地鐵深基坑對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)影響研究

趙文強(qiáng)

（青島市地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 山東青島 266300）

1 引言

我國(guó)地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間，地震活動(dòng)頻繁，是世界上最大的大陸淺源強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)[1]，且大量工程位于高地震烈度或頻震區(qū)?；訒?huì)在一定程度上改變鄰近場(chǎng)地條件，局部條件對(duì)地震波的傳播影響很大，從而可能引起地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的放大或縮小，以及震害分布的區(qū)域化[2]。

我國(guó)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[3－6]沒有考慮基坑的存在對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)的影響，特別是緊鄰高層建筑的超深基坑，其建設(shè)和使用周期較長(zhǎng)，對(duì)于高地震烈度或頻震區(qū)（如四川、甘肅等地），一旦發(fā)生較大強(qiáng)度的地震，可能會(huì)造成不可估量的后果。

目前相關(guān)研究大多集中在地下結(jié)構(gòu)或基坑自身對(duì)地震作用的響應(yīng)。郭鴻俊等[7]應(yīng)用有限單元法分析了深基坑懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)。陳建永[8]應(yīng)用有限單元法和強(qiáng)度折減法分析了深基坑排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)和穩(wěn)定性的變化。康景文等[9]通過經(jīng)歷“5·12汶川特大地震”仍處于穩(wěn)定狀態(tài)的基坑，研究了基坑錨拉支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在地震荷載作用下的狀態(tài)變化及其規(guī)律性。

隨著軌道交通的快速發(fā)展，在城市繁華區(qū)域或一些特定地段，地鐵基坑緊鄰周邊建筑物工程已成常態(tài)。關(guān)于深基坑對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)影響的研究是一個(gè)不容忽視的課題。本文利用MIDAS GTS數(shù)值分析軟件，針對(duì)成都某地下4層地鐵車站深基坑鄰近某高層住宅樓進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地震作用下地鐵深基坑對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)的影響，為類似工程提供參考。

2 工程及地質(zhì)概況

（1）工程概況

鄰近建筑為住宅樓，該住宅為地上16層（地下2層）框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約9 m。地鐵車站基坑與該住宅樓最小水平距離約6.2 m。基坑深約36.4 m、寬25.2 m，采用鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐支護(hù)，中間設(shè)置臨時(shí)立柱。圍護(hù)樁采用φ1.2 m＠1.5 m鉆孔樁。第一、三道支撐采用0.8 m×1 m砼撐，水平間距6 m；第二、四、五道采用φ609鋼支撐（壁厚16 mm），水平間距3 m。圍護(hù)樁嵌固深度5.0 m。臨時(shí)立柱采用φ1.2 m＠6 m的鉆孔樁。基坑與住宅樓位置關(guān)系見圖1。

圖1 基坑與住宅樓位置關(guān)系剖面（單位：mm）

（2）地質(zhì)概況

表1 地層參數(shù)

3 數(shù)值模擬及分析

3．1 模型的建立

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，模型邊界一般采用粘性或粘彈性人工邊界，粘彈性邊界可以較好地模擬地基的輻射阻尼[10]。粘彈性人工邊界，可在有限元模型邊界節(jié)點(diǎn)的法向和切向設(shè)置并聯(lián)的彈簧單元和阻尼器單元[11－12]。在 MIDAS GTS中通過輸入基床系數(shù)及阻尼實(shí)現(xiàn)粘彈性人工邊界的加載，解決了對(duì)于有限的計(jì)算區(qū)域，波動(dòng)能量在人工邊界上發(fā)生反射而導(dǎo)致模擬失真問題。

在對(duì)建立的有限元分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，振動(dòng)波的高頻（短波）成分決定網(wǎng)格單元尺寸，低頻（長(zhǎng)波）成分決定模型邊界范圍的大小。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，動(dòng)力分析時(shí)一般要求模型單元尺寸不大于1 m；模型的兩側(cè)邊界與地下結(jié)構(gòu)距離不小于3倍的地下結(jié)構(gòu)寬度，底面取至設(shè)計(jì)地震作用的基準(zhǔn)面且距離結(jié)構(gòu)不小于3倍的地下結(jié)構(gòu)豎向高度，上表面取至實(shí)際地表。

