地铁车站施工对邻近建筑物的安全性影响评估

邱美丽 王 伟 杨成永

(1．北京交通大学土建学院，北京 100044; 2．中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

地铁车站施工对邻近建筑物的安全性影响评估

邱美丽1王 伟2杨成永1

(1．北京交通大学土建学院，北京 100044; 2．中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

对地铁车站附属结构的明挖施工过程进行了数值模拟，预测了施工过程引起的邻近建筑物的竖向变形、横向变形及倾斜，确定了既有建筑物变形的控制指标，并给出了评估建议。

车站附属结构，明挖施工，邻近建筑物，数值分析

0 引言

地下工程施工必然会对周围地层产生扰动，改变土层的受力状态，引起地层位移变形。当地下结构埋深较浅时，施工对周围土体的影响范围就会波及到地表，引起地表沉降和变形，进而也会对地面邻近既有建筑物的安全造成威胁。为了确保周围既有结构正常使用，保证地下结构施工的顺利进行，我们要选择合理的施工方法，对既有结构进行风险评估，动态监测地表及既有结构的变形情况，及时调整施工方案、严格控制施工质量。

目前我国多采用FLAC，ANSYS，ABAQUS，MIDAS等有限元软件模拟地下工程施工过程，预测地下工程开挖对邻近既有结构产生的最终变形，对既有结构的安全做出评估，并依据控制标准给出评估建议，指导工程施工。

本文采用ANSYS软件，对北京地铁昌平线昌平车站3号竖井、盾构吊出井、2号风道和C出入口的开挖过程进行了数值模拟，计算了邻近建筑物昌平区粮食局办公楼及朗廷宾馆产生的变形。然后根据现行规范给出了既有建筑物的变形控制指标，提出了安全性影响评估结论。

1 工程概况

1．1 昌平站附属结构概况

北京地铁昌平线昌平站工程，共设3个出入口、1个安全出入口和2个风亭，均采用明挖法施工，与车站连接部采用暗挖法施工。车站总平面图如图1所示。

东端2号风亭明挖基坑最深约为22．6 m，宽约为11．4 m，长为36．6 m，采用直径1 000@1 500钻孔桩加内支撑的支护体系结合上部的土钉墙放坡开挖。C出入口结构明挖部分基坑最深为16．1 m，宽约为12．3 m，长为42 m，采用直径800@1 400钻孔桩加内支撑的支护体系结合上部的放坡开挖，C出入口与车站主体结构之间的横通道长约为13．3 m，覆土厚度为9．13 m，底板埋深为15．8 m。3 号竖井断面尺寸为9．6 m ×11．3 m，深约为 25．6 m，与竖井相连的横通道长约为38 m，覆土厚度约为3．5 m，底板埋深约为22．4 m。盾构吊出井断面尺寸为12．7 m×13．5 m。

图1 昌平站总平面图

1．2 既有粮食局办公楼、朗廷宾馆概况

昌平区粮食局办公楼建筑层数为地上5层，砖混结构，基础为条形基础。埋深为1．6 m，基础长49．5 m，西侧宽12．6 m，东侧宽16．6 m。地上一层高为3．9 m，其余各层均为3．3 m。

朗廷宾馆建筑层数为地上8层，基础为条形基础，基础埋深为4．4 m。地上1层高为3．9 m，其余各层均为3．3 m。

1．3 新建工程与既有工程相对位置关系

C出入口明挖基坑与既有朗廷宾馆南北向水平的最小距离为6．34 m，与粮食局办公楼南北向水平的最小距离为8．35 m。2号风道与粮食局办公楼水平最小距离为9．7 m。平面关系图如图2所示。

图2 新建工程与既有楼房平面位置关系图

1．4 工程地质概况

按地层沉积年代、成因类型，本工程场地的土层为人工堆积层(Qml)、第四纪全新世冲洪积层(Q1al+pl4)、第四纪晚更新世冲洪积层(Qal+pl3)三大类。按地层岩性及其物理力学性质进一步分为8层，其物理力学性质参数见表1。

