑物有廈門市第一廣場(chǎng)大樓、廈門市婦幼保健醫(yī)院、千禧海景大酒店、海軍宿舍大樓、海軍醫(yī)院、廈門市思明區(qū)少年宮等。車站基坑開挖距現(xiàn)有建筑距離近：距軍區(qū)宿舍4.7 m、距千禧海景大酒店地下室3.8 m、距婦幼醫(yī)院地下室11.7 m。周邊建筑物環(huán)境如表1所示。

2 工程地質(zhì)條件

該工程所處場(chǎng)地為低山丘陵區(qū)，局部為殘積臺(tái)地區(qū)及濱海堆積區(qū)，現(xiàn)狀地面標(biāo)高4.9～14.7 m，高差9.8 m，地勢(shì)變化較大。周邊外擴(kuò)至緊鄰既有建筑物，地下管網(wǎng)繁雜，幾乎包含全部的市政管網(wǎng)類型，環(huán)境條件復(fù)雜程度屬實(shí)復(fù)雜，開挖深度范圍內(nèi)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(shù)如表2所示。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合該工程特點(diǎn)、基坑挖深、面積、工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件等，本著安全、經(jīng)濟(jì)、合理、可行的原則，確定該項(xiàng)目基坑圍護(hù)基坑四周采用鉆孔灌注樁進(jìn)行圍護(hù)，樁間設(shè)止水帷幕，設(shè)計(jì)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(shè)兩道3Φ15.2 mm的錨索，豎向間距2.5 m，縱向間距2 m。

基坑標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)化花崗巖土層中，基坑采用明挖法施工。為方便施工現(xiàn)場(chǎng)交通疏解和管線改遷等工作，基坑采取了分期實(shí)施方案。

4 車站深基坑開挖對(duì)鄰近建筑影響分析

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

建模過程中樓板、圍護(hù)樁、水平支撐等結(jié)構(gòu)采用彈性單元模擬。為較真實(shí)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(gòu)模型進(jìn)行模擬。

4.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型邊界取值范圍為基坑兩側(cè)邊線各40 m、高35 m范圍。模擬對(duì)象為各土層、圍護(hù)樁、支撐、主體結(jié)構(gòu)及右側(cè)建筑與基坑相距最近的斷面，鋼支撐預(yù)加軸力、施工步驟等參數(shù)按設(shè)計(jì)要求取值。

利用15個(gè)結(jié)點(diǎn)三角形單元對(duì)土體進(jìn)行模擬計(jì)算，板單元模擬為擋土墻，與土體的接觸面可用10個(gè)點(diǎn)無(wú)厚度接觸面單元模擬，水平支撐視為彈性桿件，網(wǎng)格劃分精度選擇細(xì)程度，這樣既能減少計(jì)算時(shí)間又能得到較為理想的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1所示。

4.2 計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)關(guān)系采用考慮卸荷效應(yīng)的HS強(qiáng)化土體模型，在確定HS模型參數(shù)時(shí)，綜合考慮地質(zhì)勘查報(bào)告、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、工程經(jīng)驗(yàn)以及類似項(xiàng)目的參數(shù)取值等多種因素，各土層計(jì)算參數(shù)取值如表3所示。

根據(jù)該工程勘察報(bào)告，開挖深度范圍內(nèi)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(shù)一般在20～90 m/d，各土層透水性較好，土體在模型中設(shè)置為排水材料。

把圍護(hù)樁按側(cè)向及軸向剛度等效成連續(xù)墻進(jìn)行分析和計(jì)算，右側(cè)建筑為7層的一般框架結(jié)構(gòu)，相距開挖邊線為8 m，跨度為17.5 m，計(jì)算中分別把水平構(gòu)件梁、板和豎向構(gòu)件墻、柱等效成地下連續(xù)墻用板單元模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的計(jì)算參數(shù)如表4和表5所示，框架結(jié)構(gòu)的梁板、墻柱的計(jì)算參數(shù)如表6所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐假設(shè)為線彈性材料來考慮[4]。

4.3 結(jié)果分析

通過模型計(jì)算得出如下結(jié)果，如表7～9所示。

結(jié)果表明：

（1）基坑右側(cè)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(cè)的底部角點(diǎn)附近。（2）右側(cè)圍護(hù)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(cè)圍護(hù)樁最大水平位移4.65 mm（位于樁頂），方向朝向坑外圍護(hù)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(cè)底部沉降為最大沉降（3.84 mm），遠(yuǎn)離基坑側(cè)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(gòu)件均發(fā)生輕微的上凸撓曲變形，底部構(gòu)件彎矩最大值642.31 kN/m，剪力最大值466.67 kN/m，靠基坑側(cè)豎向構(gòu)件彎矩最大值633.62 kN/m，剪力最大值為234.03 kN/m。經(jīng)分析比較，建筑的水平位移和沉降值滿足變形控制要求，內(nèi)力值滿足承載力要求。

分析結(jié)果得出：

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

因此在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)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(cè)量，確保在整個(gè)施工過程中建筑物的安全，把施工對(duì)周圍建筑物變形的影響減到最小[5]。

4.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在深基坑分步開挖過程中，對(duì)基坑旁建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表10所示。

從實(shí)測(cè)結(jié)果與建模分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，實(shí)際情況與建模分析情況相一致。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過建模計(jì)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(duì)整個(gè)基坑開挖安全性進(jìn)行了綜合評(píng)估，針對(duì)建筑物及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及沉降重點(diǎn)位置落實(shí)過程監(jiān)控量測(cè)，確保把施工對(duì)周圍建筑物變形的影響減到最小，為后續(xù)施工提供了參考依據(jù)，可為類似項(xiàng)目提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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

[2]羅海鵬.鄰近建筑物的車站開挖爆破減振技術(shù)[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(biāo)準(zhǔn)化， 2008（4）：55-58.

[4]王浩然，王衛(wèi)東，徐中華.基于數(shù)值分析的預(yù)估基坑開挖對(duì)環(huán)境影響的簡(jiǎn)化方法[J].巖土工程學(xué)報(bào)， 2012（S1）： 108-112.

[5]黃軍華，周志健，劉鑫坤，等.鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵的深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)及控制措施[J].施工技術(shù)（中英文）， 2021（24）：35-39.