关于地铁车站深基坑建设对邻近建筑物安全影响评估的研究

作者：张毅   

    根据现有的文献可知，新建地铁车站施工对既有建筑物的安全性影响的评估分析目前尚处于探索阶段，一些分析方法及评价标准还存在探讨，如建筑物现状评价体系、建筑物剩余变形能力和建筑物结构安全评价标准的确定等。本文依托合肥膨胀土地层地铁车站深基坑实际工程，结合穿越或邻近建筑物的现状，从建筑物的现场检测、测算及数值计算几个方面出发，形成一套较为系统、有效的地铁车站深基坑建设对邻近建筑物安全影响的预测及评估方法：研究成果可提升城市地铁车站深基坑建设安全风险管理的水平、降低工程风险损失，并对今后地铁车站深基坑建设前对周围和沿线建筑物结构安全评估具有重要的指导意义和实用价值，为风险工程在设计阶段进行安全性评估与评价提供有力指导。

1  施工前既有建筑物安全性评估

    为确保车站深基坑周围建筑物正常使用，根据中华人民共和国住房和城乡建设部建质[ 2010]5号文《城市轨道交通工程安全质量管理暂行办法》的要求，施工前，必须对车站深基坑邻近的既有建筑物现状进行全面检测评估。

    检测评估内容主要包括：①建筑物现状调查；②地基基础工作状态；③根据建筑物的类型测算主体结构倾斜、柱基相对沉降差等；④提出既有建构筑物的剩余变形能力；⑤核查建筑物结构尺寸；⑥混凝土外观、表面裂缝分布、混凝土强度、混凝土碳化深度等；⑦建筑物结构安全性计算分析；⑧车站深基坑建设对建筑物的影响评估。

2  既有建筑物地基变形值确定

    建筑物变形控制标准是地铁车站深基坑设计方案和施工工艺制定的前提，同样是对建筑物进行评估的基础。目前，在城市地铁施工中，一般规定引起的允许地面沉降值为30mm，隆起值为10mm，地面附加倾斜不得超过1/300。实际上，这些值往往是由专家们根据经验规定的，是临时性的，缺乏科学根据。由于建筑物的基础类型、结构形式、建造年代和使用情况、功能和重要性等的不同，具有不同的承受荷载作用和变形能力，因此，必须根据建筑物的实际情况和建筑物变形控制标准来确定建筑物剩余变形能力，从而对建筑物进行安全性评定。

    因国内外相关技术规范要求存在一定的差异，导致采用的建筑物变形控制标准不同。结合多年建筑物安全性鉴定和工程事故鉴定的工作经验，《建筑地基基础设计规范》( GB50007-2011)中的第5.3.4条作为建筑物变形控制标准比较适宜，部分条款见表1，该规范规定了建筑物的地基变形允许值，但规范中的规定仅适用于新建筑物，对于旧建筑物在建设和使用期间已发生一些变形也应作为地基变形的一部分。

3  工程实例

3.1  工程概况

    车站为地下二层岛式车站，总长167. 8m，深基坑采用明挖顺筑法施工，地势西高东低，道路坡度明显，小里程侧端头井覆土厚度3. 88m，底板埋深20. 05m，大里程侧端头井覆土厚度3.2m，底板埋深17. 47m，标高约10. 6m，深基坑标准段宽度18. 30m;2、3号出入口均采用明挖法施工，基坑深度分别为10.3和13. 5m。

    在建车站位于两条重要交通路交叉口，周边重要建筑很多，主要建筑物有金枫苑4#楼、安徽省计划生育委员会、豪悦商务酒店、长江西路高架桥等。各建筑物与地铁车站深基坑位置平面图见图1。其中金枫苑4#楼北侧距离车站主体结构围护桩4. 67m，西侧距离车站主体结构围护桩6.0m。

