地铁竖井及横通道施工对邻近建筑基础影响分析

吕文龙，范 昊

(1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广州 510000；2.广州大学土木工程学院，广州 510000）

0 引言

随着城市建设的发展，地下工程的修建，尤其是在地面建筑密集、地下管线复杂的城市中心地区，地铁施工不可避免地对岩土体产生扰动，引起地层变形，当变形达到一定程度时将造成地表建筑物沉降、倾斜甚至开裂，严重时还将影响到相关人员的生命安全以及建筑物的正常使用，从而产生非常恶劣的社会影响。为尽量减少工程中竖井以及隧道的开挖对地层以及建筑物的不良影响，必须对地表沉降和变形以及竖井隧道的开挖进行深入研究和有效预计，必要时需采取注浆加固[1]、大管棚和小导管超前支护等措施[2]，从而合理控制地铁施工过程中引起的地表沉降和变形。近年来，地铁施工造成的环境影响已经成为地下工程界的热点问题。国内外诸多学者通过研究大量工程实践，运用数值模拟、模型试验、理论计算等方式，对于地铁施工所造成的影响进行分析，并且已经有许多可观的研究成果。

杨福麟[3]等以武汉地铁虎名区间隧道开挖工程为背景，运用有限元数值模拟软件MIDAS/GTS 建立隧道断面开挖的数值模型，计算隧道开挖引起的地表沉降量，与实测沉降量进行拟合，模拟结果表明，优化后地表沉降仍在安全范围内。卫守峰[4]依托西安地铁五号线区间黄土隧道工程的施工，进行了竖井转横通道施工方案的数值试验研究，对比研究“竖井—横通并行”与“先竖井后横通”两种施工方案引起的地表沉降及围岩塑性区的变化．数值分析表明，“竖井—横通并行”施工时，马头门横向收敛位移和竖井靠近马头门一侧井壁的支护结构应力较“先竖井后横通”施工方案小约14%以上，因此对稳定性较好的黄土地层，“竖井—横通并行”施工方案更优。赵华松[5]等以上海地铁明珠线某隧道区间施工工程为基础，建立了隧道施工的三维有限元数值模型，在对比分析模拟沉降及实测沉降的基础上，总结了隧道周围地层位移的规律。白铭海[6]利用有限元分析软件ABAQUS 对超前小导管、超前管棚等预加固措施进行论证并对小竖井施工大跨隧道过程进行三维数值分析。在竖井转入横通道后采用桩梁体系成功地解决了因上部荷载过大引起的横通道稳定问题，并有效地控制了地表沉降。韩日美[7]等指出在地层条件较差、沉降控制指标较高的工程施工中，最好选择横通道随竖井下挖交替进行，既可减弱马头门部位的应力集中、减少地层沉降、降低施工风险并可利用土体作为作业平台，施工也较方便。李静[8]针对城市地铁竖井横通道转正洞施工难度大、工序繁杂的特点，通过方案比选，提出了竖井横通道转正洞采用大包施工工法。

本文基于广州地铁十三号线某竖井及横通道施工项目，采用数值模拟的方法，研究了地铁施工中竖井以及横通道的开挖对于周围建筑群基础造成的影响。

1 工程概况

该项目竖井埋深约32 m，竖井采用倒挂井壁工法施工，拟采用锚杆或注浆锚管+格栅钢架+钢筋网+喷射混凝土联合支护，横通道采用上下台阶法施工，拟采用锚杆+格栅钢架+钢筋网+喷射混凝土联合支护，拱顶设置大管棚和小导管超前支护。

周边建筑群分别位于竖井的西侧、西南侧、东侧与东南侧，除西南侧有一栋9 层采用10 m 桩长的锤击桩基础形式的高层建筑外，其余均为1～3层的浅基础平房建筑。竖井与西侧建筑群浅基础的最小水平净距为8.4 m，与西南侧高层建筑桩基础的最小水平净距为23 m，与西南侧平房浅基础的最小水平净距为12.2 m，与东侧建筑群浅基础的最小水平净距为12.1 m，与东南侧建筑群浅基础的最小水平净距为18.2 m。图1 为竖井、横通道与周边建筑群位置关系图；图2 为竖井、横通道平面图；图3为竖井、横通道剖面图及施工工序。

图1 竖井、横通道与周边建筑群位置关系图Fig.1 Location diagram of shaft，horizontal passage and surrounding buildings

图2 竖井、横通道平面图Fig.2 Plan of the shaft and horizontal passage

图3 竖井、横通道剖面图及施工工序Fig.3 Section drawing of shaft and cross passage and construction process

2 计算模型的建立

根据周边建筑群和竖井及横通道工程的空间立体关系以及工程施工特点，用MIDAS GTS 建立三维有限元计算模型，并充分考虑本工程的地层分布特点并合理选取计算参数、划分网格。

