劉福生, 申文明

(中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司， 浙江杭州 310004)

地鐵附屬基坑開挖對臨近建筑物的影響分析

劉福生, 申文明

(中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司， 浙江杭州 310004)

結(jié)合寧波市軌道交通1號線工程某地鐵車站附屬基坑工程為背景，采用二維數(shù)值模擬的研究方法，分析附屬基坑開挖引起的地層變化和對既有建筑物的影響。對基坑工程中，臨近建筑物保護工程可實施性進(jìn)行研究，提出相應(yīng)保護方案。研究結(jié)果表明：在基坑圍護樁周邊設(shè)置灌注樁的措施，既保證也能有效降低基坑開挖對周邊建筑變形影響，同時降低造價，減小拆遷，取得良好的經(jīng)濟和社會效益。

深基坑； 數(shù)值模擬； 建筑物保護； 地層變形

隨著城市軌道交通的發(fā)展，根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃和功能需要，地鐵貫穿于道路狹窄、建筑物密集的老城區(qū)。老城區(qū)部分建筑物建設(shè)時期早，淺基礎(chǔ)或無基礎(chǔ)，且房屋結(jié)構(gòu)剛度強度較小，地鐵車站附屬設(shè)置于建筑物周邊。地鐵車站附屬臨近建筑物，基坑開挖難免對既有建筑物產(chǎn)生擾動，引起一系列環(huán)境和施工風(fēng)險。為了評價基坑開挖對周邊建筑物影響，劉紅巖等人采用有限元方法對基坑開挖進(jìn)行模擬研究了不同條件下開挖基坑安全系數(shù)[1]。在此基礎(chǔ)上，不少學(xué)者研究了基坑開挖對臨近管線及地下建筑的影響[2-4]。通過與現(xiàn)場實測相結(jié)合的辦法，預(yù)測基坑開挖相關(guān)影響取得了很大進(jìn)步，為基坑設(shè)計提供了有價值的參考[5-7]。本文以寧波市軌道交通1號線一期工程某地鐵車站附屬基坑開挖為背景，采取數(shù)值方法對基坑開挖對附近建筑影響進(jìn)行分析，并通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對基坑開挖時鄰近房屋保護方案進(jìn)行評價。

1 工程背景

1.1 工程概況

寧波地鐵一號線盛莫路站位于寧穿路與規(guī)劃盛莫路交叉口地下，沿寧穿路由西北向東南走向布置，按跨路口設(shè)置。場地緊鄰盛莫路三角形環(huán)島處，車流較多，路兩側(cè)主要為學(xué)校和廠房以及民居。車站起點里程K19+357.891，終點里程K19+532.891，有效站臺中心里程為K19+425.891，總長175 m。車站設(shè)置4個通道與2個風(fēng)道，其中4號通道預(yù)留，如圖1所示。1號通道、2號通道分別位于車站北側(cè)中部及西端，且車站主體、1號通道、2號通道及1號風(fēng)道已施工完成。3號通道位于車站西南側(cè)，長39.35 m，寬15.6 m，總建筑面積約734 m2，為地下一層框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順做法施工?；娱_挖深度為10.1 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ850@600SMW工法樁+內(nèi)支撐體系。支撐型式為一道混凝土加兩道鋼支撐，其中局部靠近沿街商鋪范圍內(nèi)的第二道支撐為混凝土支撐，兩道混凝土支撐截面均為800 mm×800 mm，支撐水平向間距為6 m?；泳植康诙乐尾捎媒孛?00 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，其余部分采用直徑609 mm，壁厚16 mm鋼管支撐。鋼筋混凝土支撐水平向間距為6 m，鋼支撐水平向間距為3 m。第三道支撐均采用直徑609 mm，壁厚16 mm鋼管支撐，水平向間距為3 m?；涌觾?nèi)采用三軸攪拌樁加固，加固深度為坑底以下3 m，水泥摻量為20%，28d加固后土體無側(cè)限抗壓強度qu≥1.0 MPa。坑外與地墻接縫處采用高壓旋噴樁加固，加固深度同圍護樁，28 d加固后土體無側(cè)限抗壓強度qu≥1.2 MPa。

