地铁车站深基坑开挖对邻近建筑物的影响分析研究

摘要 繁华闹市区地铁车站基坑开挖施工，往往会对邻近建筑物产生诸多不利影响，如沉降、水平位移、建筑物开裂等。该文以厦门地铁1号线镇海路站为例，选取车站基坑与周边一栋7层混凝土框架宿舍楼为分析对象，通过建立土－支护结构相互作用计算模型分析基坑开挖卸荷对建筑沉降和水平位移的影响，有利于进一步指导工程安全施工，为同类车站基坑开挖提供安全施工经验。

关键词 地铁车站；深基坑开挖；邻近建筑物；影响分析

中图分类号 U231 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0024-03

0 引言

随着社会经济的发展和技术的进步，交通压力大、城市空间利用率低逐渐成为限制城市发展和影响居民生活的主要因素。近年来，国内地铁建设不断兴起，掀起一阵建设热潮，车站基坑作为地铁建设的不可避免的重难点工程也随之增多，由于不同地区的地质条件存在着巨大差异性，以及车站基坑周边存在着诸多复杂环境，使得基坑工程在选择开挖方式和监测手段时尤为重要。做好基坑开挖前的建模分析、过程中的动态监测，把基坑开挖对周边建筑的影响降到最低，在最短时间内完成基坑开挖、支护、封闭，才能有效地保障基坑工程的施工安全。

该文以邻近建筑物为对象，采用有限元建模，分析了地铁车站深基坑开挖对邻近建筑物的影响，以各项研究结果数据作为施工及监测参考依据，有效指导工程快速、安全推进。

1 工程概况

该项目基坑为厦门地铁1号线起点站镇海路站基坑，基坑位于镇海路上、沿镇海路西南—东北向布置，基坑面积约9 941.8 m2，挖深约23.5 m。镇海路站为地下二层（局部一层）的侧式站台车站[1]，标准段底板埋深为13.2～22.0 m，宽度24.2 m，为单柱双跨钢筋混凝土框架结构；北端头井底板埋深23.5 m，宽度24.2 m，为地下二层双柱三跨钢筋混凝土框架结构，车站总长410.82 m。

镇海路规划路面宽度约21.5 m，路口交通繁忙，车站周边现状以商业、公共设施、军事用地为主，周边分布的建构筑物有厦门市第一广场大楼、厦门市妇幼保健医院、千禧海景大酒店、海军宿舍大楼、海军医院、厦门市思明区少年宫等。车站基坑开挖距现有建筑距离近：距军区宿舍4.7 m、距千禧海景大酒店地下室3.8 m、距妇幼医院地下室11.7 m。周边建筑物环境如表1所示。

2 工程地质条件

该工程所处场地为低山丘陵区，局部为残积台地区及滨海堆积区，现状地面标高4.9～14.7 m，高差9.8 m，地势变化较大。周边外扩至紧邻既有建筑物，地下管网繁杂，几乎包含全部的市政管网类型，环境条件复杂程度属实复杂，开挖深度范围内含水层类型主要为第四系松散岩类孔隙含水岩组，主要岩土层特性参数如表2所示。

3 基坑支护设计方案

结合该工程特点、基坑挖深、面积、工程地质条件及周边环境条件等，本着安全、经济、合理、可行的原则，确定该项目基坑围护基坑四周采用钻孔灌注桩进行围护，桩间设止水帷幕，设计采用两道支撑[2]，第一道支撑为800 mm×1 000 mm的混凝土支撑，第二道为Φ 609×16 mm的钢支撑，往下设两道3Φ15.2 mm的锚索，竖向间距2.5 m，纵向间距2 m。

基坑标准断面处，开挖深度约为17.4 m，地下水位埋深为2.6～3.7 m，车站底板位于中风化花岗岩土层中，基坑采用明挖法施工。为方便施工现场交通疏解和管线改迁等工作，基坑采取了分期实施方案。

4 车站深基坑开挖对邻近建筑影响分析

为进一步分析地铁车站基坑开挖对邻近建筑的影响，采用Plaxis 2d 8.x版本有限元软件，对车站基坑南侧7层混凝土框架军队宿舍楼进行有限元建模，并结合实际的车站基坑施工工序步骤进行模拟分析。PLAXIS程序软件是一款专业的岩土工程有限元分析软件，可在计算中对实际施工步骤进行模拟，并内置有摩尔库伦模型、剑桥模型、HS硬化、HSS小应变模型等多种常用的土体本构模型，可方便地对各类岩土工程问题进行模拟[3]。

建模过程中楼板、围护桩、水平支撑等结构采用弹性单元模拟。为较真实地反映土体开挖及卸荷过程中的建筑物的沉降及水平位移变化，土体采用HS硬化本构模型进行模拟。

4.1 计算模型

计算模型边界取值范围为基坑两侧边线各40 m、高35 m范围。模拟对象为各土层、围护桩、支撑、主体结构及右侧建筑与基坑相距最近的断面，钢支撑预加轴力、施工步骤等参数按设计要求取值。