    金枫苑4#楼位于地铁车站的西南方向，建筑面积约16 216. 5m2，平面几何尺寸为58m×21. 5m，地上十二层框架结构，建筑物的建筑图见图2。该建筑物于2003年竣工，并投入使用至今。

3.2  建筑物现状调查及评估

3.2.1  结构损伤及缺陷情况检测

    经现场普查，未发现主要承重结构或构件因荷载或变形因素引起的明显裂缝产生或其他异常变形；同时亦未发现存在明显外观质量缺陷等现象。

3.2.2基础工作状态检测

    为了确定基础结构内部状况，采用美国生产的GSSI SIR - 20型探地雷达，使用连续测量的方式，探测基础结构的完整性。探测结果表明基础未发现缺陷，基础工作状态良好。

3.2.3  建筑物柱基的沉降和沉降差

    根据建筑物的类型和变形控制标准，变形测点布置在相邻的柱基上，具体布置点详见图3。采用Leica TCR1202全站仪对建筑物各柱基进行测量，推算出施工前建筑物纵横向相邻柱基的相对沉降和沉降差，具体数据详见表2和表3。

    由表2可以看出，施工前建筑物柱基相对沉降最大值为25 mm，柱基间距离为11. 5m和15. 9m，相邻柱基在建筑物纵向方向的沉降差最大值为

1.32%0L，最小值为0.35%0L。   

 由表3可以看出，施工前建筑物柱基相对沉降最大值同样为25mm，柱基间距离为14. 1m，相邻柱基在建筑物横向方向的沉降差最大值为0. 43%0L，最小值为0. 07%0L。

    由表2和表3可以看出，建筑物在使用期间柱基间均出现了不同程度的沉降，但建筑物纵向相邻柱基的沉降差在一定程度上比横向大，这主要是因为建筑物纵横方向上长度相差较大，横向柱基对称分布；施工前建筑物相邻柱基的沉降差最大值为1. 32%0L，最小值为0.07%0L，均未超出《建筑地基基础设计规范》( GB50007 - 2011)关于同类建筑相邻柱基的沉降差的限值2%0L。

3.2.4既有建筑物的剩余变形能力预测

    根据施工前建筑物纵横向相邻柱基的相对沉降和沉降差测量和推算结果知，该建筑物相邻柱基的最大沉降差为1. 32%0L，最小沉降差为0.07%0L，根据《建筑地基基础设计规范》( GB50007 - 2011)关于同类建筑相邻柱基的沉降差限值2%0L，该建筑物相邻柱基的沉降差剩余变形最大值为1. 93%0L，最小值为0. 68%0L。

3.2.5  既有建筑物现状安全性评估

    建筑物相邻柱基的沉降差最大值未超出《建筑地基基础设计规范》( GB50007 - 2011)关于同类建筑相邻柱基的沉降差的限值，不同柱基间存在一定的剩余变位能力。

    上部结构未发现主要承重构件因荷载因素引起的结构性裂缝或其它异常变形；结构复核结果显示地基基础及主体结构构件承载力满足规范要求。

    对照《民用建筑可靠性鉴定标准》评定该工程可满足正常使用条件下安全要求。

3.3建筑物安全评估及预测

3.3.1计算模型

    工程实例利用有限差分软件FLAC3D5.0对施工过程进行模拟分析，计算施工引起既有建筑物柱基的变形值。为满足计算精度的要求，FLAC平面计计算模型尺度为X×Y ×Z=300m x180m x30m，计算网格约35万个六面体单元，计算模型及拟建地铁车站与既有建筑物的相关关系见图4所示，模型 保证整体内单元尺寸能合理过渡以精确反映人工开挖扰动对地基的影响。采用改变等代层的参数来模拟建筑物基础，在基础上施加均布荷载来模拟房屋，根据《建筑结构荷载规范》( GB50009 - 2012)，并且偏安全考虑，每层以10kPa的均布荷载作为框架结构的正常使用荷载，以均布竖向荷载的形式用于基础上进行计算。拟建车站围护结构为钻孔灌注桩，计算模拟时将其按抗弯刚度相等等效为薄墙结构，其他结构形式采用FLAC3D中梁单元进行处理，车站主体共4层支护，2号和3号出入口分别计2、3层支护，见图5。

