地鐵車站基坑和區(qū)間隧道近接施工對(duì)地面建筑物影響分析

巴 放

(沈陽地鐵集團(tuán)有限公司， 遼寧 沈陽 110011)

地鐵車站基坑和區(qū)間隧道近接施工對(duì)地面建筑物影響分析

巴 放

(沈陽地鐵集團(tuán)有限公司， 遼寧 沈陽 110011)

沈陽地鐵十號(hào)線滂江街站和滂江街站—長安路站區(qū)間(后面簡稱滂長區(qū)間)近接某老舊居民樓施工，車站基坑深約25 m，與該樓水平距離10.5 m，區(qū)間下穿該樓，豎向距離16 m。車站與區(qū)間施工對(duì)該建筑物進(jìn)行多次擾動(dòng)，形成疊加影響，該建筑物沉降變形風(fēng)險(xiǎn)較大。采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)車站和區(qū)間的施工過程進(jìn)行模擬分析，對(duì)該樓沉降進(jìn)行預(yù)測，為風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)措施提供參考依據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明，左線盾構(gòu)下穿施工引起該樓的沉降占總沉降的大部分，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)左線盾構(gòu)掘進(jìn)過程的施工參數(shù)控制，確保建筑物沉降控制在允許范圍之內(nèi)。

地鐵車站；深基坑；隧道；地面建筑；水平位移；沉降

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)特別是地鐵工程建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展，由于城市環(huán)境復(fù)雜、地面及地下建(構(gòu))筑物密布等因素，地鐵近接建(構(gòu))筑物施工的案例越來越多，地鐵建設(shè)導(dǎo)致的安全事故也時(shí)有發(fā)生，其中有的還造成了不良的社會(huì)影響和較為嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失[1-7]。對(duì)于地下工程，圍巖一直存在材料各向異性、本構(gòu)模型復(fù)雜、土體與結(jié)構(gòu)相互作用復(fù)雜等問題，傳統(tǒng)的解析法和經(jīng)驗(yàn)法往往把問題過于簡化和公式化，比較難以反映巖土和結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)行為，不能準(zhǔn)確預(yù)測地下工程施工的影響。數(shù)值分析作為一種新型的分析手段，對(duì)于復(fù)雜巖土問題具有很強(qiáng)的求解適應(yīng)性和可靠性，已經(jīng)成為地下工程分析最有效、最直觀的方法[8]。

本文結(jié)合沈陽地鐵十號(hào)線滂江街站、滂江街站—長安路站區(qū)間近接地面建筑物施工案例，根據(jù)實(shí)際工程概況建立了大型三維有限元模型，對(duì)車站主體基坑施工以及盾構(gòu)區(qū)間下穿施工對(duì)地面建筑物的影響進(jìn)行分析，得出了一些有意義的結(jié)論，為本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制措施的制定提供參考依據(jù)，對(duì)今后類似工程的實(shí)施也有一定的借鑒意義。

1 工程概況

滂江街站和滂長區(qū)間沿滂江街敷設(shè)，滂江街站為十號(hào)線和既有一號(hào)線換乘站，與控制中心合建，車站主體基坑深約25 m，采用Φ1000@1200鉆孔灌注樁+5道內(nèi)支撐+1道倒撐的支護(hù)形式；控制中心基坑深約16 m，采用鉆孔灌注樁+4道錨索的支護(hù)形式。車站開挖前進(jìn)行坑外降水，水位降至坑深以下1 m。滂—長區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在滂江街站始發(fā)，沿左線推至長安路站，在長安路站調(diào)頭，沿右線推至滂江街站接收，區(qū)間為6 m直徑單洞單線圓形斷面，線間距12 m～17 m，區(qū)間覆土12 m～18 m。

瑞光北巷3-1號(hào)樓由2層商鋪和6、7層老舊住宅樓組成，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，無地下室，采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.5 m。車站主體基坑及控制中心基坑與其水平距離10.5 m，區(qū)間與其豎向距離16 m。地鐵工程與建筑物相對(duì)位置關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖1 車站、區(qū)間與建筑物平面位置關(guān)系

圖2地質(zhì)剖面

場地地基土主要由第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)黏性土、砂類土及碎石類土組成。車站和區(qū)間主要位于礫砂及圓礫層中。地下水主要為孔隙潛水，水位隨季節(jié)影響而有所變化，地下水位埋深7.0 m左右。

