基坑开挖对邻近建筑地铁隧道的影响

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摘要:利用MidasGTSNX对基坑开挖引起的邻近建筑及地铁隧道变形情况进行三维建模分析，并对减少基坑开挖引起的邻近建筑物沉降方案进行研究。研究结果表明:基坑开挖后建筑物地下室整体表现为沉降变形的趋势，采用单排桩支护形式，建筑物的倾斜度会达到规范临界值，研究结果可为今后类似工程提供一定的借鉴和参考。

关键词:基坑开挖，邻近建筑，既有隧道，数值分

引言

基坑开挖是半无限空间体内的动态开挖过程，基坑开挖卸荷会使得基坑周边土体产生侧向位移，坑底产生回弹，这些土体卸荷行为均会影响到周边建筑物及既有地铁隧道的安全，因此分析基坑开挖对于周围环境的影响成为一个亟待研究的重要课题。目前有不少学者展开了多方面的研究并取得了丰硕的成果。韩健勇等［1］通过数值计算，得出了在不同工况下基坑围护结构的变形与建筑物沉降之间的关系。范凡等［2］通过理论分析得出了基坑开挖对周边环境影响的分区特征，提出了坑外开挖面深度以上土体沉降分布曲线的简化计算公式。陈阳等［3］基于现场实测得出了基坑围护结构各项位移和周边土体沉降随时间及开挖深度的变化规律。鉴于此，本文以沈阳某基坑工程为背景，利用MidasGTSNX有限元软件建立三维数值模型，研究基坑开挖过程中，邻近建筑物以及既有地铁隧道受基坑开挖的影响规律，为后期类似基坑工程的安全施工提供参考。

1有限元模型及参数

1．1模型建立

拟建基坑开挖深度约为11．5m，基坑北侧有一地铁风亭，距基坑边8．1m，风亭底板标高25．71m。基坑西侧有一16层建筑，距基坑边5．2m，有2层地下室，埋深8m。基坑东侧临近地铁线路，地铁线距基坑边4．2m～16．9m，并且有一竖井紧邻拟建基坑，地铁线轨顶标高18．696m，竖井底板标高13．89m。为保护既有区间隧道，控制基坑围护结构变形，采取如下支护设计方案:1)北侧:支护桩+三层角支撑，旋挖成孔，全程护筒;2)东侧:支护桩+三层锚索，旋挖成孔，上部4．0m采用护筒(距离小于6．0m的部位全程采用钢护筒)。东侧—靠近竖井:支护桩，旋挖成孔，上部4．0m采用护筒;3)南侧:支护桩+二层锚索，长螺旋成孔;4)西侧:支护桩+一层锚索，长螺旋成孔。基坑开挖影响宽度约为3倍～5倍的基坑开挖深度，影响深度约为2倍～4倍的基坑开挖深度，因此计算模型几何尺寸X，Y，Z分别取211m，211m，35m。模型底部固定，四周约束法向位移，上部为自由边界，有限元模型如图1所示，模型内部结构如图2所示，模型共有176904个单元，计算模型施工步骤与实际施工一致。

1．2模型本构及计算参数

计算模型中土体采用实体单元建模，修正摩尔库仑模型模拟;锚杆采用植入式桁架单元建模，弹性模型模拟;围护桩和支撑结构采用梁单元建模，弹性模型模拟;地铁隧道衬砌采用板单元建模，弹性模型模拟。本次数值计算所采用的岩土力学计算参数依据该项目勘察报告确定，具体地层参数和结构参数见表1，表2。

2模拟结果分析

2．1基坑开挖对既有地铁结构的影响

地铁隧道最终水平和竖向位移计算云图如图3，图4所示。由图3，图4可知，由于基坑开挖会引起周围土体扰动，使基坑周围土体向基坑内产生侧向位移，地铁隧道结构随之产生附加位移和附加变形。当第一层土方开挖结束后，该阶段隧道结构水平位移达到0．42mm，占总水平位移的45%，隧道累计沉降量达到1．937mm，累计上浮量达到1．871mm;当第七层土方开挖结束，区间隧道结构最终水平位移为0．93mm，指向基坑方向，最终累计沉降量为1．961mm，累计上浮量为1．896mm，根据《沈阳地铁三号线一期工程初步设计技术要求》，隧道结构的水平位移、累计沉降量、累计上浮量均在预警值4．2mm内，基坑开挖至设计深度后，左线隧道结构最大沉降量为1．961mm，右线隧道结构最大沉降量为0．835mm，高差为1．126mm，在预警值2mm内。

2．2基坑开挖对邻近建筑物的影响

本文通过分析建筑物地下室下角点位移量来判断基坑开挖对邻近建筑物沉降的影响，并规定竖向位移向上为正。图5为基坑开挖完成后邻近建筑物地下室沉降云图。分析云图可知，基坑开挖后建筑物地下室整体表现为沉降变形的趋势。地下室宽度方向两个下角点的沉降分别为－5．69mm和－5．26mm，其沉降差为0．43mm。根据现行《建筑地基基础设计规范》的相关规定，倾斜度为基础倾斜方向两端点沉降差与其距离的比值。本工程中，建筑物高48m，因此建筑物的倾斜度为0．43/72=0．0059，规范要求的限值为0．006，满足规范要求，但接近规范临界值，存在一定风险，需要采取合理手段减少建筑物的沉降。

3结论与建议

本文通过有限元软件数值分析，研究了基坑开挖对周围环境的影响，得出了以下结论:1)基坑开挖至设计深度后，隧道结构的水平位移、累计沉降量、累计上浮量均在预警值4．2mm内，且左线隧道结构与右线隧道结构的高差为1．126mm，在预警值2mm内。2)基坑开挖后建筑物地下室整体表现为沉降变形的趋势，采用单排桩支护形式，建筑物的倾斜度达到规范临界值。

参考文献:

［1］韩健勇，赵文，关永平，等．近接浅基础建筑物深基坑变形特性及关键参数［J］．东北大学学报(自然科学版)，2018，39(10):1463-1468．

［2］范凡，陈锦剑，章红兵，等．基坑开挖引起紧邻建筑物沉降的简化计算方法［J］．岩土工程学报，2015，37(S2):61-64．

［3］陈阳，赵文，贾鹏蛟，等．砂土地区深基坑稳定性评价及力学效应分析［J］．东北大学学报(自然科学版)，2018，39(9):1353-1357．

作者：陈立敏 单位：中国建筑东北设计研究院有限公司基坑开挖对邻近建筑及地铁隧道的影响研究