城市地下开挖对邻域既有工程的影响机理及处理措施

李鹏飞，胡江春，鲁家濠，刘克文

（1.中原工学院，河南 郑州 450007；2.云南省第十四冶金建设有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

随着城市的快速发展，城市规模不断扩大，受城市空间和环境的限制，大多数城市都不同程度地出现了包括建筑用地、生存空间、交通运输等用地不足的现象。因此，城市地下空间的开发是非常必要的。随着地下空间开发的推进，新建工程对相邻建筑物必然会产生影响，如果处理不当这种影响将造成重大安全事故[1-4]。为了缓解地面交通压力，越来越多城市开始修建地铁，而地铁隧道和普通的山岭隧道有所不同，城市地下空间交错复杂，在城市地跌隧道选择线路中，很多建筑物需要保留，所以减小城市地下空间建筑物之间的相互影响与地下空间的利用程度有着直接的关系[5-6]。

在城市地下工程的建设中，由于城市工程的特殊性和地下工程的特点，不可避免地会破坏土体原来的物理特性和力学平衡，如在施工过程中会经常出现基坑失稳、地表以及周边建筑物沉降，直接影响地面和相邻建筑物原有的稳定，城市地下工程的安全性问题是地铁建设和地下空间利用最核心的技术问题[7-9]。所以本文中提出的减小城市地下工程之间的相互影响非常必要。

在研究拟建场地地下工程相互影响时采用有限元软件ABAQUS模拟的方法，模拟分析了地下工程土体开挖过程中土体以及相邻构筑物的水平竖向位移，通过在地下工程间是否设置隔离桩进行数值模拟，对比分析是否设置隔离桩对土体以及相邻构筑物位移的影响[10-12]。

本文以拟建场地邻近地铁3号线隧道剖面为例，通过是否设置隔离桩分析对比基坑开挖至基底过程中土体以及邻近建筑物的水平竖向位移情况。

2 工程概况

拟建场区位于昆明断陷湖积盆地边缘，属冲、洪积、滨湖积盆地地貌。场地位于原昆明市政府旧址之上，属拆旧建新工程。场地地形平坦、开阔，高差较小，场地总体呈东北高、西北低之势，地形坡度小于1%。场地地基土从上自下分为浅部人工填土层（①层），冲洪积地层（②-③层），湖积-滨湖积地层（④-⑩层）。其中，地层分布主要以（滨）湖积地层为主。土层物理力学性质汇总如表1所示。

场地地处东风路、北京路尚义街及尚义巷之间，北侧为东风路，与金格中心相邻，西侧为北京路，与茶花公园相邻，东侧为尚义巷，并与白塔花园住宅小区相邻，南侧为尚义街。由于地铁建设，东风路暂时封闭，临时道路从场地中穿过，并于2012年10月2日恢复原东风路通行，其中茶花公园围墙与拟建场地红线相邻。如图1所示。

基坑挖深22.7m。邻近在停工期间已经盾构完成的地铁3号隧道，基坑与隧道最近仅约14m。拟在坑外设置隔离桩并预埋跟踪注浆孔。隔离桩桩径800mm，桩间距1200mm，插入至基底以下21m；地下连续墙外边线普遍退地块红线3 m，隔离桩普遍设置在红线和地下室外墙之间，即桩中心距离地下室外墙外边线1.5m；桩顶设置连通的压顶梁，并于原地下连续墙压顶梁间设置横梁连接，以增强隔离桩的整体性。

本项目为拆旧建新工程，项目占地面积约有5.33hm2，拟建建筑包括1栋62层塔楼，总高338 m，1栋180m高塔楼、1栋152m高塔楼及8层的商业住宅，总建筑面积约40万m2。拟建场地为整体开挖地下室，地下室为4层，其中塔楼部分基坑开挖深度预计在现地面下32m，其他部分开挖深度预计在现地面下28m。

