邱美麗 王 偉 楊成永

(1．北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044; 2．中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

地鐵車站施工對鄰近建筑物的安全性影響評估

邱美麗1王 偉2楊成永1

(1．北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044; 2．中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的明挖施工過程進行了數(shù)值模擬，預(yù)測了施工過程引起的鄰近建筑物的豎向變形、橫向變形及傾斜，確定了既有建筑物變形的控制指標(biāo)，并給出了評估建議。

車站附屬結(jié)構(gòu)，明挖施工，鄰近建筑物，數(shù)值分析

0 引言

地下工程施工必然會對周圍地層產(chǎn)生擾動，改變土層的受力狀態(tài)，引起地層位移變形。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)埋深較淺時，施工對周圍土體的影響范圍就會波及到地表，引起地表沉降和變形，進而也會對地面鄰近既有建筑物的安全造成威脅。為了確保周圍既有結(jié)構(gòu)正常使用，保證地下結(jié)構(gòu)施工的順利進行，我們要選擇合理的施工方法，對既有結(jié)構(gòu)進行風(fēng)險評估，動態(tài)監(jiān)測地表及既有結(jié)構(gòu)的變形情況，及時調(diào)整施工方案、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

目前我國多采用FLAC，ANSYS，ABAQUS，MIDAS等有限元軟件模擬地下工程施工過程，預(yù)測地下工程開挖對鄰近既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最終變形，對既有結(jié)構(gòu)的安全做出評估，并依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)給出評估建議，指導(dǎo)工程施工。

本文采用ANSYS軟件，對北京地鐵昌平線昌平車站3號豎井、盾構(gòu)吊出井、2號風(fēng)道和C出入口的開挖過程進行了數(shù)值模擬，計算了鄰近建筑物昌平區(qū)糧食局辦公樓及朗廷賓館產(chǎn)生的變形。然后根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范給出了既有建筑物的變形控制指標(biāo)，提出了安全性影響評估結(jié)論。

1 工程概況

1．1 昌平站附屬結(jié)構(gòu)概況

北京地鐵昌平線昌平站工程，共設(shè)3個出入口、1個安全出入口和2個風(fēng)亭，均采用明挖法施工，與車站連接部采用暗挖法施工。車站總平面圖如圖1所示。

東端2號風(fēng)亭明挖基坑最深約為22．6 m，寬約為11．4 m，長為36．6 m，采用直徑1 000@1 500鉆孔樁加內(nèi)支撐的支護體系結(jié)合上部的土釘墻放坡開挖。C出入口結(jié)構(gòu)明挖部分基坑最深為16．1 m，寬約為12．3 m，長為42 m，采用直徑800@1 400鉆孔樁加內(nèi)支撐的支護體系結(jié)合上部的放坡開挖，C出入口與車站主體結(jié)構(gòu)之間的橫通道長約為13．3 m，覆土厚度為9．13 m，底板埋深為15．8 m。3 號豎井?dāng)嗝娉叽鐬?．6 m ×11．3 m，深約為 25．6 m，與豎井相連的橫通道長約為38 m，覆土厚度約為3．5 m，底板埋深約為22．4 m。盾構(gòu)吊出井?dāng)嗝娉叽鐬?2．7 m×13．5 m。

圖1 昌平站總平面圖

1．2 既有糧食局辦公樓、朗廷賓館概況

昌平區(qū)糧食局辦公樓建筑層數(shù)為地上5層，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)。埋深為1．6 m，基礎(chǔ)長49．5 m，西側(cè)寬12．6 m，東側(cè)寬16．6 m。地上一層高為3．9 m，其余各層均為3．3 m。

朗廷賓館建筑層數(shù)為地上8層，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為4．4 m。地上1層高為3．9 m，其余各層均為3．3 m。

1．3 新建工程與既有工程相對位置關(guān)系

C出入口明挖基坑與既有朗廷賓館南北向水平的最小距離為6．34 m，與糧食局辦公樓南北向水平的最小距離為8．35 m。2號風(fēng)道與糧食局辦公樓水平最小距離為9．7 m。平面關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 新建工程與既有樓房平面位置關(guān)系圖

1．4 工程地質(zhì)概況

按地層沉積年代、成因類型，本工程場地的土層為人工堆積層(Qml)、第四紀(jì)全新世沖洪積層(Q1al+pl4)、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(Qal+pl3)三大類。按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進一步分為8層，其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2 計算說明及假定

基于地層—結(jié)構(gòu)力學(xué)模型理論采用ANSYS有限元軟件進行變形及應(yīng)力分析計算。對擬開挖基坑施工步驟采用三維地層結(jié)構(gòu)模型模擬分析昌平站附屬結(jié)構(gòu)施工引起的既有糧食局辦公樓、朗廷賓館結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力變化。

