地铁基坑明暗挖衔接施工参数对紧邻建筑沉降影响分析

梁世龙，方世民，刁国君，张姜飞，王世明

（中铁隧道局集团路桥工程有限公司，天津 300300）

城市地下空间的发展与建设，必然伴随着较大规模的基坑工程[1]。地铁车站作为地下空间的一种形式，其基坑开挖过程中所带来的既有建筑沉降问题不可忽略。当车站尺寸受邻近建筑物限制导致明挖基坑下部需要局部扩挖时，暗挖施工会对既有建筑沉降可能产生不利影响。

目前已有学者对基坑开挖和隧道暗挖施工展开了大量研究。冯小婷[2]以成都地铁凤溪河站工程为背景，采用机器学习方法对地表沉降进行了预测。Huang[3]等人将传统钢支撑结构与桩-支柱框架支撑结构在抑制挡土结构侧向位移、维护基坑稳定方面进行对比，通过现场实验证明了桩-支柱框架支撑结构的优越性。林可夫[4]等人依托冬奥会配套交通工程——新建崇礼铁路正盘台隧道，分析了围岩抗剪强度参数、隧道洞径、地下水位高度和三台阶法施工参数对开挖面稳定性的影响。李钊[5]等人以甘肃省某隧道台阶法施工的上台阶长度和循环开挖进尺为参数，采用三维有限元计算模型，进行围岩及支护结构稳定性分析。Fan[6]等人以朝阳隧道采用台阶法开挖为基础，采用有限元数值模拟方法，模拟了软岩巷道围岩位移及支护结构的应力特性，得到了巷道围岩各阶段的应力、应变及巷道支护结构的内力变化。

目前对于基坑和隧道开挖的研究主要局限各自领域内，对于基坑开挖后再进行局部暗挖施工的研究还鲜有报道。基坑开挖完成后再进行局部暗挖施工，不仅会对既有基坑支护的受力以及稳定性产生影响，而且还会对既有建筑物沉降产生二次影响。

本文以成都地铁13 号线某车站基坑开挖为背景，通过构建有限元模型，对开挖过程进行数值模拟；针对暗挖施工采用的台阶法，从台阶长度、开挖进尺和支护刚度三个方面分析暗挖施工对地面既有建筑物沉降的影响，进而对暗挖施工提出合理建议。

1 工程概况

成都地铁13 号线某车站总长269m，宽27m，基坑开挖深度42m。基坑示意图如图1 所示。

图1 基坑示意图

基坑施工场地范围内地层从上到下依次为杂填土、砂卵石和中风化泥岩。基坑开挖平面及建筑沉降监测点如图2 所示，其中红色线表示既有道路，蓝色线框表示基坑开挖的范围，黑色线框表示既有建筑物。

2 数值模型建立

2.1 材料参数设定

杂填土、砂卵石及中风化泥岩的参数如表1 所示；支护结构材料参数如表2 所示。

表1 土层参数表

表2 支护结构材料参数

2.2 模型尺寸设定

为减小模型边界效应对后续模拟分析结果的影响，在土层计算时，各土层边界宽度和深度在空间垂直距离上均超过基坑最外缘边界3 倍以上。据此，有限元模型长度取600m，宽度取200m，深度取150m。

3 关键施工参数对紧邻建筑沉降的影响

3.1 台阶长度的影响

在分析台阶长度对紧邻建筑物沉降的影响时，保持开挖进尺3m 不变，改变上、下层台阶的长度，对计算得到隧道开挖上方建筑物沉降数值进行分析。当上台阶长度不变，下台阶长度由3m 增加到6m 时，紧邻建筑物最大沉降量由11.53mm 增大到11.77mm，增大了0.24mm，增幅为2.08%；下台阶长度由6m 增加到9m 时，紧邻建筑物最大沉降量由11.77mm 增大到12mm，增大了0.23mm，增幅为1.95%。

3.2 开挖进尺的影响

在分析开挖进尺对紧邻建筑物沉降的影响时，保持上、下台阶长度均为3m 不变，改变每一次开挖进尺的长度，对计算得到隧道开挖上方建筑物沉降数值进行分析（如图3 所示）。由图3 可知，以开挖进尺0.5m 为基准，开挖进尺为3m、6m 和9m 时，建筑物沉降量最大值分别增加1.13mm、2.08mm 和2.83mm，增加比例分别为10.87%、20%和27.21%。

图3 开挖进尺对紧邻建筑物沉降影响

3.3 支护刚度对紧邻建筑物沉降的影响

在分析支护刚度对紧邻建筑物沉降的影响时，上、下台阶长度均设置为3m，开挖进尺设置为6m。对计算得到隧道开挖上方建筑物沉降数值进行分析（如图4 所示）。

图4 支护刚度对紧邻建筑物最大沉降量影响

从图4 可以看出，以支护刚度7×107KN/m 为基准，支护刚度分别为6×107KN/m、5×107KN/m、4×107KN/m 时，紧邻建筑物最大沉降量分别增加了0.13mm、0.27mm、0.42mm，增长幅度分别为1.19%、2.47%、3.84%。

4 结论

本文通过建立砂卵石土体—深基坑—支护结构三维有限元模型，对地铁基坑明挖转暗挖施工过程进行模拟，并从台阶长度、开挖进尺和有无支护三个方面分析暗挖施工对地表既有建筑物沉降的影响。结果表明：

（1）运用台阶法进行暗挖施工时，上、下台阶长度越长，紧邻建筑物沉降越大。与上、下台阶长度之和为6m 相比，台阶长度之和分别为9m 和12m 时，紧邻建筑物最大沉降量分别增加了0.255mm 和0.515mm，增幅分别为2.21%和4.47%，说明施工时应控制好上、下台阶长度。

（2）暗挖施工时，紧邻建筑物沉降量随着开挖进尺增大而增大。与开挖进尺0.5m 相比，开挖进尺分别为3m、6m 和9m 时，建筑物沉降量最大值分别增加了10.87%、20%和27.21%，说明开挖进尺对建筑物沉降影响较大，施工时需采用较小的开挖进尺。

（3）随着支护刚度的下降，紧邻建筑物最大沉降量也随之增大。与支护刚度7×107KN/m 相比，支护刚度分别为6×107KN/m、5×107KN/m、4×107KN/m 时，紧邻建筑物最大沉降量分别增加了0.13mm、0.27mm、0.42mm，增长幅度分别为1.19%、2.47%、3.84%。据此，施工时可适当减小格栅钢架的刚度以减小施工成本。