地铁附属基坑开挖对临近建筑物的影响分析

刘福生, 申文明

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司， 浙江杭州 310004)

地铁附属基坑开挖对临近建筑物的影响分析

刘福生, 申文明

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司， 浙江杭州 310004)

结合宁波市轨道交通1号线工程某地铁车站附属基坑工程为背景，采用二维数值模拟的研究方法，分析附属基坑开挖引起的地层变化和对既有建筑物的影响。对基坑工程中，临近建筑物保护工程可实施性进行研究，提出相应保护方案。研究结果表明：在基坑围护桩周边设置灌注桩的措施，既保证也能有效降低基坑开挖对周边建筑变形影响，同时降低造价，减小拆迁，取得良好的经济和社会效益。

深基坑； 数值模拟； 建筑物保护； 地层变形

随着城市轨道交通的发展，根据线网规划和功能需要，地铁贯穿于道路狭窄、建筑物密集的老城区。老城区部分建筑物建设时期早，浅基础或无基础，且房屋结构刚度强度较小，地铁车站附属设置于建筑物周边。地铁车站附属临近建筑物，基坑开挖难免对既有建筑物产生扰动，引起一系列环境和施工风险。为了评价基坑开挖对周边建筑物影响，刘红岩等人采用有限元方法对基坑开挖进行模拟研究了不同条件下开挖基坑安全系数[1]。在此基础上，不少学者研究了基坑开挖对临近管线及地下建筑的影响[2-4]。通过与现场实测相结合的办法，预测基坑开挖相关影响取得了很大进步，为基坑设计提供了有价值的参考[5-7]。本文以宁波市轨道交通1号线一期工程某地铁车站附属基坑开挖为背景，采取数值方法对基坑开挖对附近建筑影响进行分析，并通过与现场实测数据进行比较，对基坑开挖时邻近房屋保护方案进行评价。

1 工程背景

1.1 工程概况

宁波地铁一号线盛莫路站位于宁穿路与规划盛莫路交叉口地下，沿宁穿路由西北向东南走向布置，按跨路口设置。场地紧邻盛莫路三角形环岛处，车流较多，路两侧主要为学校和厂房以及民居。车站起点里程K19+357.891，终点里程K19+532.891，有效站台中心里程为K19+425.891，总长175 m。车站设置4个通道与2个风道，其中4号通道预留，如图1所示。1号通道、2号通道分别位于车站北侧中部及西端，且车站主体、1号通道、2号通道及1号风道已施工完成。3号通道位于车站西南侧，长39.35 m，宽15.6 m，总建筑面积约734 m2，为地下一层框架结构，采用明挖顺做法施工。基坑开挖深度为10.1 m，围护结构采用φ850@600SMW工法桩+内支撑体系。支撑型式为一道混凝土加两道钢支撑，其中局部靠近沿街商铺范围内的第二道支撑为混凝土支撑，两道混凝土支撑截面均为800 mm×800 mm，支撑水平向间距为6 m。基坑局部第二道支撑采用截面800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，其余部分采用直径609 mm，壁厚16 mm钢管支撑。钢筋混凝土支撑水平向间距为6 m，钢支撑水平向间距为3 m。第三道支撑均采用直径609 mm，壁厚16 mm钢管支撑，水平向间距为3 m。基坑坑内采用三轴搅拌桩加固，加固深度为坑底以下3 m，水泥掺量为20%，28d加固后土体无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。坑外与地墙接缝处采用高压旋喷桩加固，加固深度同围护桩，28 d加固后土体无侧限抗压强度qu≥1.2 MPa。

图1 基坑总平面

(a)平面图

经对场区建筑物、管线的综合分析，基坑西南角浙江建材市场三层房屋距基坑12.7 m，该建筑于2010年经相关机构鉴定为C类危房，受政策处理，基坑开挖期间暂不能拆迁。为了最大程度减小基坑开挖对该建筑的影响，施工方提出两套保护方案。方案一如图2所示，现状围护结构外边线与施工围挡最小净距为3.6 m，沿围挡线设置一排直径800 mm,桩距1 000 mm钻孔灌注桩，桩长22 m，桩底标高与围护结构SMW桩型钢底标高一致；方案二，如图3所示，采用钻孔桩与原SMW桩形成双排桩：现状围护结构外设置直径800 mm，桩距1 000 mm钻孔灌注桩，桩长20 m，SMW桩与钻孔桩桩中心距为2 m，桩底标高与围护结构SMW桩型钢底标高一致。针对两种保护方案，本文采用数值方法对保护方案进行模拟并最终将数值模拟结果和实测数据进行对比对保护方案效果进行评价。

(b)剖面图图2 保护方案一

(a)平面图

(b)剖面图图3 保护方案二

1.2 场地工程地质条件

本工程由上而下涉及到土层有：①1-1层杂填土、①2层灰黄色黏土、①3灰色淤泥质黏土、②2-1灰色淤泥、②2-2

灰色淤泥质黏土、③1粉砂、 ③2灰色粉质黏土夹粉砂、④1-2灰色粉质黏土、④2灰色黏土。基坑坑底位于①3灰色淤泥质黏土；围护桩桩底位于均位于④1-2灰色粉质黏土。土层具体参数如表1 所示。

