地铁深基坑施工对邻近建筑物影响分析

2019-05-15李鹏宇

山西交通科技 2019年2期

李鹏宇

（山西省公路局大同分局，山西大同 037000）

地铁车站往往地处城市繁华区域，周边建筑群林立，地下管线复杂。而且地铁车站基坑往往深度较大，施工过程中不可避免地会对周边地层产生较大的扰动，极易使邻近建构筑物和地下管线出现不均匀沉降，造成建筑物开裂、管线破裂等施工灾害，严重时甚至威胁居民人身安全[1-4]。

本文以天津某地铁车站为背景，借助FLAC 3D数值仿真软件模拟深基坑施工过程，并结合现场监测数据，探究地铁深基坑施工对邻近既有建筑物及管线的影响。

1 工程概况

本文依托天津某地铁车站工程，车站为地下两层岛式车站，站台宽度12 m，主体结构长度约247.55 m，结构宽度为20.7～25.5 m，主体标准段基坑深度约17.2 m，最深处基坑深度约为18.6 m，车站顶板覆土厚度约3～3.5 m。车站施工采用盖挖逆做法，施工过程中顶板及中板起到内支撑的作用。围护结构采用地下连续墙配合内支撑，地下连续墙深32 m，厚度0.8 m 的C35 混凝土；坑内支撑共设置两道，第一道为埋深1 m，φ609×16 mm 的钢支撑；第二道为埋深11 m，1 100 mm×1 100 mm 的混凝土支撑；同时基坑底设置两排直径800 mm，壁厚30 mm 的钢管混凝土柱基础，兼做抗拔桩。详细的围护结构示意图见图1。

车站周边建筑物众多，但全部按照实际情况建模工作量巨大，因此仅选取与地铁车站相对距离较短且高度较大的建筑物，分别编号为建筑物A 和建筑物B。建筑物A 位于车站北侧，是一幢30 层高的商业写字楼，与深基坑边缘最近距离为17 m；建筑物B 为一幢20 层高的酒店，与深基坑边缘最近距离为20 m。管线则选取距离深基坑最近的两条管线，编号为管线C 和管线D，其具体位置分别为距离基坑边缘3 m、埋深6 m，以及距离基坑边缘5 m、埋深3 m 位置处。

图1 基坑及围护结构示意图

2 数值模型

2.1 几何模型

基于以上工程概况，建立如图2 所示的FLAC 3D 数值计算模型。模型尺寸为120 m×155 m×35 m，针对于建筑物、管线及围护结构需要做以下几点说明：

a）建筑物基础形式为桩筏基础，筏板采用线弹性模型的实体单元模拟，筏板下桩采用结构单元中的桩单元模拟，如图3 所示为建筑物及其桩筏基础的模型示意图。

b）建筑物用等效刚度的长方体表征，除单元体本身密度充当一部分建筑物荷载外，其余荷载按照每层15 kN/m2计算，通过施加应力的方式作用于建筑物上表面。

c）围护结构中地下连续墙采用线弹性模型的实体单元模拟，内支撑、冠梁等采用结构单元中的梁单元模拟，抗拔桩采用桩单元模拟。

d）管线C 为自来水管道，其直径为1.0 m，厚度200 mm，刚度参数为Q235 钢参数；管线D 为天然气管道，直径1.5 m，厚度为400 mm，刚度参数为Q235 钢参数。由于地下管线的尺寸与整体模型的尺寸相差较大，对其精准建模工作量大且难以实现，为了建模简便，管线横断面用等效的正方形表示，管壁采用壳单元模拟，其与基坑位置关系见图2。

图2 数值模型示意图

图3 建筑物A 及其基础示意图

2.2 数值参数

该车站影响范围内地层主要为第四系全新统人工填土层、坑、沟底新近淤积层、第四系全新统新近冲积层、第四系全新统中组海相沉积层。岩性主要为淤泥、黏性土、粉土、局部夹粉砂。总体上，场地内土质较稳定，属稳定场地，适宜地铁工程建设。但上部地层工程地质条件总体上较差，特别是粉土层在地震力作用下会发生液化，失去强度，导墙、地连墙成槽等施工时容易出现坍塌，施工时需特别注意。根据工程地质勘查报告，总结土体及材料参数于表1 中。

