明挖区间施工对临近重要建筑物的影响分析

张云龙, 赵子寅

(北京城建设计发展集团股份有限公司，山东济南 250101)

随着我国城市轨道交通工程的快速发展，地铁在城市交通的作用和影响越来越明显。在地铁车站修建的过程中，明挖法具有造价低、工艺简单、地质条件适应性广的特点，因此被广泛采用。地铁车站大部分位于城市中心区域，周边建筑较多，风险较大。如何减小周边建筑物的沉降变形，已经成为地铁车站施工中一个十分重要的课题。

1　工程概况

明挖区间包含济南轨道交通M2线与M1线联络通道部分，位于纬二路与站前街交叉口南侧，沿纬二路布设，起讫里程为YCK20+376.375～YCK448.175，全长71.8 m，最大宽度17.76 m，5 ‰单面下坡，底板最大埋深23.21 m。为缓解明挖施工带来的交通压力，区间采用明挖法+盖挖法施工方法。

德华银行旧址，国家级文保单位，建于1901年，位于经二路与纬二路交叉口北侧，地上三层，地下一层，结构为砖木结构，基础为毛石基础，与明挖区间结构最近距离为9.60 m，一级环境风险源。明挖区间与德华银行旧址的位置关系如图1所示。

图1　明挖区间与风险源位置关系

区间沿线属山前冲洪积倾斜平原地貌单元，南高北低，地势由南至北逐渐趋于平缓，明挖区间地面标高34.15～34.91 m。钻探结果揭示本区间地质从上至下依次为①2杂填土、①1素填土、⑩3碎石、⑩1粉质黏土、1粉质黏土、4碎石、1全风化辉长岩、2强风化辉长岩、3中风化辉长岩。底板位于全风化闪长岩层中。区间地下水位埋深较浅，施工期间水位按地表考虑。

明挖区间基坑采用钻孔咬合桩+内支撑体系，钻孔灌注桩荤素桩间隔布置，桩径1 000 mm，间距750 mm；内支撑采用一道800 mm×800 mm混凝土支撑，四道钢支撑(含一道倒撑)，第四道钢支撑为φ800 mm，其余钢支撑均为φ609 mm。施做临时立柱及路面体系，咬合桩嵌入中风化岩层2.6 m[1-2]。明挖区间基坑维护结构如图2所示。

图2　明挖区间维护结构

2　临近文保单位基坑开挖数值模拟

2.1　计算模型

利用MIDAS-GTSNX有限元软件进行基坑临近风险源的开挖数值模拟，模型采用地层-荷载结构模型，土体本构关系为摩尔库伦。模型尺寸为183.2 m×80 m×50 m(图3)。

图3　明挖区间临近风险源模型

地层及临近建筑基础采用三维实体单元模拟，建筑楼板及维护结构采用二维板单元模拟，内支撑、格构柱及建筑内部柱采用一维梁单元模拟。网格采用四面体网格划分，局部网格加密，共划分293 943个单元，54 323个节点。约束土体周边位移。施工阶段设置10步，模拟至开挖完成。地层主要物理学参数如表1所示[3-4]。

表1　地层主要物理学参数

2.2　结果分析

施工模拟步序主要包括：(1)自重应力场计算，位移清零；(2)第一次开挖；(3)施做第一道混凝土支撑及连系梁；(4)第二次开挖；(5)施做第二道钢支撑及连系梁；(6)第三次开挖；(7)施做第三道钢支撑及连系梁；(8)第四次开挖；(9)施做第四道钢支撑及连系梁；(10)第五次开挖。取围护结构外5 m处作为沉降观测点，基坑开挖至底部时，累积地表沉降如图4所示。

图4　地表沉降(单位:mm)

从图4中可以看出，基坑开挖对南北两侧沉降量的影响远小于东西两侧的沉降影响。监测位置距维护结构距离5 m，南北两侧的地表沉降值为2.0～3.1 mm，东西两侧的地表沉降值为11.1～15.8 mm，且风险源附近地表沉降值均较大，均值在15.2 mm左右，布置内支撑时，应适当加密内支撑，增大维护结构刚度，以减小风险源位置处的地表沉降。

为研究开挖施工步序对地表沉降的影响，取风险源附近及建筑基础共4个测点，研究施工步序对地表沉降的影响关系，优化维护形式。开挖至基坑底部时，测点沉降积累量如图5所示，测点变形随施工步序的变化如图6所示。

图5　累积沉降位移云图

图6　地表沉降随施工步序的变化关系

从图5中可以看出，基坑开挖对建筑物沉降影响较大，基坑附近地表沉降范围在6～10 mm，建筑物基础沉降范围在10～16 mm，且距离建筑物越远，沉降量越小，但降低不明显。

图6表明，随着基坑的开挖及支护，地表沉降呈波动式增长规律，地表沉降量变化逐渐减小；内支撑可以有效的减小地表沉降，如施工步序(3)、(5)、(7)、(9)；第二次开挖时，地表沉降变化达到最大6 mm，开挖引起建筑累积沉降15.8 mm，因此，应适当增加维护结构刚度或对建筑物采取有效的保护措施。

综上所述，明挖区间开挖对相邻文保单位的变形影响较大，应采取增加维护结构刚度、隔离文保单位措施、提高文保单位基础结构刚度等技术措施减小开挖对于文保单位的影响[5-6]。

3　结论与建议

本文通过对明挖区间基坑开挖的数值模拟，分析了现有支护方案下基坑开挖对临近文保单位的变形影响。模拟结果表明，现有支护方案对文保单位的变形沉降具有一定的抑制作用，施工时，建议采取如下保护措施，防止沉降变形过大：

(1)明确文保单位沉降控制标准，重视数值模拟在维护设计时的作用。

(2)优化基坑开挖的深度，必要时，纵向分段开挖，增大支撑截面，提高支撑的结构刚度。

(3)建议施工时在文保单位基础位置施做注浆孔，根据施工期间的监测沉降值决定是否采取注浆措施。

(4)优化施工监测，增加文保单位附近的沉降观测点，加密关键监测点的监测频率。

(5)基坑开挖时，维护结构应嵌入不透水层，降水措施采用坑内降水，并增设坑外降水井，减小降水造成的建筑物沉降。