圖1 基坑總平面

(a)平面圖

經(jīng)對場區(qū)建筑物、管線的綜合分析，基坑西南角浙江建材市場三層房屋距基坑12.7 m，該建筑于2010年經(jīng)相關(guān)機構(gòu)鑒定為C類危房，受政策處理，基坑開挖期間暫不能拆遷。為了最大程度減小基坑開挖對該建筑的影響，施工方提出兩套保護方案。方案一如圖2所示，現(xiàn)狀圍護結(jié)構(gòu)外邊線與施工圍擋最小凈距為3.6 m，沿圍擋線設(shè)置一排直徑800 mm,樁距1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長22 m，樁底標(biāo)高與圍護結(jié)構(gòu)SMW樁型鋼底標(biāo)高一致；方案二，如圖3所示，采用鉆孔樁與原SMW樁形成雙排樁：現(xiàn)狀圍護結(jié)構(gòu)外設(shè)置直徑800 mm，樁距1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長20 m，SMW樁與鉆孔樁樁中心距為2 m，樁底標(biāo)高與圍護結(jié)構(gòu)SMW樁型鋼底標(biāo)高一致。針對兩種保護方案，本文采用數(shù)值方法對保護方案進(jìn)行模擬并最終將數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比對保護方案效果進(jìn)行評價。

(b)剖面圖圖2 保護方案一

(a)平面圖

(b)剖面圖圖3 保護方案二

1.2 場地工程地質(zhì)條件

本工程由上而下涉及到土層有：①1-1層雜填土、①2層灰黃色黏土、①3灰色淤泥質(zhì)黏土、②2-1灰色淤泥、②2-2

灰色淤泥質(zhì)黏土、③1粉砂、 ③2灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂、④1-2灰色粉質(zhì)黏土、④2灰色黏土?；涌拥孜挥冖?灰色淤泥質(zhì)黏土；圍護樁樁底位于均位于④1-2灰色粉質(zhì)黏土。土層具體參數(shù)如表1 所示。

表1 土層參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)與模型

本節(jié)采用商用有限軟件Midas-NTX 對基坑開挖進(jìn)行模擬。由于附屬基坑為長型基坑，且建筑物主要臨近基坑長邊一側(cè)，因此，本文采用簡化的2D數(shù)值模型進(jìn)行模擬。搭設(shè)隔離樁(方案一)有限元模型如圖4所示，地基模型長85 m，寬30 m，高28 m，采用實體單元建模，單元數(shù)共計13 260個，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；房屋模型長7 m，高8.5 m，采用板結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，工法樁和隔離樁采用板單元，內(nèi)支撐采用梁單元，具體參數(shù)如表2所示?；訃o樁外圍設(shè)置灌注樁(方案二)有限元模型如圖5所示，地基和房屋建模和方案一相同，地基采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，房屋采用板結(jié)構(gòu)單元，另外工法樁和隔離樁采用板單元，內(nèi)支撐和鋼架梁采用梁單元，具體參數(shù)如表2所示。

表2 單元參數(shù)

圖4 數(shù)值模型(方案一)

圖5 數(shù)值模型(方案二)

2.2 計算結(jié)果分析

圖6所示為設(shè)置隔離樁條件下，基坑開挖側(cè)向變形，可以發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)置混凝土支撐位置，基坑變形得到了很好的控制，而沒有混凝土支撐位置，基坑側(cè)壁出現(xiàn)了明顯的側(cè)向位移，最大側(cè)向位移約為34 mm；另外，隔離樁幾乎沒受到基坑開挖的影響。圖7 所示為采用圍護樁外圍設(shè)置灌注樁方案，基坑開挖側(cè)向變形規(guī)律類似，混凝土內(nèi)支撐能夠很好控制基坑側(cè)向位移，由于在基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置了灌注樁，且通過鋼架把圍護結(jié)構(gòu)和灌注樁鏈接為一體，增加了圍護結(jié)構(gòu)的剛度，基坑最大側(cè)向位移約為30 mm，與此同時，灌注樁也和圍護結(jié)構(gòu)一起出現(xiàn)協(xié)同變形。

