地铁车站深基坑周边桩基础建筑变形控制措施研究

地铁车站深基坑周边桩基础建筑变形控制措施研究

龚迪快姚煌王洁栋许冠郑翔

浙江华展工程研究设计院有限公司浙江宁波315012

摘要：以宁波市轨道交通4号线某地铁车站深基坑工程为背景，通过Midas/GTS有限元软分析三种设计措施在控制邻近桩基础建筑变形方面的效果和经济性，并提出保护方案。结果表明，在控制基坑开挖引起的桩基础建筑桩顶水平位移方面，坑内加固措施效费比较高，增加地连墙墙厚的效费比一般，增加地连墙深度的措施效果不明显。研究成果可供类似工程参考。

关键词：轨道交通工程；软土地区；变形控制；三维有限元；深基坑

[中图分类号]TU473[文献标识码]A[文章编号]

1.引言

随着城市建设的加速发展，位于闹市区的轨道交通工程周边往往建筑物密集，轨道交通深基坑在开挖施工导致的土体变形会使桩基础产生次生变形与弯矩，进而影响上部结构安全。因此，有必要对轨道交通深基坑采取有效的变形控制措施以减小深基坑开挖对周边建筑的影响。

王磊等[1]结合上海某紧邻历史建筑的深基坑工程实例，对深基坑开挖引起周边历史建筑的变形影响因素及减小影响的施工方法进行了研究。丁春勇[2]采用理论分析、有限元数值模拟、原位试验及施工监测等方法，对软土地区深基坑围护结构施工和基坑开挖引起的变形及基坑变形控制方法进行了研究。庄海洋等[3]对软土地区大型地铁车站深基坑开挖引起的基坑及周边环境变形的时空变化规律进行了整体分析，并对基坑变形速度的影响因素进行了总结。杨敏等[4]采用三维弹塑性有限元法，模拟了基坑开挖与邻近桩基的相互作用，讨论基坑的空间效应、桩基与基坑距离及桩基刚度等因素对邻近桩基受力的影响规律。此外，国内诸多学者对深基坑开挖引起周边环境变形的影响规律进行了研究[5-8]。

尽管目前有关软土地区深基坑施工中的变形规律及施工对周边建筑影响的研究已有一定的成果，但由于地下环境的复杂性及地域局限性，相关结论和方法的针对性不强。本文拟以宁波软土地区某车站深基坑工程为例，采用三维有限元软件Midas/GTS，对深基坑周边建筑变形规律及控制措施进行研究，以期为宁波轨道交通深基坑工程的优化设计提供参考。

2.工程概况

车站主体标准段基坑宽度为18.30m，基坑底板埋深约20.16m，端头井基坑宽度为23.20m，基坑底板埋深约21.90m，坑底主要位于5-1b层粉质黏土中。车站主体支护形式为地下连续墙+一道钢筋砼内支撑+五道钢支撑，地下连续墙厚度1000mm，标准段地下连续墙深约40m，端头井地下连续墙深约42m。车站主体采用明挖顺作法施工。车站东侧受基坑开挖影响（1.5倍基坑开挖深度范围内）的房屋有某酒店，车站西侧受基坑开挖影响的房屋有某小区1#~5#楼。

酒店（砼24）沿基坑方向长度约45.4m，垂直基坑方向长度约58.5m，整体形状呈“L”型，与地铁车站主体基坑最近距离约为13.9m，与附属基坑最近约4m。其工程桩（共237根）均采用Φ800钻孔灌注桩，桩长为51.0～52.3m，桩身砼强度为C30。酒店通设一层地下室，地下室开挖深度为4.3m~6.5m，围护形式采用水泥搅拌桩重力式挡墙与钻孔灌注桩的组合形式。

小区1#~5#楼（砼5）均为民用住宅楼，沿基坑方向长度分别约为10.8m、10.2m、9.9m、10.2m和6.9m，垂直基坑方向长度分别约为65.1m、66.3m、53.1m、55.3m和45.3m，距离地铁车站主体基坑最近距离分别约为27.3m、26.0m、28.0m、29.2m和31.7m。该建筑群建造于20世纪90年代末，建筑总面积分别约为3500m2、3300m2、2700m2、2700m2和1800m2。其工程桩均采用Φ377沉管灌注桩，桩长为18.7~19.1m，桩身砼强度为C20。

