建筑工程施工对临近地铁安全性影响因素分析

高 超，陈 涛，翟 超，潘小波，黄亚德

(天津市勘察院， 天津 300191)

建筑工程施工过程中，由于工程桩施工、基坑降水、基坑开挖卸载、主体结构施工加载等因素会造成土体变形，导致附存于地层中的既有地铁隧道及车站结构随之发生移动和变形，进而引起车站结构受力的变化，与车站主体结构相关联的重要结构物也将发生移动和变形。因此，既有地铁隧道和车站结构变形的有效控制是选择其周边后建工程地下围护结构及施工工序的关键。目前，针对该类工程问题，处于经验总结阶段，基础理论数字化和模型化成果并不多。工程人员多采用经验法确定基坑工程和主体结构施工对临近地铁影响，但结果多有偏差。如果不能正确有效地评估建筑工程施工对临近地铁的影响，则会导致很大的经济损失和社会影响。因此正确评估建筑工程施工对临近地铁影响工作意义重大。本文先分析了建筑工程施工对临近地铁安全性影响因素，后针对哈尔滨某建筑工程，借助有限差分软件FLAC3D进行基坑开挖对临近地铁安全性影响预评估。

1 影响因素分析

1.1 工程桩施工

工程桩施工对地铁影响主要有：

(1) 挤土：由于桩入土挤压周围土层造成土体变形。

(2) 振动：打桩过程中在桩锤冲击下，桩体产生振动，振动波向四周传播[1-2]。该动力荷载会影响地铁隧道及车站结构稳定性。其危害程度主要由锤击能量、桩距、地铁与工程桩距离、地铁施工质量等因素决定。轻则地铁结构产生微裂缝或原有裂缝进一步扩展；重则导致地铁产生不均匀沉降，影响地铁正常运营。

(3) 超静水压力：土体中的孔隙水压力在桩体挤压下产生很高的压力，该高压力水向四周渗透时亦会给地铁带来危害。

(4) 流砂：遇流砂后，在工程桩施工时流砂造成周边土层塌陷，从而使周围土层及地铁产生沉降。

1.2 基坑降水

基坑降水时，止水帷幕如果没有截断含水层，坑内外形成孔压差，势必会造成坑外水位下降，土体固结变形，进而造成基坑地表沉降[3]，以及因此产生的管线破坏，临近地铁开裂等工程事故。目前，超大深基坑降水基本上是完全截断潜水含水层，部分或者完全截断承压含水层。当采用部分截断承压含水层止水帷幕时，在抽取承压水降压防止基坑突涌过程中，承压含水层中所形成的水位降落漏斗会引起土体固结沉降，且影响范围(10倍～15倍开挖深度以上)远大于常规基坑开挖造成的影响(2倍～4倍开挖深度)。徐新等[4]运用FLAC3D流固耦合软件分析基坑降水对周边建筑物影响，发现降水后期要比前期对周边建筑物不均匀沉降影响显著。2011年11月，上海浦东世纪大道某基坑工程因承压水头降低造成临近地铁发生严重不均匀沉降，考虑到地铁安全性，采取基坑回灌技术防止地铁沉降持续增大，但该工程已完全终止，造成直接经济损失达数亿元[5]。

1.3 基坑开挖

基坑开挖是一个土体应力释放过程，此过程导致基坑支护结构和坑内外土体产生应力重分布，引起基坑支护结构向坑内移动，墙后土体受扰动产生水平位移和不均匀沉降。此变形将打破临近地铁原有的受力平衡体系，使地铁产生附加应力及变形[6-11]。若地铁结构能够承受上述附加应力和变形，造成影响不大的情况下地铁仍能正常运行。否则就会遭受损伤破坏，破坏形式主要有：隧道变形或错位、衬砌被压坏等。针对基坑开挖引起临近地铁变形问题，众多学者采用了不同方法(理论分析、数值建模、室内模型试验等)进行探讨分析。Han Y H等[12]通过有限元分析得出，深基坑开挖造成临近地铁水平位移较大。林杭等[13]通过FLAC3D软件分析得出隧道变形随着基坑深度和宽度增加而增加。

1.4 主体结构施工

主体结构施工是一个加载过程，此过程同样将对土体产生附加应力，导致土体产生应力重分布，土体受压产生不均匀沉降。此沉降将打破临近地铁原有的受力平衡体系，使地铁产生附加应力及变形。

上述四种影响因素主要是通过附加应力，导致地铁隧道及车站变形，变形过大或者差异变形都会引起隧道和车站结构产生裂缝，渗漏等危害，情况严重时会影响地铁运营和地铁结构自身安全，见图1～图6。

图1 隧道顶部漏水 图2 车站结构顶部漏水

图3道床漏水图4道床渗出泥浆

2 基坑开挖对地铁影响分析

基坑开挖会影响临近地铁隧道和车站结构稳定性和安全性[14-18]。另外，为保证地铁安全运营，允许结构变形非常小。因此，需采用技术手段预测基坑开挖等因素对临近隧道和车站结构的影响程度及可能带来的危害，从而对相关工程的施工方案、设计、加固及地铁运营管理提出指导性的意见，对危险部位事先采取防范措施，回避风险。

图5道床裂缝(宽度5mm)图6车站走廊地表裂缝(方向与轨道方向一致)