利用15个结点三角形单元对土体进行模拟计算，板单元模拟为挡土墙，与土体的接触面可用10个点无厚度接触面单元模拟，水平支撑视为弹性杆件，网格划分精度选择细程度，这样既能减少计算时间又能得到较为理想的计算结果，计算网络划分如图1所示。

4.2 计算参数

土体本构关系采用考虑卸荷效应的HS强化土体模型，在确定HS模型参数时，综合考虑地质勘查报告、室内试验结果、工程经验以及类似项目的参数取值等多种因素，各土层计算参数取值如表3所示。

根据该工程勘察报告，开挖深度范围内含水层类型主要为第四系松散岩类孔隙含水岩组，渗透系数一般在20～90 m/d，各土层透水性较好，土体在模型中设置为排水材料。

把围护桩按侧向及轴向刚度等效成连续墙进行分析和计算，右侧建筑为7层的一般框架结构，相距开挖边线为8 m，跨度为17.5 m，计算中分别把水平构件梁、板和竖向构件墙、柱等效成地下连续墙用板单元模拟。围护结构和支撑的计算参数如表4和表5所示，框架结构的梁板、墙柱的计算参数如表6所示，围护结构和支撑假设为线弹性材料来考虑[4]。

4.3 结果分析

通过模型计算得出如下结果，如表7～9所示。

结果表明：

（1）基坑右侧最大地表沉降为3.98 mm（距离坑边5.3 m），地表最大水平位移为6.66 mm（距离坑边4.5m），即为建筑物靠近基坑一侧的底部角点附近。（2）右侧围护桩顶部位移5 mm，最大水平位移为6.51 mm（位于深7.3 m处），竖向位移0.65 mm；左侧围护桩最大水平位移4.65 mm（位于桩顶），方向朝向坑外围护桩位移。（3）建筑物断面最大水平位移值为7 mm（位于顶部），建筑物断面底部水平位移为3.05 mm，约为天然最大地表水平位移的1/2；近基坑侧底部沉降为最大沉降（3.84 mm），远离基坑侧底部沉降为最小沉降（0.55 mm），则沉降差为3.84－0.55=3.29 mm，整体倾斜为3.29/17 500=0.188/1 000。（4）建筑物各层水平构件均发生轻微的上凸挠曲变形，底部构件弯矩最大值642.31 kN/m，剪力最大值466.67 kN/m，靠基坑侧竖向构件弯矩最大值633.62 kN/m，剪力最大值为234.03 kN/m。经分析比较，建筑的水平位移和沉降值满足变形控制要求，内力值满足承载力要求。

分析结果得出：

（1）基坑开挖后右侧土体向坑内移动，造成建筑物跟随土体向坑内倾斜并发生沉降；（2）建筑物最大水平位移值出现在顶部，基础的水平位移值为顶部的47%；（3）建筑物各层水平构件均发生轻微的上凸挠曲变形；（4）基坑右侧的围护墙呈弓形变形且整体往坑内移动，左侧围护墙顶部向基坑外移动，底部出现踢脚。

因此在施工过程中，应加强对土体地表沉降、水平变形、建筑物底部和顶部水平位移值、底部沉降、横向差异沉降、整体倾斜等变形的测量，确保在整个施工过程中建筑物的安全，把施工对周围建筑物变形的影响减到最小[5]。

4.4 实测数据分析

在深基坑分步开挖过程中，对基坑旁建筑物进行实时监测，实测数据如表10所示。

从实测结果与建模分析计算结果对比表明，实际情况与建模分析情况相一致。

5 结语

该文通过建模计算分析，提前掌握了基坑开挖后各阶段的土体及周边房屋水平位移和变形情况，对整个基坑开挖安全性进行了综合评估，针对建筑物及围护结构变形及沉降重点位置落实过程监控量测，确保把施工对周围建筑物变形的影响减到最小，为后续施工提供了参考依据，可为类似项目提供借鉴。

参考文献

[1]李冰.复杂环境下地铁基坑爆破开挖减振试验研究[J].铁道建筑技术， 2017（3）：101-104.

[2]罗海鹏.邻近建筑物的车站开挖爆破减振技术[J].江西建材， 2018（10）：84-85+87.

[3]谢洪斌，王操，戴永兴.不排水情况下路基建造的有限元分析[J].交通标准化， 2008（4）：55-58.

[4]王浩然，王卫东，徐中华.基于数值分析的预估基坑开挖对环境影响的简化方法[J].岩土工程学报， 2012（S1）： 108-112.

[5]黄军华，周志健，刘鑫坤，等.邻近运营地铁的深基坑开挖风险及控制措施[J].施工技术（中英文）， 2021（24）：35-39.