土层物理力学性质汇总表 表1

图1 平面布置图

3 相邻工程的相互影响研究

3.1 基本简化

通过对基坑计算剖面的简化，建立平面应变有限元模型进行数值模拟计算，对基坑开挖卸荷过程产生的附加变形进行预测分析。主要的简化如下。

①初始应力场的模拟：根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布。同时模拟了围护体施工对初始应力场等的影响。

②连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用硬化弹塑性模型。

③基坑开挖过程的模拟：通过有限元软件的“单元生死”模拟基坑工程地下连续墙施工、各层土体的分层开挖以及各道支撑的施工过程，根据基坑工程“顺作法”施工工况全过程模拟基坑开挖的全过程。

3.2 计算模型选择

计算模型包括了土体、围护结构、地铁隧道、车站、隧道端头井和建筑结构等结构构件。其中土体材料采用弹塑性模型模拟，计算单元为三角形15节点单元；混凝土结构构件采用线弹性模型模拟。分析模型的水平向为X向，竖直向为Y向。水平方向按照基坑尺寸关系建模，并考虑一定的开挖影响范围，深度则取至足够深度。对左边界施加X向位移约束，底边界施加X、Y向约束，对称边施加对称约束边界条件。计算模型相关参数如表2所示。

计算模型参数 表2

3.3 计算工况确定

计算分析工况表 表3

为评估隔离桩的作用，分别进行了原设计条件无隔离桩和在停工状态下增打隔离桩两种工况。普遍区域的计算工况如表3所示。

3.4 相互影响机理分析

针对本工程的特点，基坑围护体采用1000mm厚地下连续墙，同时在坑内竖向设置四道混凝土支撑。隧道圆心距地表20m，两隧道外径距离约9.5m，隧道半径3.1m，右侧隧道距地下连续墙约18.3m。

下文以拟建场地邻近地铁车3号线隧道剖面为例，给出设置隔离桩与否的计算模型和开挖至基底的变形结果云图。

3.4.1 相邻工程开挖的影响

图2 不设隔离桩计算模型

图3 不设离桩开挖至基底土体水平位移云图

图4 不设隔离桩开挖至基底土体竖向位移云图

分析位移结果云图得出：

①不设置隔离桩时地下连续墙最大水平位移45.3 mm，隧道的最大水平位移6.65 mm，见图3；

②不设隔离桩时明通河箱涵的最大竖向位移-15.36 mm，隧道的最大竖向位移-5.68 mm，地表沉降-22.58 mm，见图4。

3.4.2 支护加固后的效果

分析位移结果云图得出：

①设置隔离桩时地连墙最大水平移38.86 mm，右线隧道的最大水平位移5.59 mm，左线隧道的最大水平位移3.62 mm，见图6；

图5 设隔离桩计算模型

图6 设隔离桩开挖至基底土体水平位移云图

图7 设隔离桩开挖至基底土体竖向位移云图

②设置隔离桩时明通河箱涵的最大水平位移-12.16 mm，右线隧道的最大竖向位移-3.98 mm，左线隧道的最大水平位移-7.71 mm，地表沉降-19.76 mm，如图7所示。

通过对比分析是否设置隔离桩两种工况相邻构筑物的水平竖向位移发现：

对比计算结果，可以得到设置隔离桩后，地表沉降有一定程度的减小，地下连续墙以及周围构筑物的位移明显减小。

4 讨论

有限元计算所得邻近建筑物及围护结构变形汇总如表4所示。

由表4计算结果可以看出，采用隔离桩加固后，邻近地铁隧道、明通河箱涵及地表沉降的最大附加变形均比未设置隔离桩有所减小。

5 结论

本文以拟建场地邻近地铁车3号线隧道剖面为研究对象，对是否设置隔离桩进行了数值模拟，并对是否设置隔离桩对邻近构筑物的水平竖向位移进行了分析比较，得出如下结论：

计算结果汇总表 表4

①设置隔离桩可以有效控制地表沉降，有效降低施工过程中的不安全因素；

②通过设置隔离桩加固后，相邻构筑物的水平竖向位移都有所减小；

③相邻构筑物之间设置隔离桩可以有效的减小相邻构筑物之间的相互影响。