轨道交通地铁车站基坑开挖对临近建筑物的影响分析

欧士嘉

摘要：地铁深基坑开挖卸荷导致两侧建筑物产生附加变形和内力，会影响建筑物的结构安全及使用寿命。文章基于某地铁车站实例，采用MidasGTSNS有限元软件对深基坑开挖过程进行了数值模拟，分析深基坑开挖卸载对临近建筑物的影响，为地铁基坑工程的设计和施工提供参考。

关键词：地铁;深基坑;数值模拟;临近建筑物;影响;加固

0 引言

随着我国城市人口密度的不断增加和城市建设的发展，地铁作为城市重要的公共交通工具，对缓解城市化带来的交通拥堵问题具有极其重要的作用，这也涌现出了越来越多的深基坑工程。这类工程在设计与施工中，除须保证自身技术的合理与安全外，还需要考虑深基坑开挖卸荷对环境的影响。本文基于某一地铁车站实例，采用MidasGTSNS有限元软件对深基坑开挖过程进行了数值模拟，重点分析深基坑开挖对临近建筑物的影响，对地铁基坑工程的设计和施工提出合理的控制要求。

1 工程概况

1.1 工程概况

某地铁站站型为地下一层侧式站台车站，为地下一层框架结构，车站长224.7m，宽40.30m，建筑面积为11260m2。海洋馆建筑（1层，柱下独立基础，柱距3.6m）距离外边线3.05m。车站采用明挖法施工，施工过程采用先开挖中心岛，后施工四周的方案，即一期施工本工程中心部分结构，一期开挖的基坑采用土钉墙支护体系，二期开挖围护采用钻孔灌注桩+钢管内支撑结合的支护体系。

1.2 水文地质情况

场地位于剥蚀丘陵区，地形略有起伏，地势两侧高，中间较低。场地内主要地层由冲积洪积河床堆积形成的第四系全新统粉土、砂类土、圆砾和角度不整合的三叠系泥岩、砂岩、砾岩构成。第四系地层厚度差异较大，沉积紊乱，岩性分布纵、横向变化均较大;三叠系基岩面起伏较大。场地地表普遍分布厚度不均的人工填土。现场地质勘察结果显示，在海洋馆附近钻孔的基坑开挖深度及影响范围内，主要地基土的组成自上而下为：杂填土、圆砾层、粉土、圆砾层、强风化砂岩层、中风化砂岩层。

勘探深度内地下水可分为松散岩类孔隙潜水、承压水和碎屑岩类裂隙水：

（1）松散岩类孔隙水

潜水主要埋藏于地表人工（杂）填土和下伏冲、洪积圆砾中，水位为1.3～3.1m。

（2）承压水

承压水主要埋藏于潜水含水层之下的圆砾中，隔水顶板为其上黏性土层，隔水底板为下伏黏性土层或泥岩强风化岩层。含水层厚度为1.4～6.5m，滲透系数为48.4m/d，属强透水地层。该含水层与其上潜水含水层有一定的水力联系。

（3）碎屑岩类裂隙水

基岩裂隙潜水赋存于下伏三叠系砂岩、泥岩中，水位埋深为3.5～7.5m。基岩裂隙水的透水性因地层的岩性、风化程度、裂隙发育程度等因素有较大差异，透水性弱-中。根据现场抽水试验资料，砂岩渗透系数为9.82m/d，属中等透水地层;泥岩渗透系数为0.11m/d，属弱透水地层。

1.3 深基坑支护设计与施工

围护结构支撑采用钢支撑，直径为609mm，壁厚t=12mm，对撑水平间距为4m，竖向间距为5.2m，一端支撑于围护桩上，另一端支撑于已施工完成的核心区车站主体结构上。基坑安全等级按一级考虑，重要性系数为1.10，基坑整体变形控制等级按二级考虑，其中靠近海洋馆位置处基坑变形控制保护等级为一级。基础单柱承受荷载为300kN。基坑设置旋喷桩封闭式止水帷幕，基坑内降水属于疏干井降水，不考虑渗流影响，钻孔灌注桩在施工期间作为基坑支护结构，承担施工期间全部的侧向水土压力。基坑支护剖面图如图1所示。