在數(shù)值模擬中，我們做如下假定：

1)根據(jù)對既有樓房結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，目前既有結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計要求;2)既有樓房結(jié)構(gòu)內(nèi)力依據(jù)原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行計算分析，新建工程施工期間既有結(jié)構(gòu)僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況;3)假定既有樓房結(jié)構(gòu)為線彈性材料;4)假定新建結(jié)構(gòu)、既有樓房結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則;5)通過剛度等效的方法，將既有樓房結(jié)構(gòu)等效為一種同剛度材料;6)本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

3 車站附屬結(jié)構(gòu)施工對鄰近建筑物影響數(shù)值分析

3．1 盾構(gòu)吊出井和3號豎井施工對既有結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

1)計算模型。計算模型取包含新建豎井、盾構(gòu)吊出井、既有辦公樓和朗廷賓館的長140 m、寬100 m，自地表50 m厚的土體作為考察范圍，如圖3，圖4所示。周圍土體采用實體單元，不同的土層采用不同的材料模擬。邊界條件除頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。計算荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重力、樓房設(shè)計活荷載及地面均布超載20 kPa。

2)模擬工序。施工工序分三步：第一步，自地面同時開挖豎井和吊出井，開挖深度為7．6 m;第二步，繼續(xù)開挖深度為9 m;第三步，繼續(xù)開挖深度為9 m。

圖3 計算模型總體圖（一）

圖4 計算模型相對位置關(guān)系圖（一）

3)變形預(yù)測。3號豎井和盾構(gòu)吊出井的施工引起既有辦公樓最大豎向變形值為5．2 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近豎井一側(cè);最大橫向變形值為1．6 mm，趨向豎井，發(fā)生在臨近豎井一側(cè);既有朗廷賓館最大豎向變形值為2．5 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近豎井一側(cè);最大橫向變形值為0．78 mm，趨向豎井，發(fā)生在臨近豎井一側(cè)。

為了促進節(jié)能減排，滿足《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》(簡稱雙積分)文件的政策要求，很多車廠陸續(xù)推出了非插電式混合動力轎車。本文選擇2018款廣汽豐田凱美瑞、2016款廣汽本田雅閣、2017款上汽通用君威等三款售價相近且有代表性的中級轎車，對其安裝的非插電式混合動系統(tǒng)用發(fā)動機、高壓電池、電控變速器以及工作模式等進行詳細(xì)的技術(shù)比較。

3．2 2號風(fēng)道施工對既有結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

1)計算模型。計算模型取包含新建風(fēng)道基坑和既有辦公樓、朗廷賓館的長130 m、寬100 m，自地表50 m厚的土體作為考察范圍，如圖5，圖6所示。

圖5 計算模型總體圖（二）

圖6 計算模型相對位置關(guān)系圖（二）

2)模擬工序。施工工序分五步：第一步，自地面開挖風(fēng)道基坑，開挖深度為2．7 m，并隨開挖施作鋼支撐;第二步，繼續(xù)開挖深度為6．0 m;第三步，繼續(xù)開挖深度為5．0 m;第四步，繼續(xù)開挖深度為5．0 m;第五步，繼續(xù)開挖深度為3．9 m。

3)變形預(yù)測。2號風(fēng)道明挖施工引起既有辦公樓最大豎向變形值為10．9 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);最大橫向變形值為3．6 mm，趨向基坑，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);既有朗廷賓館最大豎向變形值為0．57 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);最大橫向變形值為0．35 mm，趨向基坑，發(fā)生在臨近基坑一側(cè)。

3．3 C出入口施工對既有結(jié)構(gòu)的影響分析

1)計算模型。計算模型取包含新建出入口基坑和既有辦公樓、朗廷賓館的長110 m、寬90 m，自地表35 m厚的土體作為考察范圍，如圖7，圖8所示。

2)模擬工序。施工工序分四步：第一步，自地面開挖出入口基坑，開挖深度為2．7 m，并隨開挖施作鋼支撐;第二步，繼續(xù)開挖深度為6．0 m;第三步，繼續(xù)開挖深度為5．0 m;第四步，繼續(xù)開挖深度為2．4 m。

圖7 計算模型總體圖（三）

圖8 計算模型相對位置關(guān)系圖（三）

3)變形預(yù)測。C出入口明挖施工引起既有辦公樓結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為5．4 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);最大橫向變形值為1．6 mm，趨向基坑，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);既有朗廷賓館結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為9．8 mm，下沉變形，發(fā)生在臨近基坑一側(cè);最大橫向變形值為2．8 mm，趨向基坑，發(fā)生在臨近基坑一側(cè)。