2.1 结构三维模型

三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z 方向位移约束，模型前后面Y 方向约束，模型左右面X 方向约束。三维有限元整体模型示意如图4所示，建筑群分区示意图如图5所示。

2.2 材料参数的确定

施工场地周边地层的力学性质对该竖井及横通道施工过程中周边建筑群的受力和变形起着关键作用，为此，进行三维模拟分析计算时须充分结合本工程的地层分布特点合理选取计算参数。

句中“大势可以拒操者”值得注意，不能按顺序翻译，“可以拒操”作“大势”的后置定语，现代汉语的表达习惯是定语在前，中心语在后，中间加“的”字。于是，这个句子翻译成“可以用来抵抗曹操的有利的地势”。

三维有限元计算模型中的地层主要根据该竖井及横通道附近的工程地质资料进行适当简化，主要有素填土、粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等地层，各地层的计算参数取值主要依据相关工程地质勘察资料和工程经验综合分析确定；1#竖井及横通道和周边建筑群基础的力学计算参数依据相关设计施工图纸资料，经综合考虑相关因素后确定，部分模型具体材料参数取值见表1，模拟单元参数见表2。

图4 三维有限元整体模型Fig.4 Three dimensional finite element model

图5 建筑群分区示意图与基础编号Fig.5 Schematic diagram and base number of the building complex zoning

2.3 施工工况的模拟

竖井及横通道对周边建筑群基础影响的三维动态施工模拟的主要流程为：初始应力场分析、竖井开挖；横通道开挖。本次三维数值模拟工况见表3。

表1 三维数值模拟材料参数取值表Table 1 Material parameters for 3D numerical simulation

表2 三维数值模拟单元参数表Table 2 Element parameters of 3D numerical simulation

表3 施工工况表Table 3 Construction working sheet

施工工况工况13工况14工况15工况16工况17工况18工况19工况20工况21工况22工况23工况24工况25工况26主要施工内容横通道第二层开挖2横通道第二层开挖3竖井开挖5横通道第三层开挖1横通道第三层开挖2横通道第三层开挖3竖井开挖6横通道第四层开挖1横通道第四层开挖2横通道第四层开挖3竖井开挖7横通道第五层开挖1横通道第五层开挖2横通道第五层开挖3

3 计算结果分析

3.1 对西侧建筑群的位移影响

图6为竖井及横通道施工过程中关键工况下西侧建筑群基础总位移云图；图7为竖井及横通道施工过程中关键工况下西侧建筑群基础位移折线图，其中横坐标为施工工况，纵坐标为位移大小。

竖井及横通道施工过程对西侧建筑群结构影响的三维模拟分析位移结果表明：该竖井及横通道施工过程诱发西侧建筑群浅基础的最大水平X位移为1.3 mm，水平Y位移为0.8 mm，最大竖向位移为3.4 mm，最大总位移为3.7 mm。相邻基础之间的最大沉降发生在1 号桩与5 号桩之间，为0.91 mm。

3.2 对西南侧建筑群（高层）的位移影响

图8为竖井及横通道施工过程中关键工况下西南侧建筑群（高层）基础总位移云图；图9为竖井及横通道施工过程中关键工况下西南侧建筑群（高层）基础位移折线图，其中横坐标为施工工况，纵坐标为位移大小。

图6 西侧建筑群基础总位移Fig.6 Total displacement of west buildings

图7 各工况下西侧建筑群基础各位移图Fig.7 Diagram of foundation structure displacement of west buildings

图8 西南侧建筑群（高层）基础总位移Fig.8 Total displacement of foundation of southwest buildings(high-rise)

图9 各工况下西南侧建筑群（高层）基础位移图Fig.9 Diagram of foundation displacement of southwest buildings(high-rise)

该竖井及横通道施工过程对西南侧建筑群（高层）结构影响的三维模拟分析位移结果表明：该竖井及横通道施工过程诱发西南侧建筑群（高层）桩基础的最大水平X 位移为0.3 mm，水平Y 位移为0.5 mm，最大竖向位移为0.3 mm，最大总位移为0.6 mm。相邻基础之间的最大沉降发生在4号桩与7号桩之间，为0.06 mm。

3.3 对西南侧建筑群（平房）的位移影响

图10 为竖井及横通道施工过程中关键工况下西南侧建筑群（平房）基础总位移云图；图11 为竖井及横通道施工过程中关键工况下西南侧建筑群（平房）基础位移折线图，其中横坐标为施工工况，纵坐标为位移大小。

