合肥地區(qū)深基坑開挖對(duì)文物保護(hù)建筑影響分析

魏東方，王斌 （合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

隨著地下空間利用率的提高，基坑施工產(chǎn)生的震動(dòng)、沉降變形等對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物造成的影響越來越受到關(guān)注［1～3］。文物保護(hù)建筑相比一般建筑物，變形控制的要求更高，然而目前各地區(qū)文物保護(hù)建筑變形控制標(biāo)準(zhǔn)仍以經(jīng)驗(yàn)為主［4～6］。

本文以合肥老城區(qū)地下停車庫鄰近安徽省文物保護(hù)建筑教弩臺(tái)為背景，通過二維典型剖面計(jì)算和三維有限元數(shù)值模擬分別計(jì)算，判斷基坑施工對(duì)鄰近文物保護(hù)建筑造成的影響，為合肥地區(qū)類似項(xiàng)目提供借鑒。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

合肥老城區(qū)住宅密集、景點(diǎn)多、交通量大，但是車位配比不足，嚴(yán)重制約老城區(qū)發(fā)展。本項(xiàng)目位于合肥市壽春路中段，北鄰逍遙津公園，南近明教寺，項(xiàng)目擬利用道路下空間新建地下停車庫，并與北側(cè)既有地下停車庫相連，滿足周邊地塊停車需求。

明教寺始建于南梁時(shí)，已有1400年歷史，上部結(jié)構(gòu)二十世紀(jì)八十年代恢復(fù)，是合肥最古老的佛教寺院。其基礎(chǔ)教弩臺(tái)原址是三國時(shí)期曹操所筑的教弩臺(tái)，是安徽省重點(diǎn)文物保護(hù)建筑。教弩臺(tái)東西向長72.5m，南北向?qū)?4.7m，面積近4000㎡，南端高4.3m，北端高3.5m。臺(tái)內(nèi)為填土，臺(tái)周護(hù)墻厚0.7m。

圖1 明教寺及教弩臺(tái)現(xiàn)狀

本項(xiàng)目基坑位于教弩臺(tái)北側(cè)，距離教弩臺(tái)護(hù)墻約14.10m，距離教弩臺(tái)嚴(yán)格保護(hù)線約6.9m。基坑?xùn)|西長76.6m、南北長70.3m，開挖深度11.3m。為減小施工對(duì)教弩臺(tái)的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)剛度大、控制變形好的鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐支護(hù)。臨近教弩臺(tái)側(cè)基坑支護(hù)形式為?1200@1500鉆孔灌注樁+雙排Ф 600高壓旋噴樁截水帷幕，采用兩道800×1000鋼筋混凝土支撐，坑底3m范圍被動(dòng)區(qū)采用三軸攪拌樁加固。基坑與教弩臺(tái)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑與教弩臺(tái)剖面位置關(guān)系

2.2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

基坑所在地層從上到下依次為：①1雜填土、①2淤泥及淤泥質(zhì)雜填土、②層粉質(zhì)粘土夾粉土、③層粉土夾粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、④層粉土與粉細(xì)砂互層、⑤層粉細(xì)砂夾粉土、⑥1層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑥2層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

根據(jù)勘察資料，抗浮設(shè)防水位取室外地坪下0.5m進(jìn)行設(shè)計(jì)。上層滯水分布于①1層、①2層，潛水分布于②層、③層、④層、⑤層、⑥層，含水層厚度較大，水量豐富。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.3 文物建筑變形控制標(biāo)準(zhǔn)

臨近文物保護(hù)建筑進(jìn)行深基坑開挖，制定合理的文物保護(hù)建筑變形控制標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵，該標(biāo)準(zhǔn)的合理確定即對(duì)文物保護(hù)建筑本身有重要影響，也是基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)選取的依據(jù)。

分析相關(guān)規(guī)范，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，制定基坑施工過程中教弩臺(tái)變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