3．4 新建工程對既有結(jié)構(gòu)的綜合影響分析

4 變形控制指標(biāo)及評估結(jié)論

4．1 既有結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)

根據(jù)GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范及DBJ 11-501-2009北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范中對變形的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)建筑物高度自室外地面起算小于24 m時，多層和高層建筑的整體傾斜最大為4‰，體型簡單的高層建筑物基礎(chǔ)的平均沉降量最大為200 mm。

糧食局辦公樓和朗廷賓館的高度均在24 m以下，其平均沉降量控制值取200 mm，整體傾斜控制值取4‰。

4．2 評估結(jié)論

新建結(jié)構(gòu)施工引起既有結(jié)構(gòu)的沉降最大為14．9 mm，遠小于控制標(biāo)準(zhǔn)200 mm。故此工程既有結(jié)構(gòu)按整體傾斜率來控制。

根據(jù)既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀檢測結(jié)果，糧食局辦公樓現(xiàn)狀最大傾斜值為2．8‰，傾斜方向為東南;朗廷賓館現(xiàn)狀最大傾斜值為2．9‰，傾斜方向為西北。

根據(jù)變形預(yù)測結(jié)果，施工引起辦公樓最大傾斜值為0．77‰，傾斜方向為北側(cè)。新建工程施工引起的傾斜方向與原結(jié)構(gòu)的傾斜方向相反，新建工程施工對既有結(jié)構(gòu)傾斜起到糾偏作用，而且傾斜值疊加后在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，在正常施工條件下，能夠保證既有辦公樓的安全。

施工引起朗廷賓館最大傾斜值為0．82‰，傾斜方向為北側(cè)。新建工程的施工引起的傾斜與原結(jié)構(gòu)的傾斜疊加，得到總的傾斜值為3．72‰，仍在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，在正常施工條件下，能夠保證既有朗廷賓館的安全。

5 結(jié)語

本文根據(jù)北京地鐵昌平線昌平車站的場地條件，建立有限元模型，就3號豎井、盾構(gòu)吊出井、2號風(fēng)道和C出入口的施工對鄰近建筑物昌平區(qū)糧食局辦公樓及朗廷賓館的影響進行了計算，提出了變形控制指標(biāo)，得到了新建結(jié)構(gòu)施工能夠保證既有結(jié)構(gòu)安全的評估結(jié)論。

但新建結(jié)構(gòu)施工后，既有朗廷賓館的整體傾斜值將達到3．7‰，離規(guī)范允許值4‰的安全儲備較小。因此，建議設(shè)計縮小C出入口和2號風(fēng)道水平內(nèi)支撐的豎向間距，增加水平支撐的層數(shù)，提高工程的安全儲備。

考慮到地下工程施工的復(fù)雜性，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，進行動態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工方案，以確保地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)順利施工及既有結(jié)構(gòu)安全。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］DBJ 11-501-2009，北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院．昌平站車站附屬結(jié)構(gòu)圖［Z］．2011．

［4］上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院．昌平站車站附屬結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)圖［Z］．2011．

［5］上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院．昌平站車站結(jié)構(gòu)地質(zhì)縱剖面圖［Z］．2011．

［6］國防科工委京東工程設(shè)計部．昌平糧食局機關(guān)辦公樓建筑、結(jié)構(gòu)圖［Z］．1984．

［7］北京交通大學(xué)．北京市昌平區(qū)糧食局辦公樓、朗廷賓館現(xiàn)狀調(diào)查與檢測報告［R］．2012．

［8］譚建國．使用ANSYS 6．0進行有限元分析［M］．北京：北京大學(xué)出版社，2002．

［9］劉 濤，楊鳳鵬．精通ANSYS［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002．

Assessment on the safety of existing structures affected due to metro excavations

QIU Mei-li1WANG Wei2YANG Cheng-yong1

(1．School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China; 2．China Railway 20 Bureau Group Co．，Ltd，Xi’an 710016，China)

According to the numerical simulation of the construction of affiliated structures of a subway station，vertical settlement，horizontal displacement and inclination of existing buildings were predicted．Control values of deformation were selected and assessment on the safety of existing buildings was made．

affiliated structures of subway station，ground excavation，nearby buildings，numerical analysis

TU753

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.036

1009-6825(2013)10-0057-03

2013-01-11

邱美麗(1987-)，女，在讀碩士; 王 偉(1973-)，男，工程師; 楊成永(1966-)，男，博士生導(dǎo)師，教授