施工顺序：围护结构施工前应先查明场地范围内的地下管线，地下建（构）筑物情况以及地面障碍物的处理→进行场地地基处理和施工灌注桩及冠梁→基坑降水→放坡开挖核心部分土体→清理基底、施工接地及防水层、铺设垫层→施工核心部分结构→分层开挖周边土层及架设钢支撑（在已完工结构和围护之间）→开挖剩余部分土方→清理基底、施工接地及防水层、铺设垫层→剩余部分主体结构施工→分层碾压回填土方→恢复场地。

2 建筑物变形控制标准

由于地下工程施工使周围地基的应力得到释放，或受到附加应力的影响而使地基发生下沉或隆起。地基发生下沉或隆起与地面建筑物的间距、相互之间的地基土性质、已有建筑物的结构条件、基础型式等因素有关，因此可在对建筑物调查的基础上，通过评估建筑物对地表变形适应能力及根据有关施工经验，可提出其沉降与倾斜控制标准。但由于施工条件各异，各建筑物个体间存在较大的差异，对于重要建筑物，控制标准应根据具体情况制定，由建设、设计、监理、施工、监测等有关部门共同商定，并根据实际监测成果进行调整。由于海洋馆距离基坑极近，经各方协商，将变形控制保护等级设为一级，基坑最大水平位移≤0.2%H，且≤30mm，地面最大沉降量≤0.15%H（H为基坑深度），即水平位移≤23.1mm，最大沉降≤17.3mm。

3 有限元数值计算

本站支撑沿基坑四周环形设置，支撑长度为7.65～16.25m，环形基坑长宽比很大，且本次重点分析对象为单体建筑，本次模型截取50m长的基坑以减少程序计算时间。海洋馆位置处基坑深度为11.55m，直径0.8m排桩深度约15.5m。为消除边界尺寸对计算的影响，模型宽度和高度取3～5倍基坑深度，模型长×宽×高为110×80×40m。邻近建筑物距基坑边的距离为3.05m，基坑设置旋喷桩止水帷幕，不考虑坑内水疏干对建筑物的影响。为便于建模，将排桩的挡土作用和旋喷桩的止水作用采用地连墙进行模拟，并进行等刚度代换，代换后地连墙厚度为h=0.838D，即0.67m。

整个模拟分两种情形：（1）开挖基坑不对海洋馆基础进行保护;（2）开挖前对海洋馆基础进行提前注浆加固保护。分别计算分析两种状况下的沉降情况。

3.1 Midas/GTSNS建模

本次分析土层采用修正摩尔-库伦模型本构模型，加固土采用摩尔-库伦本构模型设置边界约束，围护桩、内支撑及建筑物基础采用1D梁单元，土层和加固区采用3D单元。结合地勘报告及工程经验，本次数值模拟选用的岩土力学参数和结构属性参数如表1和表2所示。

3.2 不注浆加固的沉降分析

通过Midas有限元分析，未对建筑物基础进行注浆加固保护工况下的基坑开挖后模型跨中截面切向量竖向沉降云图见图3，水平位移云图见图4。

根据模型分析结果，基坑的破裂面与水平线约成45°夹角，该夹角范围的建筑受基坑开挖影响最大。最大变形发生在最后一步开挖，开挖至坑底后，最大变形在最靠近基坑的海洋馆基础附近处，该位置最大沉降为24.2mm，超过基坑变形允许标准，水平位移为11.9mm，满足允许值（见图5）。综上所述，不采取加固方案将导致变形超出允许值，影响建筑物的寿命和使用安全，且有可能造成工程索赔，故需对建筑物进行保护，采取加固措施。