该竖井及横通道施工过程对西南侧建筑群（平房）结构影响的三维模拟分析位移结果表明：竖井及横通道施工过程诱发西南侧建筑群（平房）浅基础的最大水平X 位移为0.4 mm，水平Y 位移为1.0 mm，最大竖向位移为2.2 mm，最大总位移为2.5 mm。相邻基础之间的最大沉降发生在2号桩与3号桩之间，为0.32 mm。

3.4 对东侧建筑群的位移影响

该竖井及横通道施工过程对东侧建筑群结构影响的三维模拟分析位移结果表明：竖井及横通道施工过程诱发东侧建筑群浅基础的最大水平X位移为1.3 mm，水平Y 位移为0.7 mm，最大竖向位移为2.2 mm，最大总位移为2.4 mm。相邻基础之间的最大沉降发生在4 号桩与10 号桩之间，为0.60 mm。

图10 西南侧建筑群（平房）基础总位移Fig.10 Total displacement of southwest buildings(bungalow)

图11 各工况下西南侧建筑群（平房）基础位移图Fig.11 Diagram of foundation displacement of southwest buildings(bungalow)

图12 东侧建筑群基础总位移Fig.12 Total displacement of the east buildings

图13 各工况下东侧建筑群基础位移图Fig.13 Diagram of foundation displacement of east buildings

3.5 对东南侧建筑群的位移影响

图14 为竖井及横通道施工过程中关键工况下东南侧建筑群基础总位移云图；图15 为竖井及横通道施工过程中关键工况下东南侧建筑群基础位移折线图，其中横坐标为施工工况，纵坐标为位移大小。

竖井及横通道施工过程对东南侧建筑群结构影响的三维模拟分析位移结果表明：该竖井及横通道施工过程诱发东南侧建筑群浅基础的最大水平X 位移为0.6 mm，水平Y 位移为0.6 mm，最大竖向位移为1.1 mm，最大总位移为1.2 mm。相邻基础之间的最大沉降差发生在4 号桩与5 号桩之间，为0.22 mm。

综上所述，竖井及横通道施工诱发周围建筑群浅基础发生了一定量的位移。引起的桩基竖向位移较大，基础之间产生一定量的沉降，随着竖井以及横通道开挖施工的进行，结构位移变化呈现先逐步上涨，后逐步减小，最终趋于稳定。根据《广东省建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31-2016）[9]对建筑物地基变形的允许值，竖井及横通道施工诱发既有周围建筑群结构的位移量可控。因此认为本项目的竖井及横通道施工不危及周围建筑群的安全。

4 设计与施工建议

结合该竖井及横通道工程的岩土工程地质条件、结构设计特点及施工特点、周边建筑群结构特点分析，为确保竖井及横通道施工过程中不危及周边建筑群结构安全，不影响周边建筑群的结构安全，建议：

（1）项目建设过程应加强紧邻受影响范围内的建筑群结构的位移监测工作，尤其重点关注靠近竖井的建筑物的位移监测工作，及时监控建筑群结构的安全状态。

（2）在竖井及横通道施工前，对受影响范围的周边建筑群的基础及结构状况开展调查分析。

（3）严格控制竖井及横通道的围护结构施工质量，严格监控围护结构的定位、垂直度等，避免由于围护结构出现倾斜、偏曲等现象对周边建筑群结构造成直接冲击破坏。

图14 东南侧建筑群基础总位移Fig.14 Total displacement of foundation of southeast buildings

图15各工况下东南侧建筑群基础位移图Fig.15 Diagram of foundation displacement of southeast buildings

5 结论

综合竖井及横通道施工场地的工程地质、支护结构及周边建筑群的基础资料，依据所开展的系列三维数值模拟计算结果，得到的结论如下：

（1）本项目竖井及横通道施工对周边建筑群结构的风险，主要体现在竖井及横通道开挖施工过程中对紧邻周边建筑群基础位移造成的不利影响。

（2）本项目竖井及横通道施工过程诱发西侧建筑群浅基础的最大竖向位移为3.4 mm，相邻基础之间的沉降差最大为0.91 mm，均符合规范要求。

（3）本项目竖井及横通道施工过程诱发西南侧建筑群（高层）桩基础最大竖向位移为0.3 mm，相邻基础之间的沉降差最大为0.06 mm，均符合规范要求。

（4）本项目竖井及横通道施工过程诱发西南侧建筑群（平房）浅基础的最大竖向位移为2.2 mm，相邻基础之间的沉降差最大为0.32 mm，均符合规范要求。

（5）本项目竖井及横通道施工过程诱发东侧建筑群浅基础的最大竖向位移为2.2 mm，相邻基础之间的最大沉降差最大为0.60 mm，均符合规范要求。

（6）本项目竖井及横通道施工过程诱发东南侧建筑群浅基础的最大竖向位移为1.1 mm，相邻基础之间的最大沉降差最大为0.22 mm，均符合规范要求。