暗挖区间基坑开挖对建筑物沉降影响

白海龙

(中铁七局集团第二工程有限公司 辽宁沈阳 110000)

暗挖洞桩法（Pile-Beam-Arch-method，PBA）是一种灵活多变的施工方法，可以建造具有不同结构层数和距离的车站。可以适用于具有复杂管道和大量建筑的环境，逐渐成为修建地铁车站的常用方法。而基坑竖井作为暗挖施工的第一步骤施工更是对整个工程具有格外的意义，分析研究基坑竖井及基坑竖井开挖工程中的建筑物沉降对于整个工程的建设来说，都是有重大意义的。已有许多研究者对基坑开挖对临近建筑物影、PBA法的技术特点、设计原则和技术重点，并总结了洞桩法各阶段的技术重点[1-4]。孙小飞[5]以沈阳地铁北大营站为工程背景，通过建立有限元模型，并与实测数据进行对比分析，研究基坑开挖对临近建筑的影响。结果表明：通过设置隔断墙、对建筑物基础注浆加固，优化基坑方案设计等保护措施能够有效减小基坑施工对周围环境的影响。羊科印[6]以西安某深基坑为工程背景，研究了边桩直径、边桩长度、预应力大小、建筑物荷载等因素对临近建筑的影响。结果表明：建筑荷载对其影响最大，桩径对临近建筑物影响最小。

1 工程概况

沈阳地铁3号线一期工程土建施工第十二合同段包括方型广场站—三好街站区间、三好街站、三好街站—工业展览馆站区间3个单位工程，三好街车站采用PBA暗挖法施工。该车站为暗挖岛式站台车站，有效站台宽度14 m，车站主体为地下两层三跨八导洞框架结构，车站总长220.7 m。标准段宽度为22.7 m，标准段高度为15.6 m，顶板覆土厚度约7.0 m。车站共设置3 个施工竖井、4个出入口通道、4个地面出入口、1个安全出口、2组风道、2组地面风亭。车站设置的3个施工竖井中，1 号竖井尺寸为9.8 m×11.3 m，开挖深度为30 m。基坑位置和周边建筑物如图1所示。

图1 竖井及其建筑物位置

1号竖井在竖井一侧有地下一层地上22层的金科大厦；2号竖井在1号竖井周边，2号竖井在横通道一侧有盛京医院地下停车场；3号竖井位于车站右侧，其两侧均有建筑物，竖井上侧是南湖五金工具交易中心，下侧是机电装备大厦B座。本文模拟研究的是1号基坑竖井及其周边建筑物在施工工程中的沉降问题。

2 数值计算分析

2.1 基坑数值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元软件建立1号竖井基坑临近建筑物三维有限元仿真模型。在三维基坑竖井模型建立方面将施工现场简化成X方向长度是60 m，Y方向是60 m，Z方向是45 m；竖井基坑的尺寸是X方向10 m，Y方向15 m，Z方向30 m。周边建筑物位置简化到距基坑竖井10 m 位置。在约束方面附加X、Y、Z方向底部约束位移，土体上表面不加约束，为自由面。模型如图2、图3所示。

图2 三维实体模型

图3 三维网格模型

2.2 材料本构模型

依据地质勘探报告显示，三好街站沿线勘察工程深度内主要地层分布为杂填土、中粗砂、圆砾、沙砾-1、沙砾-2，根据地质勘探报告和土体的性质，土体模拟时选择修正摩尔库伦本构关系。其中，土体、竖井基坑、建筑物均采用实体单元进行模拟，竖井内支撑、腰梁冠梁、竖井围护桩均用梁单元进行模拟，建筑物筏板桩采用植入式梁单元，建筑物筏板采用板单元进行模拟。数值模拟参数如表1所示，材料计算取值如表2所示。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

2.3 模拟工序

竖井基坑采取分层开挖，分层支护，竖井开挖总深为30 m，共分6 次开挖。在开挖基坑之前需要先将周围建筑物地上部分，地下部分进行激活，地上部分包括25 m高的建筑物，地下部分包括地下室，建筑物筏板和长14 m 的建筑物筏板桩。然后在进行初次支护结构施工时，将围护桩、地连墙、冠梁进行激活，在开挖时每开挖一次进行一次内支撑与腰梁的建设，保证开挖一部分支护一部分，模拟过程一共分为15步。

3 模拟数值结果分析

3.1 距基坑不同距离的建筑物沉降

在同一X轴方向上每间隔2 m 选取一个节点，检测其在基坑竖井施工结束之后的沉降数值。检测点的选取如图4所示，自左到右分别是节点40 506、40 498、405 07、40 503、40 511、40 497。

图4 节点选取

图5 中曲线是竖井开挖结束，在做完第六步支护结构后的沉降值。在距离竖井的建筑物上选取的5个连续的相邻2 m 监测节点，由图5 可以看出，在距离基坑10 m 处的节点40 506 的沉降值是最大的，达到了16.51 mm，随着距离竖井的距离的不断增加，沉降量的数值是逐步下降的，在距离基坑竖井20 m处的位置仅有6.78 mm，与距离基坑竖井10 m 处的16.51 mm 相差近3倍。每隔2 m的沉降差值在1.5～2.8 mm之间，其中距离基坑10 m和12 m两处节点的沉降差距最大，达到2.82 mm，距离基坑18 m和20 m的沉降差距最小，仅有1.56 mm。整体呈近类似线性变化。

3.2 整体沉降效果

将每一步的开挖和其后面的支护步骤分为一步整体的工程步序，得到每一步序的模型沉降位移具体情况如图6～图10所示。

图6 支护1沉降图

图7 支护2沉降图

图8 支护3沉降图

图9 支护4沉降图

图10 支护5沉降图

图6～图10 是每一步支护结构施工完成后的模型整体沉降数值图。从图中可以明显看出在支护步骤完成后，会明显看到基坑与建筑物之间会有一段距离产生相对小的沉降，会有沉降低谷产生。在靠近竖井基坑的建筑物一侧的沉降量在每一步骤都要大于远离基坑的一侧的沉降数值。而在同一维度，X轴方向上沉降的产生基本呈现随着离车站基坑距离增大而减小的规律，并且每隔2 m 的减少沉降幅度在不断减小。随着基坑开挖深度的增加，作用在支护结构上的土压力不断增大，因此土体竖向方向的位移逐渐增大。随着开挖深度的增加，坑顶竖向变形的影响范围在变大。

4 结论

本文以暗挖车站施工为背景，通过Midas gts nx 软件，对基坑竖井及周围建筑物进行三维模型建立，通过模拟施工工序，分析在基坑竖井开挖过程中及开挖完成后对建筑物的沉降影响得到以下几点结论。

（1）基坑对于建筑物的沉降影响越靠近基坑影响越重大，在建筑物两侧所引起的沉降数值相差巨大，在施工过程中需要进行特别注意，防止建筑物两侧沉降相差过大，影响工程的工期进度。

（2）在基坑与建筑物之间引起的沉降并不是随着距离的增加一味地下降，在建筑物和基坑竖井之间会出现一段沉降量下降的区域，会出现沉降低谷，需要在施工过程中格外注意。

（3）随着基坑开挖的不断深入，支护结构所受的土压力也在不断增加，土体的沉降范围、沉降数值也在不断增加，对于沉降的控制还是要从源头抓起，加强基坑围护和钢结构支撑刚度，降低对周边建筑物的影响。