城市轨道交通深基坑周边建筑物安全评判方法

龚迪快 成怡冲 汤继新 蓝建中

城市轨道交通深基坑周边建筑物安全评判方法

龚迪快1成怡冲1汤继新2蓝建中2

（1.浙江华展工程研究设计院有限公司，315012，宁波；2.宁波市轨道交通集团有限公司，315012，宁波//第一作者，高级工程师）

根据以往研究成果以及宁波市轨道交通1、2号线已建地铁车站深基坑及周边建筑物变形的监测数据，认为建筑物与基坑之间的距离以及建筑物抵抗变形的能力是影响基坑外建筑物安全的主要因素。提出了城市轨道交通深基坑周边建筑物安全的评判方法。与风险评估方法不同，该方法更侧重于对基坑外建筑物安全的评估，评判结果更为严格与合理，可为邻近轨道交通深基坑的建筑物保护提供参考。

城市轨道交通；深基坑；建筑物安全；评判方法

城市轨道交通建设所涉及的深基坑通常紧邻周边建（构）筑物与管线。因此，深基坑开挖对周边环境的影响显得尤为重要。有必要在工程动工前对深基坑本身及其周边建（构）筑物进行工程风险分析与安全评估，为制定深基坑工程的围护设计方案和施工方案以及周边建筑物加固措施等提供依据，帮助决策者进行科学的决策，以减少工程事故的发生。

文献［1］涉及的风险评估方法虽已在实际工程中得到广泛应用，但未考虑不同地区、不同工程环境的特殊性。以宁波市轨道交通建设的工程环境为例，宁波属于典型的软土地区，该地区软土具有天然含水量高、压缩性大、强度低、渗透性差、抗剪强度指标变化范围大等特点，其工程地质性质劣于天津及上海的软土；另外，宁波市建成于90年代的老房屋普遍采用已被淘汰的Φ377 mm沉管灌注桩，该桩型抵抗侧向变形能力差且桩底多位于轨道交通深基坑坑底位置。故这类紧邻基坑的建筑物存在极大的安全隐患。可见，建立适合于宁波轨道交通深基坑周边建筑物的安全评判方法十分必要。

本文基于已投入运营的宁波市轨道交通1、2号线地铁车站深基坑及周边建（构）筑物变形的监测数据，分析了正常设计与施工条件下城市轨道交通车站深基坑周边建筑物的安全状况，并结合相关规范和文献的研究成果，建立了相应的建筑物安全评判方法。

1 轨道交通深基坑周边建筑物变形统计与分析

1.1 建筑物离基坑的距离与变形之间的关系分析

基坑施工过程中，由于围护结构的侧向变形以及坑底土体的回弹隆起，坑外土体将不可避免地产生竖向和水平向位移，从而导致坑外建（构）筑物产生变形。文献［2］表明：正常情况下，离基坑越远，土体变形越小。这意味着坑外建筑物的变形大小与建筑物离基坑的距离存在着一定的相关性。文献［1，4］将基坑与周围环境设施之间的距离作为基坑施工对环境影响分级的重要依据之一。表1列出了相关规范中坑外设施与基坑距离远近的评价标准。

文献［1］反映了南方软土地区轨道交通建设的情况，而文献［4］则以北京的地质情况为标准。不难看出，后者对于基坑与周围环境设施邻近关系的限定要宽于前者。这是因为：北京市城区主要为第四系冲洪积地层，基岩埋藏较深，地层分布以黏性土、砂土和砾卵石为主，施工引起的变形相对较小（与南方地下水位较高的软土地区和复合地层地区有很大不同）。这说明，不同地区应根据当地工程地质情况（基坑施工影响程度及范围的大小）确定合理的坑外设施与基坑距离的评价标准。