表1 土层参数

2 数值模拟

2.1 计算参数与模型

本节采用商用有限软件Midas-NTX 对基坑开挖进行模拟。由于附属基坑为长型基坑，且建筑物主要临近基坑长边一侧，因此，本文采用简化的2D数值模型进行模拟。搭设隔离桩(方案一)有限元模型如图4所示，地基模型长85 m，宽30 m，高28 m，采用实体单元建模，单元数共计13 260个，采用摩尔-库伦本构模型；房屋模型长7 m，高8.5 m，采用板结构单元进行模拟，工法桩和隔离桩采用板单元，内支撑采用梁单元，具体参数如表2所示。基坑围护桩外围设置灌注桩(方案二)有限元模型如图5所示，地基和房屋建模和方案一相同，地基采用摩尔库伦本构模型，房屋采用板结构单元，另外工法桩和隔离桩采用板单元，内支撑和钢架梁采用梁单元，具体参数如表2所示。

表2 单元参数

图4 数值模型(方案一)

图5 数值模型(方案二)

2.2 计算结果分析

图6所示为设置隔离桩条件下，基坑开挖侧向变形，可以发现，由于设置混凝土支撑位置，基坑变形得到了很好的控制，而没有混凝土支撑位置，基坑侧壁出现了明显的侧向位移，最大侧向位移约为34 mm；另外，隔离桩几乎没受到基坑开挖的影响。图7 所示为采用围护桩外围设置灌注桩方案，基坑开挖侧向变形规律类似，混凝土内支撑能够很好控制基坑侧向位移，由于在基坑围护结构外侧设置了灌注桩，且通过钢架把围护结构和灌注桩链接为一体，增加了围护结构的刚度，基坑最大侧向位移约为30 mm，与此同时，灌注桩也和围护结构一起出现协同变形。

图6 基坑侧向变形(方案一)

图7 基坑侧向变形(方案二)

基坑开挖过程中基坑围护桩侧向位移如图8所示。方案一条件下，基坑围护桩侧向变形如图6所示，可以发现，开挖第一步时，基坑最大侧向位移发生在围护桩顶部，随着开挖深度增加，基坑侧向变形逐步增大，而与此同时最大侧向变形发展规律为：随着深度增加，围护桩侧向变形逐步增加，到基坑中部时，围护桩侧向变形达到最大约为10 mm，随着深度继续增加，围护桩侧向变形逐步减小，直至基坑底部，围护桩侧向变形为0。 方案二条件下，基坑围护桩侧向变形如图9所示，随着基坑开挖深度增大，基坑围护侧向逐步增大；另外，基坑侧向变形在基坑中上部保持一致，而在基坑下部，基坑侧向变形逐步变小。对比方案一和方案二，可以发现，方案一最大侧向位移发生在基坑中部且位移为34 mm，方案二最大侧向位移发生在基坑中部，且位移为30 mm，由此可以发现方案一中的隔离桩设置对基坑围护桩侧向变形影响有限，方案二在基坑围护桩周围设置灌注桩能有效减小围护桩的侧向位移。

图8 围护桩侧向变形(方案一)

图9 围护桩侧向变形(方案二)

图10 建筑物墙顶侧向位移

基坑分步开挖过程中，建筑物靠基坑侧墙顶水平向位移如图10所示。可以发现，随着基坑开挖步增加(开挖深度增加)建筑物墙顶均出现往基坑方向一定程度的侧向位移。然而对不同方案模拟结果则表明出明显差异：方案二中基坑前两步开挖使得墙顶侧向位移较大而最后一步开挖对墙顶沉降影响较小，方案一中基坑每步开挖均对墙顶侧向位移均造成显著影响且最后一步开挖使得墙顶侧向位移迅速增加。通过对比发现，方案二模拟结果和现场实测接近，方案一结果则与实测结果差距较远。

基坑开挖对建筑物靠基坑侧墙顶沉降影响如图11所示。可以发现随着基坑开挖步增加，建筑物墙顶出现明显沉降。方案一模拟结果表明，基坑开挖过程中，墙顶沉降从0增加至3.5 mm；方案二模拟结果表明，随着基坑开挖，墙顶沉降从0增加至4 mm。通过与现场实测对比发现，方案二模拟结果与实测结果更为拟合。

图11 建筑物墙顶沉降

3 结论与建议

地铁车站深基坑开挖会引起地层变形对周边临近建筑造成影响。在基坑和临近建筑物之间设置隔离桩或是在基坑围护结构外侧设置灌注桩的保护方案都可以降低基坑开挖对临近建筑物的影响。本文通过数值研究对基坑开挖对周边临近建筑影响进行研究，对两种保护方案分别进行数值模拟。通过对比研究发现，基坑开挖时，在基坑围护结构外侧设置灌注桩既能较好控制基坑变形也能有效降低基坑开挖对临近建筑物的影响。

[1] 刘红岩，秦四清，李厚恩，等. 深基坑工程开挖安全性的数值分析[J].岩土工程学报，2006，28(增刊): 1441-1444

[2] 汪志强，艾亿谋，卢红标. 某深基坑开挖对周边环境的影响[J].河海大学:自然科学版，2011,39(2):161-164

[3] 李大勇，龚晓南，张土乔. 软土地基深基坑周围地下管线保护措施的数值模拟[J].岩土工程学报，2011，23(6): 736-740

[4] 张文慧，田军，王保田,等. 基坑围护结构上的土压力与土体位移关系分析[J].河海大学学报:自然科学版，2005，33(5): 575-579

[5] 潘劲，潘观强. 深基坑工程监测技术概述[J].山西建筑，2007,(5): 111

[6] 王暖堂. 深基坑围护结构力学变形监测技术[J].北京测绘，2008,(2): 12-15

[7] 胡俊，光辉，潘悦. 南京地铁某车站深基坑开挖的监测与分析[J]. 西部探矿工程，2008,(10): 222-225

刘福生(1981～)，男，本科，工程师，从事地下工程的设计和科研工作；申文明(1983～)，男，博士，高级工程师，从事地下工程的设计和科研工作。

TU94+1

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[定稿日期]2014-11-04