本文采用MIDAS GTS軟件對(duì)地層－結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行時(shí)程分析，地層模型尺寸為長(zhǎng)215.2 m、高156.4 m。模擬時(shí)，地層采用平面單元，鄰近建筑按質(zhì)量等效為線單元。模型地表為自由面，周邊采用粘彈性人工邊界。

3．2 地震動(dòng)時(shí)程

本工程場(chǎng)地位于成都市，抗震設(shè)防烈度7度，場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第三組，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。根據(jù)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地類別為Ⅱ類。計(jì)算采用50年超越概率為10%的基巖加速度反應(yīng)譜和峰值加速度作為地震動(dòng)時(shí)程合成的目標(biāo)峰值和反應(yīng)譜，采用擬合基巖反應(yīng)譜的三角級(jí)數(shù)迭代法合成地震反應(yīng)分析所需的基巖地震動(dòng)時(shí)程。地震動(dòng)時(shí)程曲線見圖2。

圖2 50年超越概率10%基巖水平地震動(dòng)時(shí)程曲線

3．3 計(jì)算工況

本次模擬按如下四種工況進(jìn)行分析，通過四種工況對(duì)比，研究地鐵深基坑對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)的影響。

工況一：無(wú)地鐵基坑，有鄰近建筑；

工況二：有地鐵基坑，有鄰近建筑；

工況三：有地鐵基坑，無(wú)鄰近建筑；

工況四：無(wú)地鐵基坑，無(wú)鄰近建筑。

3．4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（1）最大水平相對(duì)位移計(jì)算結(jié)果

四種工況下的最大水平相對(duì)位移云圖見圖3～圖6。

圖3 工況一最大水平相對(duì)位移云圖

圖4 工況二最大水平相對(duì)位移云圖

圖5 工況三最大水平相對(duì)位移云圖

圖6 工況四最大水平相對(duì)位移云圖

通過數(shù)值模擬計(jì)算，地震作用時(shí)，工況一鄰近建筑頂部相對(duì)模型底的最大相對(duì)位移為174.8 mm，發(fā)生于9.82 s；工況二鄰近建筑頂部相對(duì)模型底的最大相對(duì)位移為320.2 mm，發(fā)生于10.88 s；工況三地面點(diǎn)相對(duì)模型底的最大相對(duì)位移為53.3 mm，發(fā)生于10.14 s；工況四地面點(diǎn)相對(duì)模型底的最大相對(duì)位移為24.7 mm，發(fā)生于9.50 s。

（2）建筑物底部角點(diǎn)處地面位移計(jì)算結(jié)果

建筑物底部角點(diǎn)處地面位移時(shí)程曲線見圖7。

圖7 建筑物底部角點(diǎn)處地面位移時(shí)程曲線

通過數(shù)值模擬計(jì)算，地震作用時(shí)，工況一建筑物底部地面最大位移為97.8 mm，發(fā)生于10.24 s；工況二建筑物底部地面最大位移為297.4 mm，發(fā)生于10.64 s；工況三建筑物底部角點(diǎn)處地面最大位移為216.7 mm，發(fā)生于11.06 s；工況四建筑物底部角點(diǎn)處地面最大位移為73.9 mm，發(fā)生于10.24 s。工況一及工況四位移曲線于位移零軸兩側(cè)分布，兩側(cè)位移幅值接近；工況二及工況三位移曲線主要分布于位移0軸以上，位移傾向基坑。

（3）層間位移計(jì)算結(jié)果

由圖8可知：地震作用時(shí)，工況一鄰近建筑第1層最大層間位移為12.7 mm，發(fā)生于10.18 s；第8層最大層間位移為13.2 mm，發(fā)生于14.06 s；第16層最大層間位移為3.6 mm，發(fā)生于10.00 s。位移曲線于位移零軸兩側(cè)分布，兩側(cè)位移幅值接近。

圖8 工況一層間位移時(shí)程曲線

由圖9可知：地震作用時(shí)，工況二鄰近建筑第1層最大層間位移為14.1 mm，發(fā)生于10.98 s；第8層最大層間位移為25.9 mm，發(fā)生于10.36 s；第16層最大層間位移為13.4 mm，發(fā)生于10.74 s。位移曲線主要分布于位移零軸以上，位移傾向基坑。

