基坑開挖對鄰近建筑及地鐵隧道的影響研究

陳 立 敏

(中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

0 引言

基坑開挖是半無限空間體內的動態開挖過程，基坑開挖卸荷會使得基坑周邊土體產生側向位移，坑底產生回彈，這些土體卸荷行為均會影響到周邊建筑物及既有地鐵隧道的安全，因此分析基坑開挖對于周圍環境的影響成為一個亟待研究的重要課題。目前有不少學者展開了多方面的研究并取得了豐碩的成果。韓健勇等[1]通過數值計算，得出了在不同工況下基坑圍護結構的變形與建筑物沉降之間的關系。范凡等[2]通過理論分析得出了基坑開挖對周邊環境影響的分區特征，提出了坑外開挖面深度以上土體沉降分布曲線的簡化計算公式。陳陽等[3]基于現場實測得出了基坑圍護結構各項位移和周邊土體沉降隨時間及開挖深度的變化規律。

鑒于此，本文以沈陽某基坑工程為背景，利用Midas GTS NX有限元軟件建立三維數值模型，研究基坑開挖過程中，鄰近建筑物以及既有地鐵隧道受基坑開挖的影響規律，為后期類似基坑工程的安全施工提供參考。

1 有限元模型及參數

1.1 模型建立

擬建基坑開挖深度約為11.5 m，基坑北側有一地鐵風亭，距基坑邊8.1 m，風亭底板標高25.71 m。基坑西側有一16層建筑，距基坑邊5.2 m，有2層地下室，埋深8 m。基坑東側臨近地鐵線路，地鐵線距基坑邊4.2 m～16.9 m，并且有一豎井緊鄰擬建基坑，地鐵線軌頂標高18.696 m，豎井底板標高13.89 m。為保護既有區間隧道，控制基坑圍護結構變形，采取如下支護設計方案：

1)北側：支護樁φ1 000@1 300+三層角支撐，旋挖成孔，全程護筒；

2)東側：支護樁φ1 000@1 300+三層錨索，旋挖成孔，上部4.0 m采用護筒(距離小于6.0 m的部位全程采用鋼護筒)。東側—靠近豎井：支護樁φ1 000@1 300，旋挖成孔，上部4.0 m采用護筒；

3)南側：支護樁φ600@1 200+二層錨索，長螺旋成孔；

4)西側：支護樁φ800@1 300+一層錨索，長螺旋成孔。

基坑開挖影響寬度約為3倍～5倍的基坑開挖深度，影響深度約為2倍～4倍的基坑開挖深度，因此計算模型幾何尺寸X，Y，Z分別取211 m，211 m，35 m。模型底部固定，四周約束法向位移，上部為自由邊界，有限元模型如圖1所示，模型內部結構如圖2所示，模型共有176 904個單元，計算模型施工步驟與實際施工一致。

1.2 模型本構及計算參數

計算模型中土體采用實體單元建模，修正摩爾庫侖模型模擬；錨桿采用植入式桁架單元建模，彈性模型模擬；圍護樁和支撐結構采用梁單元建模，彈性模型模擬；地鐵隧道襯砌采用板單元建模，彈性模型模擬。本次數值計算所采用的巖土力學計算參數依據該項目勘察報告確定，具體地層參數和結構參數見表1，表2。

表1 土層物理力學參數

表2 結構參數

2 模擬結果分析

2.1 基坑開挖對既有地鐵結構的影響

地鐵隧道最終水平和豎向位移計算云圖如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可知，由于基坑開挖會引起周圍土體擾動，使基坑周圍土體向基坑內產生側向位移，地鐵隧道結構隨之產生附加位移和附加變形。當第一層土方開挖結束后，該階段隧道結構水平位移達到0.42 mm，占總水平位移的45%，隧道累計沉降量達到1.937 mm，累計上浮量達到1.871 mm；當第七層土方開挖結束，區間隧道結構最終水平位移為0.93 mm，指向基坑方向，最終累計沉降量為1.961 mm，累計上浮量為1.896 mm，根據《沈陽地鐵三號線一期工程初步設計技術要求》，隧道結構的水平位移、累計沉降量、累計上浮量均在預警值4.2 mm內，基坑開挖至設計深度后，左線隧道結構最大沉降量為1.961 mm，右線隧道結構最大沉降量為0.835 mm，高差為1.126 mm，在預警值2 mm內。

2.2 基坑開挖對鄰近建筑物的影響

本文通過分析建筑物地下室下角點位移量來判斷基坑

開挖對鄰近建筑物沉降的影響，并規定豎向位移向上為正。圖5為基坑開挖完成后鄰近建筑物地下室沉降云圖。

分析云圖可知，基坑開挖后建筑物地下室整體表現為沉降變形的趨勢。地下室寬度方向兩個下角點的沉降分別為-5.69 mm和-5.26 mm，其沉降差為0.43 mm。根據現行《建筑地基基礎設計規范》的相關規定，傾斜度為基礎傾斜方向兩端點沉降差與其距離的比值。本工程中，建筑物高48 m，因此建筑物的傾斜度為0.43/72=0.005 9，規范要求的限值為0.006，滿足規范要求，但接近規范臨界值，存在一定風險，需要采取合理手段減少建筑物的沉降。

3 結論與建議

本文通過有限元軟件數值分析，研究了基坑開挖對周圍環境的影響，得出了以下結論：

1)基坑開挖至設計深度后，隧道結構的水平位移、累計沉降量、累計上浮量均在預警值4.2 mm內，且左線隧道結構與右線隧道結構的高差為1.126 mm，在預警值2 mm內。

2)基坑開挖后建筑物地下室整體表現為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護形式，建筑物的傾斜度達到規范臨界值。