景海河 滿云芬 趙 雷

(黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

地鐵車站基坑開挖對周圍建筑物影響優(yōu)化分析

景海河 滿云芬 趙 雷

(黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

結(jié)合工程實(shí)例，對其中一個風(fēng)險源進(jìn)行MIDAS/GTS數(shù)值模擬，分析了基坑開挖對周邊環(huán)境產(chǎn)生的附加變形，根據(jù)分析結(jié)果加強(qiáng)了對基坑周圍建筑物的保護(hù)措施，并選取部分實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：二者數(shù)據(jù)吻合較好，數(shù)值模擬采用的計算模型、參數(shù)合理，能較真實(shí)的反映基坑開挖過程的實(shí)際狀態(tài)。

基坑開挖，數(shù)值模擬，建筑物沉降

隨著城市的發(fā)展，地鐵車站一般選在城市繁華區(qū)，基坑的開挖往更深更大的方向發(fā)展，基坑建設(shè)對周圍建筑物和地下管線造成很大的影響［1］。由于某些地鐵車站的基坑緊挨著建筑物或構(gòu)筑物，在這種環(huán)境中來進(jìn)行深基坑的施工，必然引起基坑四周地面與原有建筑物的沉降變形，從而引發(fā)基坑安全問題［2］，給設(shè)計和施工帶來極大難題［3-5］。因此，施工前應(yīng)該很好地預(yù)估施工開挖對周圍建筑物的安全性可能造成的影響及其程度，從而采取相應(yīng)的保護(hù)措施;加強(qiáng)安全監(jiān)測信息系統(tǒng)［6，7］，因?yàn)楸O(jiān)測數(shù)據(jù)針對基坑的施工與管理可能存在的風(fēng)險能夠提供必要的反饋信息，以便對設(shè)計做出合理調(diào)整，確?；优c建筑物的安全。本文結(jié)合北京地鐵八號線二期工程的一個中間站施工的工程實(shí)例，對其中一個風(fēng)險源進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)測分析，研究基坑開挖對周圍建筑物造成的影響。

1 工程概述

1．1 工程概況

安德里北街站是北京市地鐵八號線二期工程的一個中間站。車站沿鼓樓外大街一字形布置，為地下兩層島式車站，車站總長242．2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20．9 m，呈南北走向。南段明挖段119．25 m，中間暗挖35 m，北段87．95 m。車站有效站臺中心里程處頂板覆土厚度為5．002 m，底板埋深約20．662 m。暗挖段覆土為6．1 m?；影踩燃墝儆谝患墶Ａ伩?號樓，該樓結(jié)構(gòu)形式為6層磚混結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，無地下室，位于南段基坑?xùn)|側(cè)，地鐵沿線 YDK17+045．571～ YDK17+107．470，基地埋深約1．5 m。與車站盾構(gòu)井段基坑最小距離約為6．19 m，盾構(gòu)井處基坑深度約為22．3 m，屬于一級風(fēng)險源。

1．2 工程地質(zhì)概況

本段表層主要為人工堆積層，人工堆積層以下為第四紀(jì)沉積的粘性土、粉土、砂土及砂、卵石交互沉積層。第四系沉積厚度80 m～120 m。場地土層概況見表1。

1．3 水文地質(zhì)概況

擬建工程場區(qū)在深度30．00 m范圍內(nèi)，4層地下水，第1層為上層滯水，較普遍存在;第2，3層為層間滯留水，僅局部存在;第4層為潛水，水位埋深較大，見表2。

1．4 基坑圍護(hù)設(shè)計方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)為直徑1 000 mm間距1 500 mm鉆孔灌注樁。樁頂設(shè)冠梁，樁間采用掛Φ8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)、噴射150 mm厚混凝土，內(nèi)支撐采用φ609的鋼管支撐，豎向設(shè)四道支撐加兩道換撐。支撐水平間距一般為3 m。擴(kuò)大端斜撐豎向設(shè)四道，基坑平面內(nèi)一般采用對撐，在端部和角部采用斜撐。

2 基坑開挖的數(shù)值模擬

2．1 模型計算的參數(shù)

模型物理力學(xué)參數(shù)的選取是影響基坑穩(wěn)定性評價的重要因素。經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探、原位測試以及室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件及地方經(jīng)驗(yàn)，選取了本模型所采用的物理力學(xué)參數(shù)，詳見表3。噴射混凝土 C20截面，矩形，B=1．5 m，H= 0．20 m;橫向支撐鋼管截面，圓形空心，D=0．609 m，TW=0．018 m;右側(cè)小區(qū)樓房壓力荷載，Q=120 kN/m2;第一道支撐預(yù)應(yīng)力：283 kN;第二道支撐預(yù)應(yīng)力：636 kN;第三道支撐預(yù)應(yīng)力：848 kN;第四道支撐預(yù)應(yīng)力：1 060 kN。

表1 地層概況

表2 地下水分布 m

2．2 計算模型

采用MIDAS/GTS仿真分析軟件考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析，模型如圖1所示，對無旋噴樁和有旋噴樁的不同情況進(jìn)行對比分析。隧道圍巖本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型。所采用模型寬125．2 m，深78．9 m，圍護(hù)樁采用板單元模擬，支撐采用桁架單元模擬。

表3 模型參數(shù)

