地铁车站基坑和区间隧道近接施工对地面建筑物影响分析

巴 放

(沈阳地铁集团有限公司， 辽宁 沈阳 110011)

地铁车站基坑和区间隧道近接施工对地面建筑物影响分析

巴 放

(沈阳地铁集团有限公司， 辽宁 沈阳 110011)

沈阳地铁十号线滂江街站和滂江街站—长安路站区间(后面简称滂长区间)近接某老旧居民楼施工，车站基坑深约25 m，与该楼水平距离10.5 m，区间下穿该楼，竖向距离16 m。车站与区间施工对该建筑物进行多次扰动，形成叠加影响，该建筑物沉降变形风险较大。采用大型有限元软件ABAQUS对车站和区间的施工过程进行模拟分析，对该楼沉降进行预测，为风险工程保护措施提供参考依据。计算结果表明，左线盾构下穿施工引起该楼的沉降占总沉降的大部分，应重点加强左线盾构掘进过程的施工参数控制，确保建筑物沉降控制在允许范围之内。

地铁车站；深基坑；隧道；地面建筑；水平位移；沉降

随着经济的快速发展，城市建设特别是地铁工程建设得到了迅猛的发展，由于城市环境复杂、地面及地下建(构)筑物密布等因素，地铁近接建(构)筑物施工的案例越来越多，地铁建设导致的安全事故也时有发生，其中有的还造成了不良的社会影响和较为严重的生命、财产损失[1-7]。对于地下工程，围岩一直存在材料各向异性、本构模型复杂、土体与结构相互作用复杂等问题，传统的解析法和经验法往往把问题过于简化和公式化，比较难以反映岩土和结构的实际力学行为，不能准确预测地下工程施工的影响。数值分析作为一种新型的分析手段，对于复杂岩土问题具有很强的求解适应性和可靠性，已经成为地下工程分析最有效、最直观的方法[8]。

本文结合沈阳地铁十号线滂江街站、滂江街站—长安路站区间近接地面建筑物施工案例，根据实际工程概况建立了大型三维有限元模型，对车站主体基坑施工以及盾构区间下穿施工对地面建筑物的影响进行分析，得出了一些有意义的结论，为本项目风险控制措施的制定提供参考依据，对今后类似工程的实施也有一定的借鉴意义。

1 工程概况

滂江街站和滂长区间沿滂江街敷设，滂江街站为十号线和既有一号线换乘站，与控制中心合建，车站主体基坑深约25 m，采用Φ1000@1200钻孔灌注桩+5道内支撑+1道倒撑的支护形式；控制中心基坑深约16 m，采用钻孔灌注桩+4道锚索的支护形式。车站开挖前进行坑外降水，水位降至坑深以下1 m。滂—长区间采用盾构法施工，在滂江街站始发，沿左线推至长安路站，在长安路站调头，沿右线推至滂江街站接收，区间为6 m直径单洞单线圆形断面，线间距12 m～17 m，区间覆土12 m～18 m。

瑞光北巷3-1号楼由2层商铺和6、7层老旧住宅楼组成，为钢筋混凝土结构，无地下室，采用条形基础，基础埋深1.5 m。车站主体基坑及控制中心基坑与其水平距离10.5 m，区间与其竖向距离16 m。地铁工程与建筑物相对位置关系，如图1、图2所示。

图1 车站、区间与建筑物平面位置关系

图2地质剖面

场地地基土主要由第四系全新统和更新统黏性土、砂类土及碎石类土组成。车站和区间主要位于砾砂及圆砾层中。地下水主要为孔隙潜水，水位随季节影响而有所变化，地下水位埋深7.0 m左右。

2 变形机理及变形控制标准

2.1 变形机理

基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和因此而产生的墙外侧土体的位移[9]。可以认为，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体隆起和围护墙的位移。而对于沈阳而言，地层以密实砂土为主，坑底土体隆起有限，可以认为周围地层移动的主要原因为围护墙的位移。有多道内支撑体系的基坑，一般则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，即抛物线型位移，相应的地表沉降也表现为凹槽形，围护桩最大水平位移往往位于靠近坑底的中下部，最大沉降点位于墙后一定距离处。围护桩变形及地表沉降模式如图3所示。