    约束条件：土体的左右侧面设水平X向约束，前后面设水平y向约束，底面设竖向约束，上表面自由。

3.3.2本构模型与计算参数

    采用零模型实现土方开挖过程的模拟，应用摩尔一库仑模型模拟土体。根据岩土工程勘察报告知，土层及各层土体的物理力学计算参数如表4所示；围护桩采用C30混凝土，根据经验将弹性模量E取为25 G Pa，泊松比取0.20，重度为25kN/m3，钢支撑采用线弹性杆单元模拟，弹性模量E取200 G Pa，泊松比取0. 26，基坑支护及内支撑其它参数见表5；建筑物基础重度为25 k N/m3，体积模量为6e3 M Pa，切变模量为4e3 M Pa。拟建车站地下水较深，在基坑开挖期间不存在基坑降水处理，因此不考虑地下水对基坑围护结构变形的影响。

3.3.3计算结果及分析

    根据现场施工过程将基坑开挖的关键过程分为：①初始地应力模拟；②围护结构施工；③基坑第1层土开挖；④设置第1层混凝土支撑；⑤第2层土开挖；⑥设置第2层钢支撑；⑦以此类推，设置第4层钢支撑，开挖至基底；⑧拆除最下一层钢支撑。最终开挖计算结果见图6，从图中可以看出沉降主要发生基坑的周围，在一定范围外无变形。

    为了解地铁车站深基坑施工对邻近建筑物金枫苑4#楼的影响，基坑施工模拟过程中在其基础上共布设了8个沉降观测点，详细布置见图3。各测点在五层开挖和拆除最下一层钢支撑工况下的累计沉降量见图7。

    由图7可知，邻近建筑物的变形场受到地铁车站基坑开挖的影响，地铁车站基坑开挖越深，邻近建筑物的变形越明显，地铁车站基坑开挖引起邻近建筑物的变形表现为竖向沉降和向基坑内侧移动。深基坑开挖至坑底时，引起相邻建筑物构的最大竖向位移为8. 87mm，发生在观测点S1处；建筑物最大沉降发生在基坑最下一层钢支撑拆除时，最大竖向位移为9. 82mm，发生在建筑物离深基坑最近处，即观测点S1处，最小沉降量为3.56mm，发生在建筑物离深基坑最远处，即观测点S8处。

3.3.4安全评估

    为评价建筑物在地铁深基坑施工期间的安全，需要把各测点在建筑物使用期间和施工期间的相对沉降和沉降差进行累加。由建筑物施工前后的相对沉降和沉降差变化值得出施工后建筑物纵横向相邻柱基的相对沉降和沉降差，具体结果详见表6和表7。

    由表6可以看出，施工后建筑物柱基相对沉降最大值为33. 56mm，相邻柱基在建筑物纵向方向的沉降差最大值为1. 38%0L，最小值为0.44%0L。

    由表7可以看出，施工后建筑物柱基相对沉降最大值同样为33. 56mm，相邻柱基在建筑物纵向方向的沉降差最大值为0. 46%0L，最小值为0.21%0L。

    由表6和表7可知，考虑到使用期间和深基坑施工引起建筑物的变形，该建筑物相邻柱基的最大沉降差为1. 38%0L，最小沉降差为0.21%0L，均未超出《建筑地基基础设计规范》( GB50007 - 2011)关于同类建筑相邻柱基的沉降差限值2%0L，可见该设计方案及施工工艺能保证建筑物正常使用和安全运营。