圖9 工況二層間位移時(shí)程曲線

（4）計(jì)算結(jié)果對(duì)比及分析

將四個(gè)工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見表2、表3。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比（層間位移） mm

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比（地面及相對(duì)位移） mm

通過各工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，深基坑在一定程度上改變了鄰近場(chǎng)地條件，對(duì)周邊場(chǎng)地及鄰近建筑的地震響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響，地震作用時(shí)引起地面及鄰近建筑運(yùn)動(dòng)明顯增大。工況三較工況四地面位移增加約193.2%，地面最大相對(duì)位移增加約115.8%；工況二較工況一地面位移增加約204.1%，樓頂最大相對(duì)位移增加約83.2%。

工況二鄰近建筑層間位移均大于工況一，即基坑修建后在地震作用下鄰近建筑的層間位移均有增加，第1層層間位移增加約11%，第8層層間位移增加約96.2%，第16層層間位移增加約272.2%，中間層及頂層層間位移增加明顯。工況一中，第8層層間位移為13.2 mm，層間位移角約為1.1／250；工況二中，第8層層間位移為25.9 mm，層間位移角約為 2.17／250。

工況一較工況四及工況二較工況三，地震作用下建筑物的存在會(huì)在一定程度上增加鄰近場(chǎng)地的震動(dòng)位移，但增加幅度相對(duì)較小。工況一較工況四，地面位移增加約32.3%；工況二較工況三，地面位移增加約37.2%。

工況一和工況四在無(wú)基坑條件下，地震作用引起地層、地表及建筑物的位移分布于位移零軸兩側(cè)，且兩側(cè)幅度接近；但存在基坑的工況二和工況三，地層及建筑物位移均向基坑側(cè)呈明顯增大趨勢(shì)，地層及建筑物一定程度上向基坑方向傾斜，大幅增加了地震作用下鄰近建筑地震破壞的可能性。

3．5 深基坑對(duì)鄰近建筑地震響應(yīng)的影響

（1）綜合計(jì)算結(jié)果，修建地鐵基坑后，地震作用下鄰近場(chǎng)地及鄰近建筑位移明顯增大，且位移傾向基坑側(cè)，說(shuō)明基坑的存在對(duì)鄰近場(chǎng)地及鄰近建筑的地震響應(yīng)特性影響較大。其原因在于基坑開挖后削弱了地層的整體性和自身阻尼特性，基坑雖然有圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐，但仍加劇了地震作用。并且基坑開挖后使地層產(chǎn)生臨空面，地震波傳遞至基坑范圍時(shí)基坑兩側(cè)地層形成一定的鞭梢效應(yīng)，增大了地層的震動(dòng)位移，從而加劇了鄰近建筑的振動(dòng)幅度。因此，一旦基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞，極有可能引起鄰近建筑發(fā)生破壞。

（2）對(duì)于存在鄰近建筑工況，地震作用下場(chǎng)地內(nèi)位移有所增大。其原因在于地面建筑增加了作用在周邊地層及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，因此導(dǎo)致作用在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的地震作用有所增大，基坑兩側(cè)地層位移增加后在一定程度上又影響了鄰近建筑的震動(dòng)位移，亦增加了地震作用時(shí)基坑及鄰近建筑的地震破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）地鐵深基坑的存在改變了鄰近場(chǎng)地條件，對(duì)周邊場(chǎng)地及鄰近建筑的地震響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響，地震作用時(shí)引起地面及鄰近建筑的位移或相對(duì)位移明顯增大。因此，地鐵深基坑使鄰近建筑所受地震作用增大。

（2）基坑開挖后削弱了地層的整體性和穩(wěn)定性，使地層形成相對(duì)臨空面，地震作用時(shí)，基坑兩側(cè)土體存在相向或相悖運(yùn)動(dòng)，增大了支撐軸力，并且基坑兩側(cè)地層及鄰近建筑的震動(dòng)位移均傾向基坑。在基坑未失穩(wěn)情況下，仍增加了建筑物的層間位移，亦增大了鄰近建筑開裂或破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）鄰近建筑的存在，使周邊場(chǎng)地及基坑在地震作用下的位移有所增大，增加了基坑支護(hù)體系失穩(wěn)及基坑破壞的風(fēng)險(xiǎn)。