2 變形機(jī)理及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 變形機(jī)理

基坑開挖的過程是基坑開挖面上卸荷的過程，由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)墻在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和因此而產(chǎn)生的墻外側(cè)土體的位移[9]?？梢哉J(rèn)為，基坑開挖引起周圍地層移動(dòng)的主要原因是坑底的土體隆起和圍護(hù)墻的位移。而對(duì)于沈陽而言，地層以密實(shí)砂土為主，坑底土體隆起有限，可以認(rèn)為周圍地層移動(dòng)的主要原因?yàn)閲o(hù)墻的位移。有多道內(nèi)支撐體系的基坑，一般則表現(xiàn)為墻頂位移不變或逐漸向基坑外移動(dòng)，墻體腹部向基坑內(nèi)突出，即拋物線型位移，相應(yīng)的地表沉降也表現(xiàn)為凹槽形，圍護(hù)樁最大水平位移往往位于靠近坑底的中下部，最大沉降點(diǎn)位于墻后一定距離處。圍護(hù)樁變形及地表沉降模式如圖3所示。

圖3基坑變形示意圖

盾構(gòu)施工引起的地表變形分為以下五個(gè)階段[10]：

(1) 先行沉降：盾構(gòu)開始向前掘進(jìn)后，由于地下水位降低從而導(dǎo)致前方土體發(fā)生固結(jié)壓縮沉降。此時(shí)的沉降與土體的軟弱程度有關(guān)。

(2) 開挖面前方土體的隆起和沉降：如果開挖面支護(hù)力大于原始側(cè)壓力則地表隆起；如果支護(hù)壓力小于土體原始側(cè)壓力則導(dǎo)致地面沉降。

(3) 通過沉降：由盾構(gòu)施工擾動(dòng)或盾構(gòu)與周圍土體摩擦力引起的擾動(dòng)。

(4) 盾尾空隙沉降：由于建筑空隙的存在，注漿不及時(shí)、漿液填充不足、注漿壓力不合理等因素均將導(dǎo)致土體向盾尾空隙中移動(dòng)。

(5) 后期沉降：由土體固結(jié)和蠕變變形引起。

盾構(gòu)施工的五個(gè)沉降階段的示意圖如圖4所示。

圖4盾構(gòu)施工地面沉降-歷時(shí)曲線示意

2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范》[11](GB 50497—2009)、《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[12](GB 50911—293)、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13](GB 50007—2011)等相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并結(jié)合國內(nèi)外及沈陽地鐵類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定滂江街、滂長區(qū)間自身及建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3 數(shù)值分析模型

3.1 模型尺寸

數(shù)值分析模型見圖5。

圖5數(shù)值分析模型

為減小邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，各方向取值范圍應(yīng)不小于3H～5H(或B)(H為基坑深度，B為隧道跨度)，本風(fēng)險(xiǎn)工程數(shù)值分析取值范圍為：橫向160 m，縱向144 m，豎向60 m。鋼支撐和錨索采用桿單元模擬，其它均采用實(shí)體單元模擬，樁、土間設(shè)置摩擦接觸屬性。建筑物樓層荷載按15 kP/層考慮。

3.2 模型參數(shù)

土層材料采用Mohr-Coulomb模型計(jì)算，考慮材料的大變形行為[14-15]，結(jié)構(gòu)單元采用線彈性本構(gòu)關(guān)系?？紤]到管片接縫處強(qiáng)度的影響，對(duì)管片剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)0.75，巖土及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2和表3。

表2 土層基本參數(shù)表

表3 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3.3 模擬工序

(1) 地應(yīng)力平衡。

(2) 降水分析。

(3) 工況1：基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑。分步開挖，每次開挖至支撐位置下0.5 m，施作支撐，再進(jìn)行下一步開挖，依此類推直至開挖至坑底。順作主體結(jié)構(gòu)后覆土回填。

(4) 工況2：拆除洞口圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

(5) 工況3：左線盾構(gòu)掘進(jìn)。分段掘進(jìn)，每次開挖進(jìn)尺2 m，開挖的同時(shí)激活盾構(gòu)管片。

(6) 工況4：右線盾構(gòu)掘進(jìn)。分段掘進(jìn)，每次開挖進(jìn)尺2 m，開挖的同時(shí)激活盾構(gòu)管片。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 降水影響