本文以哈尔滨某建筑工程为例，采用FLAC3D有限差分软件，考虑土体小应变变形，建立FLAC3D数值模型，按照实际开挖工况进行分析并求取基坑临近地铁隧道和车站结构变形值，根据规范及地铁部门提供的变形控制值，评价基坑临近地铁的安全性。

2.1 变形控制值

既有地铁安全运营的控制指标和标准应从结构变形、隧道结构稳定、建筑限界三个方面来考虑制定，且一般采用变形控制指标作为主要控制指标。根据该临近地铁现状及周边设施，参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，制定本工程变形控制指标及标准见表1。

表1 周边地块施工期间地铁车站及隧道控制指标

2.2 工程概况

本工程基坑开挖深度为2.0 m～2.3 m。支护方案为放坡开挖，放坡1∶1。西北侧坡顶距离地铁车站地下室外墙约16.69 m，北侧坡顶距离地铁隧道内壁外边线最近约15.86 m。东侧距离2层公建最近约9.2 m，距离7层公建约20.4 m，距离民强大街约39.40 m。西侧(偏北)距离3层公建约23 m。

2.3 三维模型

模型的范围必须要足够大，能够覆盖基坑开挖可能影响的区域，同时又要兼顾计算效率。根据现行国家和地方规范的要求，参考已有的研究成果，最终确定模型长度为196.0 m，宽度为160.0 m，高度为40.3 m。网格划分原则为基坑附近密集，远处稀疏。模型共有节点67 502个，单元7 177个。由于基坑周边临近建筑物较多，为了便于计算分析并取得较为准确的计算结果，对模型进行了一定的简化。基坑周边的各类建筑，坑外地面堆载、打桩施工荷载等效施加在模型中。并考虑立柱桩对基坑土体的加固作用。三维模型包括的部件主要有：坑内土体、坑外土体，地铁隧道及车站等。模型主要部件见图7，装配效果见图8。土体模型按照地勘报告进行分层分段划分(见图9)，土体采用摩尔库仑本构模型，地铁车站及隧道采用弹性模型，开挖部分用Null模型。整个模型底部为固定约束，前后左右为法向约束。初始水位位于自然地面以下3 m处。基坑周边施加工作荷载20 kPa，各临近建筑物在相应位置加上其等效荷载。

图7 模型中主要部件及相对位置

图8 模型装配效果图及网格划分

图9土层划分

2.4 计算结果

通过三维模型的计算分析，获得了基坑开挖变形及对周边环境的影响结果，基坑变形情况如图10～图14所示，所有图中变形数值为累计值，单位为m。

图10 基坑变形图

图11 地铁隧道变形图(竖向)

图12 地铁隧道变形图(水平向)

图13 地铁车站变形图(竖向)

图14地铁车站变形图(水平向)

图10为基坑开挖后变形云图，基坑开挖后，周围土体有向基坑滑动的趋势，坑底土体向上隆起。图11、图12分别为地铁隧道竖向变形云图和水平向变形云图，基坑开挖后，在滑动土体压力作用下，地铁隧道发生变形，越是靠近基坑，地铁隧道变形越大。图13、图14分别为地铁结构竖向变形云图和水平向变形云图，基坑开挖后，在滑动土体压力作用下，地铁结构发生变形，地铁结构临近基坑拐角处(见图7)变形最大。

2.5 变形分析

2.5.1 变形统计

通过对计算结果的整理，变形情况(累计值)如表2所示。

表2 基坑及地铁变形统计表

2.5.2 变形分析

(1) 地面沉降分析：

从以上计算成果及变形统计表可以看出本次基坑开挖对周边环境有一定影响。沉降主要发生在坡顶后一倍的坑深范围内，基坑开挖造成地表累计最大沉降为2.1 mm。

(2) 地铁隧道分析：

① 变形趋势分析从计算结果可以看出，基坑的坑底隆起使得地铁隧道发生一定变形，隧道主要变形趋势为水平指向坑内并伴有一定的上升(见图10、图11)。

② 变形定量分析。基坑土体开挖造成的隧道变形，累计最大竖向位移为0.89 mm；累计最大水平位移(x方向)为0.54 mm。

(3) 地铁车站分析：

① 变形趋势分析。从计算结果可以看出，基坑开挖造成的坑底隆起使得地铁车站发生一定变形，车站主要变形趋势为水平指向坑内并伴有一定的上升(见图12、图13)。

② 变形定量分析。基坑开挖造成的车站变形，累计最大竖向位移为0.96 mm；累计最大水平位移(x方向)0.67 mm。

数值计算分析结果表明，地铁车站和隧道在基坑开挖施工过程中，各项变形指标数值均处在变形控制标准之内，符合相应的评估标准，地铁结构安全。

3 结 论

建筑项目施工对临近地铁变形影响重大，涉及到建筑项目施工全过程，其中主要影响因素为：工程桩施工、基坑降水，基坑开挖和主体结构施工。因此，对建筑项目临近地铁进行施工全过程预测分析并评估地铁安全性极为重要。本文采用的数值模拟手段(FLAC3D有限差分软件)能够较好地分析项目施工对临近地铁影响，为以后评估基坑开挖对地铁安全性提供一种操作可行的办法。

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