地铁明挖基坑与建筑相邻位置关系的判别

2022-01-12李冀伟

城市轨道交通研究 2021年12期

曹平唐凯李冀伟

(成都市建筑设计研究院，610015，成都∥第一作者，高级工程师)

地铁工程一般位于城市密集区，其工程复杂，施工难度大，潜在的风险种类多，风险损失大[1]。为规范城市轨道交通地下工程建设风险管理，统一风险管理的实施技术和执行标准，减少城市轨道交通地下工程建设风险的发生，国家和地方出台了一系列的安全质量管理办法和风险管理规范等[2-3]。

在地铁建设中，由施工引起的环境安全风险尤为突出[4]。在城市轨道交通工程建设的环境风险管理中,尤其要认真做好环境的识别和风险预控工作,以降低环境的技术风险[5]。文献[6]分析了我国地下工程安全风险管理的必要性和紧迫性，并针对风险管理实践中存在的问题提出了合理的建议。文献[6-9]等研究大多集中于地铁基坑的变形规律，而对于周边环境的风险等级评估研究甚少。GB 50625—2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(以下简称“《规范》”)对于建筑风险等级评估中的相邻位置关系定义存在一定模糊性，导致明挖法施工地铁基坑与周边建筑相邻位置关系的判别存在问题，亟待完善。

1 建筑风险的辨识与分级

1.1 地铁明挖基坑工程与建筑邻近位置关系分类

《规范》根据建筑上部结构与地铁基坑的最小距离L，对地铁明挖基坑工程与周边建筑的相邻位置关系(以下简为“相邻关系”)进行分类，见表1。

表1 相邻关系分类[1]

对于相邻关系的判别，本文引入相邻关系影响因子a，有

a=L/H

(1)

根据式(1)，表1相邻关系分类可相应调整为由a判别，见表2。

表2 相邻关系影响因子与相邻关系类别对应表

由表2可知，a越小，地铁基坑与周边建筑越近，地铁基坑施工对周边建筑的影响风险越大。

1.2 建筑风险分级

综合建筑重要性分类及相邻关系，《规范》建立了城市轨道交通地下工程施工环境影响的风险等级评估，见表3。

表3 城市轨道交通地下工程施工环境影响的风险分级[1]

由表3可知，周边建筑的风险等级由其重要性类别及相邻关系综合确定。可见，相邻关系的准确判别对于风险等级的划分尤为重要。

2 相邻关系判别方法的改进

2.1 相邻关系判别的影响因素

根据上文可知，《规范》对邻近关系的判别主要考虑H及L两因素。但实际情况更为复杂。工程实践和相关理论研究表明，地铁基坑施工对周边建筑最直接最敏感的影响是引起地基的变形，导致建筑基础的沉降和差异沉降，进而引起建筑上部结构的变形[10]。

如图1所示：带地下室的建筑A、建筑B及建筑C，其上部结构均为9层框架结构，且其上部结构与地铁基坑工程的水平距离均相等；仅因地下室层数不同而导致各建筑的基础埋深不同，即地铁基坑与建筑基础的高差不同。如按《规范》判别，则地铁基坑工程同建筑A、建筑B及建筑C的邻近关系均相同，故风险评估等级也相同。然而工程实践表明，由于建筑基础埋深差异较大，建筑A、建筑B及建筑C的工程风险存在明显的差异。

图1 地铁基坑与建筑平面关系图

以北京地区某地铁基坑为例，其基坑深度范围内的各地层物理力学参数见表4。

表4 地层物理力学参数

按图1和图2所示的邻近关系，建筑上部结构为框架结构体系，地铁基坑工程深约为16.6 m，基坑围护结构采用钻孔灌注桩(桩径为0.8 m，桩间距为1.2 m)，竖向设置3道钢支撑。