3.3 预注浆加固保护的沉降分析

本工程对现有的建筑物保护方案主要分为两类：

（1）隔离桩法。由于海洋館位置距离基坑仅3m，隔离桩法对建筑物扰动过大，容易造成“保护破坏”。

（2）注浆保护法。该方法施工灵活，且可以控制注浆压力来降低对建筑物的影响，在现有条件较差时使用该种方法具有较好的效果。

因此，本次保护方案采用注浆保护法。通过在开挖之前进行预注浆，改良原有地层的物理力学参数。根据相关工程实践经验[2-5]，一般情况下，加固后土体的弹模能提高到原来的1.2～1.5倍左右，粘聚力有10倍左右的增幅，内摩擦角和重度略微提高但不显著，而泊松比则有所降低。确定本站砂卵圆砾地层经注浆加固后的相关参数如表4所示。

具体建模办法是在本文3.2节不加固模型基础上，对海洋馆基础底下的3D网格单位进行属性更改，由圆砾改为加固土属性，加固区宽度方向为基础平面外1m，深度方向分别为基底以下2m和4m。两种加固情形下在开挖到基坑底后的沉降位移云图分别见图6和图7。

开挖到基坑底后的地表在不加固、加固2m和加固4m三种情形下的沉降曲线见图8。

根据沉降曲线，注浆加固在圆砾层中效果表现较好，能有效地抑制地表和建筑的沉降。在加固深度2m时，沉降较未加固降低了48.4%，降低效果显著，满足一级基坑变形控制要求，建筑物的安全得到了较大的保障。在加固深度达到4m时，竖向位移仅为5.9mm，较未加固时降低了75.6%。由于基坑开挖会挖除一部分土体，进而使地层缺失而产生应力松弛，从而导致土体存在往临空面变形的趋势，支挡结构的刚度、土体的性质、渗流的影响等均会对地表建筑物的变形有关键性的影响。通过注浆改变土体性质，使土体重新固结，土体空隙填充注浆体，补充松弛的应力状态，有效地控制了地基土的变形，进而保证地表上部结构的安全。

3.4 建筑物保护方案选定

（1）根据模型计算结果，海洋馆对由于基坑施工时引起的地面沉降较为敏感，故在施工前预埋注浆管，提前注浆。考虑经济效益情况，加固区域为基底下2m深度范围，并在施工过程中根据加固体的情况随时跟踪注浆。

（2）注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，袖阀管采用直径48mm的硬质PVC管，间距为1.5～2m，浆液扩散半径为0.75～1m，袖阀管倾斜角度≤30°，注浆压力为0.3～0.8MPa，不宜过大。在基础边界线外扩2m范围内进行注浆，同时对基础进行严密监测，以防注浆压力过大造成地面隆起过大，影响安全。

（3）加固时应因地制宜，建筑物保护时由相关资质的鉴定部门对其做安全性评估，给出基础变形允许值，以便合理选择注浆加固的范围和参数，达到较为理想的安全和经济效果。

（4）从施工监测数据来看，位移监测值基本在计算值以内，偶有超过计算值的，偏移幅度也不超过10%，整个基坑施工期间未因位移和变形发生报警，基坑和坑外建筑均处在相对稳定和安全的状态下。

4 结语

（1）Midas数值分析能直观地反映出基坑支护各施工工况的位置变形规律，为基坑支护施工提供更多的理论依据，对基坑周边环境的安全保护有重要指导作用。

（2）坑外地表在基坑开挖施工中呈现勺子形沉降曲线，建筑物本身承受荷载，对基坑开挖较为敏感，在该位置沉降最大，随后沿远离坑壁方向逐渐减小，距离坑壁越远变化幅度越小，最终逐渐稳定。一般在距离1.5～2倍基坑深度范围外的沉降已经可以忽略不计。

（3）注浆加固较未经处理前能够很好地减少地基变形沉降，能对抑制周边建筑物的变形起到一定的作用。

参考文献：

[1]JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[2]黄树炉.砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[3]李增光.复杂环境下采用PBA工法建造大跨地铁风道关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[4]王鹏飞.浅埋暗挖隧道注浆超前支护模拟研究[D].西安：西安科技大学，2012.

[5]白海卫.新建隧道下穿施工对既有隧道纵向变形的影响和工程措施研究[D].北京：北京交通大学，2008.