表1 岩土体材料参数表

2.3 模拟过程

本文所分析的问题为考虑深基坑开挖对邻近建筑物影响，模拟过程主要分两步进行，一是得到深基坑施工前，建筑物和管线稳定后的应力场；二是模拟整个深基坑的施工过程，具体过程如下：

a）建立自然土体模型，平衡地应力。

b）添加建筑物A、B 及管线C、D，计算至平衡。

c）清零位移场和速度场，施工地下连续墙和抗拔桩。

d）基坑施工，按照先撑后挖的原则，共分成5 个步骤。

（a）加第一道钢支撑，开挖2 m，计算至平衡；

（b）开挖5 m，施工顶板，计算至平衡；

（c）开挖4 m，施工中板，计算至平衡；

（d）开挖3 m，加第二道混凝土支撑，计算至平衡；

（e）开挖3 m，施工底板，计算至平衡。

3 结果分析

该工程的监测数据主要是围绕基坑支护结构及周边沉降进行，对建筑物的变形监测相对较少。如图4 所示为基坑边缘某断面沉降槽模拟数据与实测数据的对比曲线。可以看出，相较实测数据而言，模拟数据的沉降槽宽度更大，且沉降槽最低点相距基坑更远[5-7]。但观察整体走势而言，二者较为统一，且误差相对较小。图5 为相同断面的地连墙挠曲监测数据与模拟数据的对比曲线，可以看出二者走势一致，差别主要在最大挠曲点的出现位置和峰值不同。因此，可以认为本文的数值模拟结果可以在一定程度上反映实际工程，基于此，进一步开展深基坑施工对邻近既有建筑物及管线的影响研究。

图4 实测数据与模拟数据沉降槽对比曲线

图5 实测数据与模拟数据地连墙侧移对比曲线

如图6 所示为基于数值模拟的结果，对比是否下穿建筑物的沉降槽曲线。可以看出建筑物的存在对沉降槽形式产生了较大影响，建筑物边缘沉降相对自然地表沉降更大，而建筑物本身由于其刚度较大及桩筏基础的存在沉降相对较小，这就造成了建筑物相对周边地表的差异沉降，最大差异值约2 mm左右，差异沉降的存在极易使建筑物周边的地表产生裂缝。

图6 是否下穿建筑物沉降槽对比曲线

如图7 所示为建筑物自基坑边缘一侧至另一侧中间断面的沉降曲线，可以看出由远离基坑一侧到靠近基坑一侧，建筑物A 的沉降逐渐增大，表明深基坑开挖使建筑物产生了较为明显的不均匀沉降。如图8 所示为建筑物A 和建筑物B 不同施工步的倾斜值曲线，可以看出随着开挖深度的增大，建筑物的倾斜值逐渐增大，但是均小于规范控制标准0.002，表明深基坑开挖虽然对建筑物产生了一定的影响，但仍在可控制范围内。

图7 建筑物A 沉降曲线

图8 不同施工步建筑物A、B 的倾斜值曲线

如图9 所示为管线C、D 的位移图，其中管线C整体位移向下，不均匀沉降差值约5 mm；管线D 整体位移向下，不均匀变形差值约5 mm。相对而言，管线的水平向位移则大得多，如图10 所示，管线C、D水平方向的偏移量均为厘米级别，但其自身形变却仍保持在毫米级别。进一步提取其应力值可以发现，管线的主应力最大值为436 kPa，平均值仅为200 kPa 左右，远小于管线所能承受的最大应力。究其原因，主要是因为管线体量相对较小，其位移变形主要取决于土体的位移，当土体变形相对均匀时，即使管线距离基坑较近，整体位移值较大，但由于其自身变形较小，并不会对管线造成太大影响。