表1 各土层物理力学性质参数

2 计算说明及假定

基于地层—结构力学模型理论采用ANSYS有限元软件进行变形及应力分析计算。对拟开挖基坑施工步骤采用三维地层结构模型模拟分析昌平站附属结构施工引起的既有粮食局办公楼、朗廷宾馆结构变形及应力变化。

在数值模拟中，我们做如下假定：

1)根据对既有楼房结构的现状调查结果，目前既有结构强度达到设计要求;2)既有楼房结构内力依据原设计标准进行计算分析，新建工程施工期间既有结构仅考虑正常使用工况，不考虑地震、人防工况;3)假定既有楼房结构为线弹性材料;4)假定新建结构、既有楼房结构及土体之间符合变形协调原则;5)通过刚度等效的方法，将既有楼房结构等效为一种同刚度材料;6)本评估分析的前提是施工处于正常良好控制的条件下。

3 车站附属结构施工对邻近建筑物影响数值分析

3．1 盾构吊出井和3号竖井施工对既有结构影响的数值分析

1)计算模型。计算模型取包含新建竖井、盾构吊出井、既有办公楼和朗廷宾馆的长140 m、宽100 m，自地表50 m厚的土体作为考察范围，如图3，图4所示。周围土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料模拟。边界条件除顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。计算荷载包括：结构自重、土体竖向自重力、楼房设计活荷载及地面均布超载20 kPa。

2)模拟工序。施工工序分三步：第一步，自地面同时开挖竖井和吊出井，开挖深度为7．6 m;第二步，继续开挖深度为9 m;第三步，继续开挖深度为9 m。

图3 计算模型总体图（一）

图4 计算模型相对位置关系图（一）

3)变形预测。3号竖井和盾构吊出井的施工引起既有办公楼最大竖向变形值为5．2 mm，下沉变形，发生在临近竖井一侧;最大横向变形值为1．6 mm，趋向竖井，发生在临近竖井一侧;既有朗廷宾馆最大竖向变形值为2．5 mm，下沉变形，发生在临近竖井一侧;最大横向变形值为0．78 mm，趋向竖井，发生在临近竖井一侧。

为了促进节能减排，满足《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》(简称双积分)文件的政策要求，很多车厂陆续推出了非插电式混合动力轿车。本文选择2018款广汽丰田凯美瑞、2016款广汽本田雅阁、2017款上汽通用君威等三款售价相近且有代表性的中级轿车，对其安装的非插电式混合动系统用发动机、高压电池、电控变速器以及工作模式等进行详细的技术比较。

3．2 2号风道施工对既有结构影响的数值分析

1)计算模型。计算模型取包含新建风道基坑和既有办公楼、朗廷宾馆的长130 m、宽100 m，自地表50 m厚的土体作为考察范围，如图5，图6所示。

图5 计算模型总体图（二）

图6 计算模型相对位置关系图（二）

2)模拟工序。施工工序分五步：第一步，自地面开挖风道基坑，开挖深度为2．7 m，并随开挖施作钢支撑;第二步，继续开挖深度为6．0 m;第三步，继续开挖深度为5．0 m;第四步，继续开挖深度为5．0 m;第五步，继续开挖深度为3．9 m。

3)变形预测。2号风道明挖施工引起既有办公楼最大竖向变形值为10．9 mm，下沉变形，发生在临近基坑一侧;最大横向变形值为3．6 mm，趋向基坑，发生在临近基坑一侧;既有朗廷宾馆最大竖向变形值为0．57 mm，下沉变形，发生在临近基坑一侧;最大横向变形值为0．35 mm，趋向基坑，发生在临近基坑一侧。

3．3 C出入口施工对既有结构的影响分析

1)计算模型。计算模型取包含新建出入口基坑和既有办公楼、朗廷宾馆的长110 m、宽90 m，自地表35 m厚的土体作为考察范围，如图7，图8所示。

2)模拟工序。施工工序分四步：第一步，自地面开挖出入口基坑，开挖深度为2．7 m，并随开挖施作钢支撑;第二步，继续开挖深度为6．0 m;第三步，继续开挖深度为5．0 m;第四步，继续开挖深度为2．4 m。