表1 基坑与周围环境设施的邻近关系

通过对宁波轨道交通1号线18个车站基坑工程实测数据的统计分析，其坑外地表沉降的统计结果见图 1［4］。

图1 地表沉降分布范围

由图1可知，深基坑围护墙墙后地表沉降均被包络于一个梯形的区域内，坑外地表最大沉降落于0＜d/H≤1.5范围内，且在该范围内任意位置都可能发生0～ δvm的沉降。坑外地表沉降在1.5＜d/H≤4.0内逐渐衰减至可以忽略。其中，当1.5＜d/H≤ 2.5时，沉降变化范围为0～0.7δvm；当2.5＜d/H≤4.0时，沉降变化范围为0～0.4δvm。故基坑坑外1.5倍及2.5倍坑深可作为划分轨道交通深基坑与邻近建筑关系的重要界限。

经统计，宁波轨道交通车站深基坑标准段深度普遍在17～18 m，端头井深度在18～20 m，基坑长宽比为8～10。基坑大多采用800 mm厚地下连续墙，结合1或2道钢筋混凝土支撑加4道钢支撑的支护形式。坑底一般位于3-1或3-2层粉质黏土层，地下连续墙墙趾主要位于5或6层粉质黏土层。在支护形式、土层条件、施工水平等基本相同的情况下，车站深基坑施工引起的坑外土体变形的变异性不大。就基坑施工对建筑物的变形影响而言，建筑物距基坑坑边的距离与基坑开挖深度的比值为最主要的影响因素。

由宁波市轨道交通1、2号线车站基坑周边建筑物变形的统计结果（见图2）可知，发生明显裂缝的建筑物都处于1.5倍坑深范围内，对于2.5倍坑深范围外的建筑物，未发现显著破坏。

图2 建筑物最大沉降量与建筑物距基坑坑边的距离关系统计图

1.2 建筑物抵抗变形的能力分析

风险评估的相关规范因仅关注由于基坑开挖导致周边环境破坏的宏观后果（如经济损失、工期延误、社会影响等），故在对周边建筑物进行风险评估时，除考虑表1中基坑与周围环境设施的邻近关系外，还应重点考虑建筑物自身的重要性。然而，从轨道交通建设的实际而言，即使是一般的居民房屋，施工导致房屋细微开裂（美观破坏）都会引起居民恐慌。故仅考虑建筑物的重要性进行风险分级并未充分照顾周边群众的心理和需求，难以达到“和谐共建”的目的。因此，对于周边建筑物的分类和分析还需作进一步细化，使建立的安全评判标准更具现实意义。

建筑物抵抗变形的能力（以下简称“建筑刚度”）与建筑物的结构类型（或层数）、长高比、基础类型、材料老化情况（使用年份）、可能的结构调整以及加固等多种因素相关。文献［5-6］的实测结果显示，不同基础类型的建筑物对于深基坑施工引起的建筑物变形的抵抗能力不同，桩基础在这方面要优于浅基础。但桩基础在抵抗基坑施工引起坑外土体变形的同时，其自身也将产生附加变形与内力。因此，对于采用桩基础的建筑物，不仅要关注基坑施工导致的上部结构变形，还要对下部桩基的受力变形情况加以重视。文献［7］通过对软土地区数 10栋建筑物的实地调查，提出建筑物的长高比是衡量砖墙承重结构建筑物刚度的主要指标。建筑物长高比越小，其整体刚度越大，调整不均匀沉降的能力就越强；反之，建筑物的长高比越大，整体刚度越小，调整不均匀沉降的能力也就越弱。文献［8］综台建筑物的长高比、结构类型以及有（无）桩等情况来判断建筑物的整体刚度，将建筑物分为大刚度建筑物和小刚度建筑物两类。并认为大刚度建筑物可用倾斜度作为其破坏指标，而小刚度建筑物可用裂缝宽度作为其破坏指标。通过以上文献以及多年的工程实践可知，建筑物的基础类型、结构类型以及长高比对于建筑刚度的影响最为显著。

图3为宁波市轨道交通1、2号线车站基坑周边建筑物变形统计图。由图3可知：① 建筑物长高比越大，建筑刚度越小；对于距基坑坑边1.5倍坑深范围内的建筑物，当长高比大于 1.5时，具有产生裂缝的可能。② 3层以下建筑物的沉降变化范围最大，3～7层建筑物的沉降变化范围为 0～20 mm，而高层建筑物的沉降更小，故建筑刚度为：框架＜砖混＜砖木；若从建筑层数的角度考虑，建筑刚度为：高层＜多层＜低层。③ 采用桩基础的建筑物的平均沉降明显小于采用浅基础的建筑物，可见，桩基础抵抗变形的能力大于浅基础。