图2 地铁基坑与建筑剖面图

利用MIDAS GTS软件进行数值分析，探讨地铁基坑与建筑邻近关系对建筑风险等级评估的影响。图3～图5为地铁基坑开挖至底部后，建筑A、建筑B及建筑C的沉降云图。

图3 地铁基坑对建筑A影响的沉降云图

图4 地铁基坑对建筑B影响的沉降云图

图5 地铁基坑对建筑C影响的沉降云图

由数值分析结果可知：建筑A、建筑B及建筑C的最大沉降量分别是29.60 mm、18.64 mm及16.90 mm；建筑A最大沉降量比建筑C最大沉降量约大75.1%；建筑A、建筑B及建筑C的差异沉降分别是0.000 79、0.000 66、 0.000 54；建筑A差异沉降值比建筑C差异沉降值约大46.4%；建筑地基的主要变形路径指向开挖后的基坑内侧。进一步分析可知：随着邻近建筑基础埋深的增大，邻近建筑基础与基坑坑底的竖向间距减小，地铁基坑的坑底隆起和建筑邻近基坑一侧的沉降也随之加剧，且建筑沉降和差异沉降均显著增大。可见，建筑基础与地铁基坑的相对位置关系对于其风险评估的影响不容忽视。

建筑的上部结构以墙、柱与基础相连，基础底面又直接与地基相接触。一方面，由上部结构产生的附加应力通过建筑基础传递给地基，进而对邻近的地铁基坑工程产生侧压力引起基坑变形；另一方面，在建筑地基范围内的地铁基坑变形，将引起建筑基础产生沉降和差异沉降，进而引起建筑上部结构的变形。因此，地铁基坑变形和建筑变形是通过地基基础沉降而相互作用的结果。

根据以上分析，结合《规范》的相关条款可知，地铁基坑自身特征、地铁基坑与建筑上部结构的位置关系、地铁基坑与建筑基础的位置关系是判别地铁基坑与建筑邻近位置关系的主要因素。如图6所示具体参数为：①地铁基坑深度H；②地铁基坑与建筑地上结构的水平距离L；③地铁基坑与建筑地下结构的水平距离l；④H与建筑基础埋深h的高差Δh(Δh=H-h)。

图6 相邻关系判别的影响因素

2.2 地铁基坑与建筑基础的位置关系的影响

由工程实践经验和数值分析结果可知：建筑的风险随着l的增大而减小，随着Δh的增大而减小；建筑的沉降及差异沉降均随着Δh的增大而减小。

2.3 相邻关系影响因子的改进

根据建筑风险与其影响因素的定性变化趋势，结合建筑风险与相邻关系影响进行分析发现：a随H的增大而减小、随L的增大而增大、随l的增大而增大、随Δh的增大而增大。此外，考虑到与《规范》既有规定的衔接，本文提出改进后的相邻关系影响因子b:

b=(L+l+H-Δh)/(3H)

(2)

根据b判别地铁基坑与周边建筑的邻近位置关系见表5。

表5 地铁明挖基坑工程与周边建筑的邻近位置关系分类改进

2.4 按a与b进行邻近位置关系判别的对比

对于h≈1.5 m的浅基础建筑，若H≈16.6 m，L=l，则a与b随l的变化见图7。由图7可知：在相邻关系影响因子介于0.7～1.0的区段，即“非常接近”与“接近”、“接近”与“较接近”的类别敏感区段，a与b差别不大，说明本文的改进方法与规范的评价方法相差较小；在“非常接近”和“不接近”范围，a与b虽相差较大，但基本不影响相邻位置关系的判别。可见，在判别地铁明挖基坑与浅基础建筑相邻位置关系时，采用本文改进方法与《规范》评价方法的结论基本一致。

图7 浅基础建筑相邻关系影响因子的对比

当H≈16.6 m，且L=12 m时，在l不同的条件下，相邻关系影响因子随Δh的变化见图8。由图8可知：如h1越小(即Δh越大)，或l越大，则a与b越接近，相邻位置关系的判别趋于一致；反之，如l越小或h1越大(即Δh越小)，则本文改进的相邻关系影响因子同规范的计算方法偏离越大，相邻关系分类的判别可能不一致。