降水引起地表沉降見圖6。

圖6降水引起地表沉降

地層為低壓縮性密實(shí)砂性土，土層滲透性大，降水影響半徑大，根據(jù)沈陽地鐵一號(hào)線施工降水對(duì)地表和建(構(gòu))筑物的沉降專題研究，結(jié)合沈陽基坑降水的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，降水引起地表及建筑物沉降主要表現(xiàn)為整體沉降，差異沉降小。從圖6中可以看出，降水后，地表沉降范圍大，不過主要表現(xiàn)為整體沉降，150 m距離差異沉降為0.68 mm，計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了以往經(jīng)驗(yàn)。

4.2 地表沉降

地表沉降結(jié)果見圖7。

除了上述兩項(xiàng)平臺(tái)系統(tǒng)的功能之外，精品課程的在線申請(qǐng)系統(tǒng)同樣也是高校教學(xué)資源庫平臺(tái)中的一項(xiàng)重要組成部分。目前，我國部分地區(qū)的高校在教學(xué)管理過程中，新增了一些特色專業(yè)的特色課程。此類院校在進(jìn)行內(nèi)部高校教學(xué)資源庫平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，基于JavaEE系統(tǒng)，將更多的精品課程申請(qǐng)流程納入系統(tǒng)平臺(tái)中。

圖7區(qū)間貫通后地表沉降

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，施工中在基坑周圍附近地表及區(qū)間上方地表形成沉降槽，車站主體基坑周邊地表最大沉降為3.7 mm，控制中心基坑周邊地表最大沉降為2.5 mm，區(qū)間上方地表最大沉降為4.96 mm，位于建筑物附近。均小于地表沉降控制值20 mm。

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 主體基坑圍護(hù)樁水平位移

圖9控制中心基坑圍護(hù)樁水平位移

計(jì)算結(jié)果表明，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為16.9 mm，控制中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為12.4 mm，均位于坑底附近，這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是相符的，最大水平位移值均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，從圖中可以看出端頭井由于空間作用明顯，水平位移明顯小于長邊跨中水平位移。

4.4 管片變形

管片變形結(jié)果見圖10、圖11。

管片最大凈空收斂為6.24 mm，最大沉降值為4.79 mm，均位于建筑物下方管片上，這是因?yàn)榻ㄖ锏拇嬖冢鼗郊討?yīng)力較大，導(dǎo)致區(qū)間開挖，作用在管片上的土壓力相對(duì)其它位置更大，變形值滿足管片變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 區(qū)間貫通后管片水平位移

圖11區(qū)間貫通后管片拱頂沉降

4.5 建筑物變形及傾斜

建筑物變形計(jì)算結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 車站基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑后建筑物累計(jì)沉降

圖13 區(qū)間貫通后建筑物累計(jì)沉降

圖14區(qū)間貫通后建筑物水平位移

滂江街站主體基坑和控制中心基坑開挖完后，建筑物最大沉降為1.38 mm，位于七層建筑物靠近基坑側(cè)墻角處。區(qū)間貫通后，建筑物最大沉降增至4.27 mm，位置轉(zhuǎn)移至七層建筑物靠近區(qū)間側(cè)墻角處。

墻頂、底相對(duì)水平位移反映建筑物的傾斜情況，建筑物屋頂最大水平位移為2.41 mm，基礎(chǔ)水平位移可以忽略，經(jīng)計(jì)算得到建筑物的最大傾斜率為0.15‰，小于建筑物傾斜率控制值。

為了得到不同階段的施工對(duì)建筑物變形的貢獻(xiàn)，匯總建筑物沉降-歷時(shí)曲線，如圖15所示。

圖15建筑物沉降-歷時(shí)曲線

從圖15中可以看出：

(1) 層數(shù)不同、距離不同，建筑物的沉降-歷時(shí)曲線不同。層數(shù)越多，沉降越大，離基坑越近，沉降越大。離基坑更近的二層樓房與離基坑更遠(yuǎn)的六層樓房沉降相當(dāng)，兩者之間的七層樓房沉降最大。

(2) 由于端頭井空間效應(yīng)明顯，且基坑采用大直徑小間距(1000@1200)鉆孔灌注樁，設(shè)置5道支撐+1道倒撐，支護(hù)剛度較大，基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑過程導(dǎo)致建筑物的沉降不是很大，僅占總沉降的23%(以七層樓為例，余同)。

(3) 左線區(qū)間施工對(duì)建筑物的影響最大，引起沉降占總沉降的63%，右線區(qū)間離建筑物稍遠(yuǎn)，引起的沉降僅占14%。故應(yīng)特別加強(qiáng)左線盾構(gòu)施工控制，確保沉降不超標(biāo)。