图3基坑变形示意图

盾构施工引起的地表变形分为以下五个阶段[10]：

(1) 先行沉降：盾构开始向前掘进后，由于地下水位降低从而导致前方土体发生固结压缩沉降。此时的沉降与土体的软弱程度有关。

(2) 开挖面前方土体的隆起和沉降：如果开挖面支护力大于原始侧压力则地表隆起；如果支护压力小于土体原始侧压力则导致地面沉降。

(3) 通过沉降：由盾构施工扰动或盾构与周围土体摩擦力引起的扰动。

(4) 盾尾空隙沉降：由于建筑空隙的存在，注浆不及时、浆液填充不足、注浆压力不合理等因素均将导致土体向盾尾空隙中移动。

(5) 后期沉降：由土体固结和蠕变变形引起。

盾构施工的五个沉降阶段的示意图如图4所示。

图4盾构施工地面沉降-历时曲线示意

2.2 变形控制标准

根据《建筑基坑工程检测技术规范》[11](GB 50497—2009)、《城市轨道交通工程监测技术规范》[12](GB 50911—293)、《建筑地基基础设计规范》[13](GB 50007—2011)等相关规范规定，并结合国内外及沈阳地铁类似工程经验，确定滂江街、滂长区间自身及建筑物变形控制标准如表1所示。

表1 主要变形控制标准

3 数值分析模型

3.1 模型尺寸

数值分析模型见图5。

图5数值分析模型

为减小边界约束对计算结果的影响，各方向取值范围应不小于3H～5H(或B)(H为基坑深度，B为隧道跨度)，本风险工程数值分析取值范围为：横向160 m，纵向144 m，竖向60 m。钢支撑和锚索采用杆单元模拟，其它均采用实体单元模拟，桩、土间设置摩擦接触属性。建筑物楼层荷载按15 kP/层考虑。

3.2 模型参数

土层材料采用Mohr-Coulomb模型计算，考虑材料的大变形行为[14-15]，结构单元采用线弹性本构关系。考虑到管片接缝处强度的影响，对管片刚度进行折减，折减系数0.75，岩土及结构参数见表2和表3。

表2 土层基本参数表

表3 结构力学参数表

3.3 模拟工序

(1) 地应力平衡。

(2) 降水分析。

(3) 工况1：基坑开挖及结构回筑。分步开挖，每次开挖至支撑位置下0.5 m，施作支撑，再进行下一步开挖，依此类推直至开挖至坑底。顺作主体结构后覆土回填。

(4) 工况2：拆除洞口围护结构。

(5) 工况3：左线盾构掘进。分段掘进，每次开挖进尺2 m，开挖的同时激活盾构管片。

(6) 工况4：右线盾构掘进。分段掘进，每次开挖进尺2 m，开挖的同时激活盾构管片。

4 计算结果

4.1 降水影响

降水引起地表沉降见图6。

图6降水引起地表沉降

地层为低压缩性密实砂性土，土层渗透性大，降水影响半径大，根据沈阳地铁一号线施工降水对地表和建(构)筑物的沉降专题研究，结合沈阳基坑降水的实际工程经验，降水引起地表及建筑物沉降主要表现为整体沉降，差异沉降小。从图6中可以看出，降水后，地表沉降范围大，不过主要表现为整体沉降，150 m距离差异沉降为0.68 mm，计算结果进一步验证了以往经验。

4.2 地表沉降

地表沉降结果见图7。

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图7区间贯通后地表沉降

从图7中可以发现，施工中在基坑周围附近地表及区间上方地表形成沉降槽，车站主体基坑周边地表最大沉降为3.7 mm，控制中心基坑周边地表最大沉降为2.5 mm，区间上方地表最大沉降为4.96 mm，位于建筑物附近。均小于地表沉降控制值20 mm。

4.3 围护结构水平位移

结构水平位移计算结果见图8、图9。

图8 主体基坑围护桩水平位移

图9控制中心基坑围护桩水平位移

计算结果表明，车站主体围护结构最大水平位移为16.9 mm，控制中心围护结构最大水平位移为12.4 mm，均位于坑底附近，这与实际经验是相符的，最大水平位移值均满足控制标准要求。同时，从图中可以看出端头井由于空间作用明显，水平位移明显小于长边跨中水平位移。

4.4 管片变形

管片变形结果见图10、图11。

管片最大净空收敛为6.24 mm，最大沉降值为4.79 mm，均位于建筑物下方管片上，这是因为建筑物的存在，地基附加应力较大，导致区间开挖，作用在管片上的土压力相对其它位置更大，变形值满足管片变形控制标准。