教弩臺(tái)變形控制標(biāo)準(zhǔn) 表2

基坑工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)基坑周邊環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力，以及基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響程度確定。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）中對(duì)歷史建筑給出變形控制參考值為支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移應(yīng)小于0.18%H（本項(xiàng)目中為20.34mm），坑外地表最大沉降應(yīng)小于0.15%H（本項(xiàng)目中為16.95mm）（H為基坑開挖深度）。

3 基坑開挖對(duì)文物建筑影響分析

3.1 三維有限元分析

為分析基坑施工對(duì)周邊文物保護(hù)建筑產(chǎn)生的附加變形，采用MIDAS GTS三維有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

模型采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)，粘聚力和內(nèi)摩擦角按勘察報(bào)告取值，按合肥地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，割線剛度E50ref取壓縮模量的1.1倍，卸荷再加載模量Eurref取割線剛度的7倍。

為減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響，模型邊界距離建筑物邊界按不小于50m控制。土層采用3D實(shí)體單元模擬，基坑圍護(hù)樁采用2D板單元模擬，有限元分析按等剛度原則將圍護(hù)樁簡(jiǎn)化為地連墻結(jié)構(gòu)。內(nèi)支撐體系采用1D梁?jiǎn)卧M。

模型邊界條件為底面采用固定約束，四個(gè)側(cè)面為垂直于側(cè)面的方向約束，上表面為自由面。

根據(jù)基坑施工情況，分階段模擬基坑開挖、回填步驟，基坑施工后教弩臺(tái)變形見圖3、圖4、圖5所示。

圖3 基坑施工后教弩臺(tái)水平X方向位移云圖

圖4 基坑施工后教弩臺(tái)水平Y(jié)方向位移云圖

圖5 基坑施工后教弩臺(tái)豎向位移云圖

有限元數(shù)值分析云圖可以看出基坑施工后，教弩臺(tái)水平方向最大水平位移4.75mm、最大豎向位移4.37mm，最大差異沉降0.06mm，整體傾斜0.012mm，變形均滿足控制要求。

3.2 基坑典型剖面二維計(jì)算

采用啟明星軟件，選取教弩臺(tái)側(cè)基坑典型剖面計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。并將計(jì)算結(jié)果與三維有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

圖6 教弩臺(tái)側(cè)基坑典型剖面計(jì)算結(jié)果

典型剖面二維計(jì)算結(jié)果可知，基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身最大水平位移12.5mm，最大樁身彎矩1653kN.m，最大地面沉降約15.3mm，滿足基坑變形控制要求。

3.3 二維剖面計(jì)算與三維有限元分析結(jié)果對(duì)比

通過二維典型剖面計(jì)算和三維有限元數(shù)值模擬分別計(jì)算基坑施工對(duì)教弩臺(tái)變形影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3所示。

二維剖面計(jì)算與三維有限元分析結(jié)果對(duì)比 表3

對(duì)比分析二維典型剖面計(jì)算和三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果可知，三維有限元分析結(jié)果中水平位移較二維分析大8.6%，而地表沉降較二維分析小34.7%。與二維剖面計(jì)算相比，三維有限元分析能更好地反映空間三維效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更真實(shí)可靠。

4 結(jié)論

本文通過二維典型剖面計(jì)算和三維有限元數(shù)值模擬分別對(duì)深基坑施工引起鄰近文物保護(hù)建筑的變形影響進(jìn)行分析，可得出結(jié)論和相關(guān)建議如下。

①通過二維典型剖面計(jì)算和三維有限元數(shù)值模擬分別計(jì)算基坑施工對(duì)文物保護(hù)建筑影響，通過結(jié)果對(duì)比分析可知，三維有限元分析結(jié)果中水平位移較二維分析大8.6%，而地表沉降較二維分析小34.7%。與二維剖面計(jì)算相比，三維有限元分析能更好地反映空間三維效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更真實(shí)可靠。

②基坑施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地面變形，同時(shí)對(duì)文物保護(hù)建筑沉降、傾斜、裂縫等密切關(guān)注。

③采用三維有限元數(shù)值模擬對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行整體分析，通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果分析，可對(duì)建筑物變形較大的區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)，施工過程中嚴(yán)格控制，避免出現(xiàn)變形。