圖6 基坑側(cè)向變形(方案一)

圖7 基坑側(cè)向變形(方案二)

基坑開挖過程中基坑圍護樁側(cè)向位移如圖8所示。方案一條件下，基坑圍護樁側(cè)向變形如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，開挖第一步時，基坑最大側(cè)向位移發(fā)生在圍護樁頂部，隨著開挖深度增加，基坑側(cè)向變形逐步增大，而與此同時最大側(cè)向變形發(fā)展規(guī)律為：隨著深度增加，圍護樁側(cè)向變形逐步增加，到基坑中部時，圍護樁側(cè)向變形達(dá)到最大約為10 mm，隨著深度繼續(xù)增加，圍護樁側(cè)向變形逐步減小，直至基坑底部，圍護樁側(cè)向變形為0。 方案二條件下，基坑圍護樁側(cè)向變形如圖9所示，隨著基坑開挖深度增大，基坑圍護側(cè)向逐步增大；另外，基坑側(cè)向變形在基坑中上部保持一致，而在基坑下部，基坑側(cè)向變形逐步變小。對比方案一和方案二，可以發(fā)現(xiàn)，方案一最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑中部且位移為34 mm，方案二最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑中部，且位移為30 mm，由此可以發(fā)現(xiàn)方案一中的隔離樁設(shè)置對基坑圍護樁側(cè)向變形影響有限，方案二在基坑圍護樁周圍設(shè)置灌注樁能有效減小圍護樁的側(cè)向位移。

圖8 圍護樁側(cè)向變形(方案一)

圖9 圍護樁側(cè)向變形(方案二)

圖10 建筑物墻頂側(cè)向位移

基坑分步開挖過程中，建筑物靠基坑側(cè)墻頂水平向位移如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖步增加(開挖深度增加)建筑物墻頂均出現(xiàn)往基坑方向一定程度的側(cè)向位移。然而對不同方案模擬結(jié)果則表明出明顯差異：方案二中基坑前兩步開挖使得墻頂側(cè)向位移較大而最后一步開挖對墻頂沉降影響較小，方案一中基坑每步開挖均對墻頂側(cè)向位移均造成顯著影響且最后一步開挖使得墻頂側(cè)向位移迅速增加。通過對比發(fā)現(xiàn)，方案二模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測接近，方案一結(jié)果則與實測結(jié)果差距較遠(yuǎn)。

基坑開挖對建筑物靠基坑側(cè)墻頂沉降影響如圖11所示。可以發(fā)現(xiàn)隨著基坑開挖步增加，建筑物墻頂出現(xiàn)明顯沉降。方案一模擬結(jié)果表明，基坑開挖過程中，墻頂沉降從0增加至3.5 mm；方案二模擬結(jié)果表明，隨著基坑開挖，墻頂沉降從0增加至4 mm。通過與現(xiàn)場實測對比發(fā)現(xiàn)，方案二模擬結(jié)果與實測結(jié)果更為擬合。

圖11 建筑物墻頂沉降

3 結(jié)論與建議

地鐵車站深基坑開挖會引起地層變形對周邊臨近建筑造成影響。在基坑和臨近建筑物之間設(shè)置隔離樁或是在基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置灌注樁的保護方案都可以降低基坑開挖對臨近建筑物的影響。本文通過數(shù)值研究對基坑開挖對周邊臨近建筑影響進(jìn)行研究，對兩種保護方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，基坑開挖時，在基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置灌注樁既能較好控制基坑變形也能有效降低基坑開挖對臨近建筑物的影響。

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劉福生(1981～)，男，本科，工程師，從事地下工程的設(shè)計和科研工作；申文明(1983～)，男，博士，高級工程師，從事地下工程的設(shè)計和科研工作。

TU94+1

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[定稿日期]2014-11-04