图10 区间贯通后管片水平位移

图11区间贯通后管片拱顶沉降

4.5 建筑物变形及倾斜

建筑物变形计算结果见图12～图14。

图12 车站基坑开挖及结构回筑后建筑物累计沉降

图13 区间贯通后建筑物累计沉降

图14区间贯通后建筑物水平位移

滂江街站主体基坑和控制中心基坑开挖完后，建筑物最大沉降为1.38 mm，位于七层建筑物靠近基坑侧墙角处。区间贯通后，建筑物最大沉降增至4.27 mm，位置转移至七层建筑物靠近区间侧墙角处。

墙顶、底相对水平位移反映建筑物的倾斜情况，建筑物屋顶最大水平位移为2.41 mm，基础水平位移可以忽略，经计算得到建筑物的最大倾斜率为0.15‰，小于建筑物倾斜率控制值。

为了得到不同阶段的施工对建筑物变形的贡献，汇总建筑物沉降-历时曲线，如图15所示。

图15建筑物沉降-历时曲线

从图15中可以看出：

(1) 层数不同、距离不同，建筑物的沉降-历时曲线不同。层数越多，沉降越大，离基坑越近，沉降越大。离基坑更近的二层楼房与离基坑更远的六层楼房沉降相当，两者之间的七层楼房沉降最大。

(2) 由于端头井空间效应明显，且基坑采用大直径小间距(1000@1200)钻孔灌注桩，设置5道支撑+1道倒撑，支护刚度较大，基坑开挖及结构回筑过程导致建筑物的沉降不是很大，仅占总沉降的23%(以七层楼为例，余同)。

(3) 左线区间施工对建筑物的影响最大，引起沉降占总沉降的63%，右线区间离建筑物稍远，引起的沉降仅占14%。故应特别加强左线盾构施工控制，确保沉降不超标。

(4) 随着盾构接近，建筑物沉降开始增加，沉降速率也增加，盾尾脱离建筑物时沉降速率最大，随后随着盾构的远离，建筑物沉降虽然继续增加，不过速率降低，直至离开建筑物20 m后，沉降趋于稳定，可见本项目盾构施工的影响范围主要为前后20 m，当盾构进入建筑物前后20 m范围内应该加强监控量测，及时反馈监测结果指导盾构施工，做到信息化施工。

5 结 论

本文以沈阳地铁十号线滂江街站及滂长区间近接地面建筑物施工工程为实例，采用三维数值分析模型，分析了施工降水、基坑开挖、盾构掘进对既有建筑物的影响。可以得到以下结论：

(1) 沈阳地区降水引起地表及建筑物沉降主要表现为整体沉降，差异沉降较小，验证了本地区采用大管井降水对周边环境影响较小的经验。

(2) 加强基坑围护、支撑刚度，可以有效的控制围护结构水平位移及周边建筑物的沉降。而且盾构端头井空间效应明显，围护水平位移和附近地面建筑沉降均相对较小。

(3) 多层建筑物导致地层产生附加应力，管片在该处产生更大的收敛变形和拱顶沉降，同时盾构掘进将在该处引起更大的沉降，应重点关注。

(4) 区间左线对建筑物影响明显，应加强左线盾构掘进参数控制，并加强建筑物前后20 m范围内监测，及时反馈监测结果指导施工，实现信息化施工。

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InfluenceofMetroStationExcavatingandTunnelCrossingonGroundBuilding

BA Fang

(ShenyangMetroCo.,Ltd.,Shenyang,Liaoning110011,China)

An old residential building is just 10.5 meters from the deep Pangjiang Street Station excavation of Shenyang Metro Line 10, and the section tunnel from Pangjiang Street Station to Changan Road station will cross though the ground building, their vertical distance is 16 meters. Under the cumulated influence of metro station excavating and tunnel crossing, the ground building has a great risk of subsidence and deformation. In order to predict the settlement of the building and provide the basis for taking effective protective measures, a large finite element software ABAQUS is adopted to simulate the construction process of the station and the tunnel. The calculation results show that the major settlement is caused by the left tunnel crossing, therefore we should focus on strengthening the shield tunneling process control of the left tunnel and ensure the building settlement in the allowed range.

metrostation;deepexcavation;tunnel;groundbuilding;horizontaldisplacement;settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.041

2017-04-26

2017-05-29

巴 放(1978—)，男，辽宁大连人，硕士，高级工程师，主要从事土建工程、隧道工程的施工管理工作。E-mail:sydtbf@163.com

TU47

A

1672—1144(2017)05—0218—06