3.4  既有建筑物变形监测及控制效果分析

3.4.1监测方案

    监测项目主要包括建筑物柱基沉降、建筑物柱基水平位移、建筑物整体倾斜等。主要监测项目控制值依据前文所述的既有建筑物变形控制标准。部分监测点布置如图3所示。

3.4.2既有建筑物变形控制分析

    即有建筑物不同沉降监测点累计沉降量如图8。由图可见，在各施工阶段下，建筑物监测点的沉降值逐步增加，随着与基坑距离的增加而其增加量减小。建筑物最大沉降发生在基坑最下一层钢支撑拆除时，最大沉降量为10. 78mm，发生在建筑物离深基坑最近处即S1处，比计算值大8.7%；最小沉降量为2. 59mm，发生在S8处，比计算值小，比计算值小27%；总体上，监测值与计算值基本一致，偏差在15%以内，两值相差较大的位置均是计算值和监

测值比较小的位置，说明FLAC - 3D模型是基本准确的，所选计算参数是合理的。可以看出，在基坑开挖过程中，在靠地铁车站深基坑最近的S1个角点处产生较大的沉降位移。因此施工中必须勤测量，一旦发现立即采取加固措施。

    监测数据表明，在施工各阶段，建筑物对应位置测点的计算值和监测值变化趋势基本一致，布置监测点处的沉降差均未超出既有建筑物变形控制标准。同时，该建筑物在施工过程中和施工结束后，梁板柱均未出现异常情况，在地铁车站深基坑施工期间建筑物能正常使用和运行。可见，该评估方法能有效的预评估地铁车站深基坑建设对邻近建筑物安全的影响，并能为类似的工程提供借鉴。

4结论

    根据建筑物安全评价标准，首先开展了建筑物的现状检测和测算，然后基于FLAC软件，建立模拟基坑开挖过程的三维模型，分析了地铁车站深基坑施工对邻近建筑物影响的工程实例，模拟了主要施工方式及施工参数，判定建筑物的安全以及剩余变形能力。结论如下：

    1)从建筑物的现状检测、测算及数值模拟计算得出，该建筑物在使用期间和地铁车站深基坑施工引起建筑物相邻柱基的最大沉降差为1. 38%0L，最小沉降差为0. 21%0L，均未超出规范关于同类建筑相邻柱基的沉降差限值2%0L，表明该设计方案及施工工艺能保证建筑物正常使用和安全运营。

    2)从建筑物的变形监测得出，建筑物在地铁车站施工期间的变形未超过规范容许值，监测值与数值计算值基本一致，说明FLAC - 3D模型是基本准确的，所选计算参数是合理的。

    3)通过对地铁车站深基坑相邻建筑物的现状检测、测算及数值模拟计算，可预评估地铁车站深基坑施工对邻近的建筑物安全状况。该评估方法简单、可靠，可为类似的工程提供借鉴。

4)设计者及施工单位可根据安全预评估结果，决定是否修改设计参数或调整施工工艺，以保证地铁车站深基坑在施工期间邻近建筑物的正常使用和安全运营。

5摘要：为确保地铁车站深基坑施工期间邻近建筑物的安全性和正常使用的要求，根据既有建筑物基础类型、结构形式、建造时期和使用情况，确定既有建筑物基础的剩余变位能力，基于地铁车站的设计文件及施工方案，采用数值计算方法评判既有建筑物基础在车站深基坑施工期间的变形是否超过剩余变位值，可通过不断调整设计方案及施工方案直至满足其安全性为止，以保证建筑物在地铁车站施工期间建筑物的正常使用。工程实践表明，车站主体结构施工结束后地表沉降及邻近地面建筑物的变形值均在规定范围以内，有效降低了施工期间邻近建筑物面临的倾斜、沉降过大等风险。研究成果能为地铁车站深基坑建设前对邻近建筑物结构安全评估具有重要的指导意义和实用价值，为风险工程在设计及施工阶段进行安全性评估与评价提供有力指导。