(4) 隨著盾構(gòu)接近，建筑物沉降開始增加，沉降速率也增加，盾尾脫離建筑物時(shí)沉降速率最大，隨后隨著盾構(gòu)的遠(yuǎn)離，建筑物沉降雖然繼續(xù)增加，不過速率降低，直至離開建筑物20 m后，沉降趨于穩(wěn)定，可見本項(xiàng)目盾構(gòu)施工的影響范圍主要為前后20 m，當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入建筑物前后20 m范圍內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)反饋監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)盾構(gòu)施工，做到信息化施工。

5 結(jié) 論

本文以沈陽地鐵十號(hào)線滂江街站及滂長區(qū)間近接地面建筑物施工工程為實(shí)例，采用三維數(shù)值分析模型，分析了施工降水、基坑開挖、盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有建筑物的影響?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

(1) 沈陽地區(qū)降水引起地表及建筑物沉降主要表現(xiàn)為整體沉降，差異沉降較小，驗(yàn)證了本地區(qū)采用大管井降水對(duì)周邊環(huán)境影響較小的經(jīng)驗(yàn)。

(2) 加強(qiáng)基坑圍護(hù)、支撐剛度，可以有效的控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及周邊建筑物的沉降。而且盾構(gòu)端頭井空間效應(yīng)明顯，圍護(hù)水平位移和附近地面建筑沉降均相對(duì)較小。

(3) 多層建筑物導(dǎo)致地層產(chǎn)生附加應(yīng)力，管片在該處產(chǎn)生更大的收斂變形和拱頂沉降，同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)將在該處引起更大的沉降，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(4) 區(qū)間左線對(duì)建筑物影響明顯，應(yīng)加強(qiáng)左線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制，并加強(qiáng)建筑物前后20 m范圍內(nèi)監(jiān)測，及時(shí)反饋監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)施工，實(shí)現(xiàn)信息化施工。

[1] 陳國慶,潘儀凱,肖 亮.某深大基坑透水事故分析及處理[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2016,14(5):229-234.

[2] 王曉鋒.超大直徑盾構(gòu)下穿地下管線的變形及其安全控制研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(1):169-173.

[3] 周紅波，蔡來炳，高文杰.城市軌道交通車站基坑事故統(tǒng)計(jì)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(2)：67-71.

[4] 張曠成，李繼民.杭州地鐵湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(S1)：338-342.

[5] 陳云敏，胡 琦，陳仁朋.杭州地鐵湘湖車站基坑坍塌引起的基底土深層擾動(dòng)與沉降分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014(7)：110-117.

[6] 薛宏平.淺埋暗挖地鐵車站垮塌事故分析與風(fēng)險(xiǎn)控制[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(S2)：1788-1790.

[7] 楊書江.富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工地表坍塌原因及對(duì)策[J].都市快軌交通，2011，24(1)：77-79.

[8] 張運(yùn)良，聶子云，李鳳翔,等.數(shù)值分析在基坑變形預(yù)測中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(S1)：113-119.

[9] 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[10] 付昱凱，陸小龍，丁文其,等.盾構(gòu)隧道施工動(dòng)態(tài)擾動(dòng)特點(diǎn)及控制分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(4)：810-814.

[11] 山東省建設(shè)廳.建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范：GB 50497—2009[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[14] 陳衛(wèi)忠，伍國軍，賈善坡.ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[15] 費(fèi) 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2009.

InfluenceofMetroStationExcavatingandTunnelCrossingonGroundBuilding

BA Fang

(ShenyangMetroCo.,Ltd.,Shenyang,Liaoning110011,China)

An old residential building is just 10.5 meters from the deep Pangjiang Street Station excavation of Shenyang Metro Line 10, and the section tunnel from Pangjiang Street Station to Changan Road station will cross though the ground building, their vertical distance is 16 meters. Under the cumulated influence of metro station excavating and tunnel crossing, the ground building has a great risk of subsidence and deformation. In order to predict the settlement of the building and provide the basis for taking effective protective measures, a large finite element software ABAQUS is adopted to simulate the construction process of the station and the tunnel. The calculation results show that the major settlement is caused by the left tunnel crossing, therefore we should focus on strengthening the shield tunneling process control of the left tunnel and ensure the building settlement in the allowed range.

metrostation;deepexcavation;tunnel;groundbuilding;horizontaldisplacement;settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.041

2017-04-26

2017-05-29

巴 放(1978—)，男，遼寧大連人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事土建工程、隧道工程的施工管理工作。E-mail:sydtbf@163.com

TU47

A

1672—1144(2017)05—0218—06