图7 计算模型总体图（三）

图8 计算模型相对位置关系图（三）

3)变形预测。C出入口明挖施工引起既有办公楼结构最大竖向变形值为5．4 mm，下沉变形，发生在临近基坑一侧;最大横向变形值为1．6 mm，趋向基坑，发生在临近基坑一侧;既有朗廷宾馆结构最大竖向变形值为9．8 mm，下沉变形，发生在临近基坑一侧;最大横向变形值为2．8 mm，趋向基坑，发生在临近基坑一侧。

3．4 新建工程对既有结构的综合影响分析

4 变形控制指标及评估结论

4．1 既有结构变形控制指标

根据GB 50007-2011建筑地基基础设计规范及DBJ 11-501-2009北京地区建筑地基基础勘察设计规范中对变形的相关规定，当建筑物高度自室外地面起算小于24 m时，多层和高层建筑的整体倾斜最大为4‰，体型简单的高层建筑物基础的平均沉降量最大为200 mm。

粮食局办公楼和朗廷宾馆的高度均在24 m以下，其平均沉降量控制值取200 mm，整体倾斜控制值取4‰。

4．2 评估结论

新建结构施工引起既有结构的沉降最大为14．9 mm，远小于控制标准200 mm。故此工程既有结构按整体倾斜率来控制。

根据既有结构的现状检测结果，粮食局办公楼现状最大倾斜值为2．8‰，倾斜方向为东南;朗廷宾馆现状最大倾斜值为2．9‰，倾斜方向为西北。

根据变形预测结果，施工引起办公楼最大倾斜值为0．77‰，倾斜方向为北侧。新建工程施工引起的倾斜方向与原结构的倾斜方向相反，新建工程施工对既有结构倾斜起到纠偏作用，而且倾斜值叠加后在规范要求范围之内，在正常施工条件下，能够保证既有办公楼的安全。

施工引起朗廷宾馆最大倾斜值为0．82‰，倾斜方向为北侧。新建工程的施工引起的倾斜与原结构的倾斜叠加，得到总的倾斜值为3．72‰，仍在规范要求范围之内，在正常施工条件下，能够保证既有朗廷宾馆的安全。

5 结语

本文根据北京地铁昌平线昌平车站的场地条件，建立有限元模型，就3号竖井、盾构吊出井、2号风道和C出入口的施工对邻近建筑物昌平区粮食局办公楼及朗廷宾馆的影响进行了计算，提出了变形控制指标，得到了新建结构施工能够保证既有结构安全的评估结论。

但新建结构施工后，既有朗廷宾馆的整体倾斜值将达到3．7‰，离规范允许值4‰的安全储备较小。因此，建议设计缩小C出入口和2号风道水平内支撑的竖向间距，增加水平支撑的层数，提高工程的安全储备。

考虑到地下工程施工的复杂性，施工过程中应严格控制施工质量，进行动态监测，并根据监测结果及时调整施工方案，以确保地铁车站附属结构顺利施工及既有结构安全。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］．

［2］DBJ 11-501-2009，北京地区建筑地基基础勘察设计规范［S］．

［3］上海市城市建设设计研究院．昌平站车站附属结构图［Z］．2011．

［4］上海市城市建设设计研究院．昌平站车站附属结构围护结构图［Z］．2011．

［5］上海市城市建设设计研究院．昌平站车站结构地质纵剖面图［Z］．2011．

［6］国防科工委京东工程设计部．昌平粮食局机关办公楼建筑、结构图［Z］．1984．

［7］北京交通大学．北京市昌平区粮食局办公楼、朗廷宾馆现状调查与检测报告［R］．2012．

［8］谭建国．使用ANSYS 6．0进行有限元分析［M］．北京：北京大学出版社，2002．

［9］刘 涛，杨凤鹏．精通ANSYS［M］．北京：清华大学出版社，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

邱美丽(1987-)，女，在读硕士; 王 伟(1973-)，男，工程师; 杨成永(1966-)，男，博士生导师，教授