圖1 有限元網(wǎng)格圖

2．3 計算結(jié)果

根據(jù)基坑開挖步驟進(jìn)行開挖模擬，得到基坑開挖對周邊環(huán)境產(chǎn)生的附加變形。模型計算結(jié)果由豎向位移圖和水平收斂圖來表示。圖2為基坑無旋噴樁時開挖到第4步基坑與建筑物豎向位移圖和水平收斂圖。由圖可知建筑物最大沉降為13．63 mm (最小控制值10 mm)，建筑物不均勻沉降為7．2 mm(最小控制值5 mm)，大于最小控制值，不能滿足要求，需采取措施加強(qiáng)保護(hù)。

圖2 無旋噴樁開挖基坑變形

圖3分別為基坑開挖到第4步有旋噴樁時基坑與建筑物豎向位移圖和水平收斂圖。由圖可知建筑物最大沉降為4．02 mm，建筑物不均勻沉降為2．8 mm，小于最小控制值，滿足安全要求。因此，在基坑與樓房之間打設(shè)φ800的旋噴樁咬合200 mm，以減少降水施工對樓房基礎(chǔ)的沉降影響。

圖3 旋噴樁開挖基坑變形

3 建筑物監(jiān)測結(jié)果與分析

測點(diǎn)布置根據(jù)工程、水文地質(zhì)條件、建筑物的體形、基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)類型與重要程度綜合考慮，建筑物沉降采用水準(zhǔn)測量，傾斜采用經(jīng)緯儀測量。本工程監(jiān)測點(diǎn)位布置圖見圖4。根據(jù)部分監(jiān)測結(jié)果，繪制出在基坑開挖過程中建筑物監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線，如圖5所示。由整個曲線可知，建筑物最大沉降量為2．7 mm，在控制值范圍之內(nèi)。對距離盾構(gòu)井基坑較近的沉降觀測點(diǎn)的影響較大，即基坑開挖對建筑物沉降的影響隨距基坑距離的增大而減弱。

開挖到基坑底部數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比見表4。由表4可知數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果較接近，并在可控范圍內(nèi)，表明其數(shù)值模擬分析是合理的，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中滿足設(shè)計要求。該方法在實(shí)際工程中可行。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)位布置圖

圖5 監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線

表4 計算和實(shí)測結(jié)果對比 mm

4 結(jié)語

本工程通過MIDAS/GTS有限元分析軟件模擬了地鐵車站基坑開挖過程，得到了基坑開挖對周圍環(huán)境產(chǎn)生的附加變形的情況，從模擬和監(jiān)測結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬能夠較為真實(shí)的反應(yīng)深基坑開挖過程的實(shí)際狀態(tài)，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果針對基坑周圍建筑物存在的風(fēng)險設(shè)計出合理的保護(hù)措施，旋噴樁起到止水帷幕的作用。

2)由監(jiān)測結(jié)果分析可知基坑開挖對建筑物沉降的影響隨距基坑距離的增大而減弱。

3)根據(jù)數(shù)值模擬與部分實(shí)測結(jié)果對比分析可見二者數(shù)據(jù)吻合較好，數(shù)值模擬采用的摩爾—庫侖本構(gòu)模型、物理計算參數(shù)合理，建筑物沉降與傾斜監(jiān)測結(jié)果均在可控范圍內(nèi)，表明所采用支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。本案例可為同類型工程提供有益參考。

［1］張維來，麻鳳海．地鐵車站深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響研究［J］．工程技術(shù)，2010(5)：141-142．

［2］王曉強(qiáng)，王嘉楊，王 昂．合肥地鐵深基坑施工對周圍建筑物的影響［J］．建筑科學(xué)，2011，27(9)：105-107．

［3］宋衛(wèi)東，王永清，馬鵬姣，等．北京地鐵五號線近接玉蜓橋施工的力學(xué)行為研究［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報，2007，29(3)：251-255．

［4］孔祥鵬，留國彬，廖少明．明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(5)：821．

［5］張志強(qiáng)，何 川．深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學(xué)行為研究［J］．巖土工程學(xué)報，2003，25(2)：204．

［6］Dongwei QIU，Qinghuai LIANG．Safety Monitoring Information System of Urban Subway［C］．2009 WASE International Conference on Information Engineering，2009．

［7］衡朝陽，膝延京，陳希泉．地鐵盾構(gòu)隧道周邊建筑物地基基礎(chǔ)變形控制研究［J］．地下空間與工程學(xué)報，2006，2(2)：1336-1340．

［8］李 輝，楊羅沙，李 征，等．基于 MIDAS/GTS對地鐵站超 深基坑空間效應(yīng)的研究［J］．鐵道建筑，2011(4)：83-85．

Optimal analysis on the impact of subway station foundation excavation upon surrounding buildings

JING Hai-heMAN Yun-fen ZHAO Lei

(Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin 150027，China)

Combining with the engineering example，the paper carries out MIDAS/GTS numerical simulation for one risk source，analyzes additional deformation of foundation excavation upon surrounding environment．According to analysis results，it strengthens protective measures of surrounding buildings，compares partial measurement results to simulation results．Results show that：the two data are coordinated，the calculation model and parameters are rational，which can reflects actual foundation excavation process．

foundation excavation，numerical simulation，building settlement

TU463

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.037

1009-6825(2013)10-0060-03

2013-01-29

景海河(1963-)，男，博士，教授; 滿云芬(1987-)，女，在讀碩士; 趙 雷(1987-)，男，在讀碩士