2 轨道交通深基坑周边建筑物受损评级

为建立轨道交通深基坑周边建筑物的安全评判方法，首先应对建筑物最终的安全状态或损坏程度进行定级。文献［9］根据砌体墙体最大裂缝可修复的难易程度，给出了建筑物损坏程度的分级说明，如表2所示。对于城市中的建筑物，往往由工程引起的极小裂缝都可能引起居民恐慌，故按照建筑物裂缝评判建筑物安全时，其分级应偏于保守。表 2中，对于损坏类别0和 1是可以忽略的，对于损坏类别2是可接受的，对于损坏类别3是难接受的，而对于损坏类别4和 5是不可接受的。

图3 宁波市轨道交通车站基坑周边建筑物变形统计图

表2 建筑物损坏程度分级说明

文献［10］根据建筑物的最大沉降值和最大倾斜度划分基坑周边建筑物的风险等级，如表 3所示。需要指出的是，不同地区建筑物沉降与对应的风险等级应是不同的。文献［11］根据已收集的上海地区 13栋钢筋混凝土结构受基坑开挖影响的资料，发现当建筑物总沉降量为60 mm以上时，建筑物出现了不同程度的损坏；根据已收集的上海地区 27栋砖混结构受基坑开挖影响的资料，发现当建筑物总沉降量为40 mm以上时，绝大部分建筑物出现了不同程度的损坏。以上数据可为软土地区由基坑开挖引起的建筑物沉降控制提供参考。

表3 基坑周边建筑物的风险等级

GB 20811—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》规定，当无地方经验时，对于风险等级较低且无特殊要求的建（构）筑物，沉降控制值宜为 10～30 mm。建筑物在该沉降范围内产生的损坏程度是可接受的。

综合以上文献、规范及宁波地区经验，对建筑物受损状态分级见表 4。由表 4可知，当建筑物裂缝宽度、最大沉降值及最大倾斜度之一满足表4受损等级对应值时，即取该等级为建筑物受损等级。

表4 建筑物受损状态分级

3 轨道交通深基坑周边建筑物的安全性评价

基于宁波软土地区轨道交通深基坑及周边建筑物变形实测结果，得到基坑与周边建筑物邻近关系评级，如表 5所示。

对于非软土为主要土层的地区，以及深度不大且体量较小的车站附属基坑，由于基坑开挖导致的相对变形较小，使用表5中建筑物与基坑的相对位置关系的界定须根据实际情况进行调整。此外，表 5并未对基坑外是否有行驶重车的情况进行区分。根据以往工程经验，基坑外行驶重车导致的坑外超载及振动是建筑物产生变形的重要原因。因此，应尽量避免基坑坑边行驶重车。

综合建筑物长高比、结构类型及基础类型得到建筑刚度评级，如表 6所示。

表5 基坑与周边建筑物邻近关系评级（K 1）

表6 建筑刚度评级（K 2）

需要说明的是：① 宁波市建成于90年代的老房屋普遍采用已被淘汰的 Φ377 mm和 Φ426 mm沉管灌注桩，这类桩的桩长与轨道交通深基坑开挖深度相近，且这类桩的施工质量良莠不齐，安全隐患较大。考虑到桩基的存在对于控制建筑物沉降虽有利，但其实际效果又难以分析。因此，对于短桩基础，按上部结构类型分为混凝土结构和非混凝土结构，分别对应桩基和浅基取其刚度等级。② 由于建筑物本身体型特点以及建筑物在使用过程中受到内、外部因素的影响，其在基坑开挖前的初始刚度（即对变形的敏感程度）是不同的。如遇建筑物平面较不规则、建筑物为主裙连体结构、建筑物现状变形过大、建筑物已出现建筑性损坏、建筑物经历过结构性调整等情况，因其对建筑物初始刚度的影响难以定量考虑，故针对此类建筑物，其建筑刚度等级可在表6的基础上降低一级；另外，根据 GB 50652—2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》的风险等级评判结果，对于重要建筑物，即省市级以上的保护古建筑物、高度超过 15层（含）的建筑物以及年代久远、基础条件较差的重点保护建筑物，其建筑刚度等级应降低一级。