3.控制措施及效费比研究

对于建筑沉降控制标准，相关规范与地区经验给出的沉降允许值都较大，这是由于这些变形允许值是基于建筑不发生结构破坏为前提所提出的，而本文考虑建筑不发生外观破坏，所以相关变形应比这些标准要更为严格。根据有关统计，宁波地铁车站主体基坑周边的房屋沉降值小于9mm的房屋有12幢，发生外观裂缝的房屋仅有1幢，因此，本文房屋允许沉降值定为9mm。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[9]以及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[10]中的有关规定，确定了桩顶水平位移允许值及桩身允许弯矩值。

三维有限元模型见图1，开展包括增加地连墙刚度、增加地连墙深度及坑内土体加固措施对周边房屋变形影响的控制变形研究，各措施的研究方案见表1。在模型计算中，先假设不考虑对周边房屋的保护，建立无任何变形控制措施的基准模型（地连墙厚度800mm，墙深40m）。然后再分别考虑增加地连墙刚度、增加地连墙深度及坑内土体加固措施，最后将采取控制变形措施的计算模型与基准模型的有限元计算结果进行对比分析。

图1车站主体基坑支护结构和周边建筑图

表1控制措施研究方案

计算结果表明：

（1）增加地连墙厚度可一定程度减少建筑桩顶水平位移。采用T型幅对于控制建筑桩基最大水平位移十分有效。

（2）建筑桩顶水平位移随坑内土体加固置换率的增加而减小。相比于没有坑内加固的情况，坑内满堂加固时，桩顶水平位移减小46.6%（3.89mm）。可见，采用坑内土体加固措施对减小建筑桩顶水平位移效果较好。

（3）对于改变地连墙深度的措施，通过对有限元模拟数据的分析及结合实际工程经验，发现在地连墙墙趾已进入好土层一定深度后，再继续增加墙深，对周边建筑的变形控制效果较小。

为从各措施中选出针对柳锦花园小区的优化措施，绘制图2。由图2可知，对于控制桩顶水平位移，采用坑内土体加固最优，增加墙厚次之，增加墙深最差。

图2桩顶水平位移减小率与费用增量的关系

4.加固方案与预测结果

为使地铁车站基坑开挖导致的周边房屋变形小于控制标准，提出以下加固方案：对建筑对应基坑区段的坑底以上进行水泥掺量10%的土体弱加固处理，土体置换率0.6，费用增加约400万元。采取加固方案后，周边桩基础建筑变形与内力的预测结果中各项指标显著减小，均能满足控制要求。

5.结论

（1）由三维有限元计算结果可知，基坑周边建筑桩基的水平位移朝向坑内方向，最大侧移发生在离基坑最近桩，深度在坑底附近，沿远离基坑方向逐渐减小；桩基的竖向位移向下，沿远离基坑方向沉降逐渐减小，桩基的竖向位移沿深度方向则基本不变；桩顶最大弯矩发生在桩基顶部，且在靠近基坑角点处的桩的桩顶弯矩最大。

（2）对于有地下室的长桩基础建筑，建筑最大沉降较小，但开挖对桩基水平位移及弯矩的影响不可忽视。

（3）对于控制基坑开挖导致的建筑桩基础水平位移，可优先推荐坑内加固措施，该措施施工相对简单且费用适中，但需注意采用合适的水泥掺量；其次可推荐增加地连墙墙厚，采用T型幅时效费比是所有控制措施中最高的，但需综合考虑施工工期及施工难度等问题；不推荐增加地连墙墙深。

（4）加固措施实施后，柳锦花园小区5#楼桩顶水平位移仍接近变形控制标准，由于该楼位于基坑长边中部，变形较大，实际施工中应引起重视。

参考文献：

[1]王磊，吴善能.上海地区深基坑施工对周围历史建筑的影响[J].低温建筑技术.2011，（4）：107-108.

[2]丁春勇软土地区深基坑施上引起的变形及控制研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[3]庄海洋，吴祥祖，瞿英军.深软场地地铁车站深基坑开挖变形实测分析[J].铁道工程学报.2011，（5）：86-91.

[4]杨敏，周洪波，杨烨.基坑开挖与临近桩基相互作用分析[J].土木工程学报.2005，38（4）：91-96.

[5]金文波.深基坑施工与对历史建筑的保护[J].建筑施工.2008，30（4）：260-262.

[6]陈福泉，汪金卫，刘敏氚.基坑开挖时邻近桩基性状的数值分析[J].岩土力学.2008，29（7）：1971-1976.

[7]李岩岩.地铁车站明挖施工基坑监测技术与分析[J].青岛大学学报（工程技术版）.2009，（4）：87-92.

[8]欧章煜，谢百钩.深开挖邻产保护之探讨[J].岩土工程学报.2008，30（9）：509-517.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范：JGJ94-2008[S].北京：中国建设工业出版社，2008

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB50010-2010[S].北京：中国建设工业出版社，2010