基坑开挖导致的周边建筑物变形是基坑、土体及建筑物相互作用的结果。基坑外建筑物的变形与基坑和建筑物的距离以及建筑刚度相关。因此，得到K1和 K2组合下对应的建筑物安全等级评判方法，如表 7所示。

表7 建筑物安全评级（K）

对于轨道交通深基坑周边不同安全等级的建筑物，表 8给出了对应的处理建议以及建议应对的牵头部门，以供参考。

表8 不同安全等级下建筑物的处理建议

采用文献［1］推荐的风险评估方法以及本文提出的建筑物受损等级和建筑物安全等级评判方法对宁波市轨道交通 1、2号线周边 22幢建筑物进行评级，如表 9所示。由表 9可知，实际建筑物的受损等级与风险等级并不能很好吻合，这是因为建筑物的风险等级与建筑物变形之间既有联系又有区别。如一般情况下，邻近车站深基坑的具有深基础的高层建筑物风险等级较高，但实际变形较小。尽管建筑物安全评级与建筑物风险评级的侧重点不同，但考虑到建筑物的安全评级方法及其结果可为后续建筑物的保护措施提供依据。因此，建筑物安全等级应取建筑物受损等级与风险等级的较高者。表 9中的建筑物安全等级包络了受损等级及风险等级，具有一定的合理性。

4 结论

本文基于宁波市轨道交通深基坑建设中的监测数据与现有研究成果，提出从建筑物与基坑的距离以及建筑刚度两方面入手来对邻近轨道交通深基坑的建筑物进行安全性评价。主要结论如下：

（1）不同地区深基坑施工影响程度及范围不同，应根据当地工程地质情况确定合理的坑外设施与基坑距离的评价标准。宁波地区软土的工程特性差，对于建筑物与基坑临近关系的界定应更为严格。

表9 宁波市轨道交通1、2号线周边建筑物变形汇总与评级

（2）建筑刚度受多种因素的影响，其中，建筑结构类型、长高比及基础类型对于建筑刚度的影响最为显著。

（3）与风险分析方法侧重于对事故损失的判定不同，本文更侧重于对基坑坑外建筑物安全性的评估，评判结果更为严格与合理。

本文所涉及的建筑物安全性的评级方法是根据宁波市轨道交通 1、2号线路的 22处建筑物统计结果得出的。相对而言，目前统计数据较少，其中数据主要来自于以浅基与短桩为基础的砖混建筑物。对于其他结构类型或基础类型的建筑物，还需结合宁波市轨道交通后续工程的建设，进一步补充实测数据，以完善评判方法。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市轨道交通地下工程建设风险管理规 范：GB 50652— 2011［S］.北 京 ：建 设 工业 出 版 社 ，2011.

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［6］ 閤超，刘秀珍.某深基坑安全开挖引起临近建筑物较大沉降的实 例 分 析［J］.岩 土 工 程 学 报 ，2014，36（S2）：279-282.

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［9］ Burland J B.Assessment of risk damage to buildings due to tunneling and excavations［Z］.Tokyo：1995.

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［11］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

Safety Evaluation for the Buildings around Deep Foundation Pit of Urban Rail Transit

GONGDikuai，CHENGYichong，TANGJixin，LANJianzhong

According to previous research achievements and the measured deformation data from the constructed deep foundation pits of the stations and surrounding buildings on Ningbo urban rail transit Line 1 and Line 2，the distance between buildings and foundation pit，the resistance of buildings against deformation are considered as the major factors that affect the safety of buildings.Based on this conclusion，a safety evaluation method is presented for buildings around the deep foundation pit of urban rail transit.The proposed method is different from risk assessment，it can provide a reference for the protection of buildings adjacent to deep foundation pit of rail transit with stricter and more reasonable evaluation.

urban rail transit； deep foundation pit；building safety； evaluation method

U433：U231

10.16037/j.1007-869x.2017.10.011

First-author′s address Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research&Design，315012，Ningbo，China

2016-06-12）