城市中心區深基坑施工對臨近建筑物影響的數值模擬研究

紀曉佳 陸炫毅

（浙江安防職業技術學院，浙江 溫州 325016）

0 引言

隨著我國城市建設的發展，出現大規模的城市深基坑工程。城市中心區域的深基坑與其他區域的深基坑相比有很大不同，最主要的特點之一是周邊環境復雜，與已有建筑物距離近、地下各種管線復雜。基坑工程開挖引起的周圍土體變形會對鄰近既有建筑物和地下管線產生不良影響，例如周圍建筑物產生不均勻沉降以及建筑物上部結構開裂等。在深基坑設計施工的過程中，如果基坑支護體系承載力不足，一旦基坑變形超過周圍環境所能承受的最大值，就會導致周邊建筑物倒塌、地下管線斷裂等，經濟損失嚴重，造成不良的社會影響[1-3]。

基坑工程具有很強的區域性和個體性[4]。不同地域的巖土性質千差萬別。該文運用 PLAXIS 3D 有限元軟件，進行全尺寸的三維有限元分析，模擬溫州城市中心區某深基坑施工全過程，分析深基坑開挖引起的其鄰近構筑物的附加變形，研究成果可為后期類似深大基坑的支護和監測決策提供參考。

1 工程概況

擬建溫州市核心片區某項目位于溫州市鹿城區松臺街道，北側為蛟翔巷，東側為九三外路，南側為九三佳園和廣匯商廈，西側為勤奮路，總用地面積36528 m2，由1#樓（30層）、2#樓（33 層）、3#樓（15-22 層）、4#樓（28 層）、5#樓（12 層）、6#樓（14 層）、7#樓（33 層）、8#、9#樓商業裙樓（1-3 層）及10#樓幼兒園（3 層）組成，除幼兒園外全場設1-2 層地下室（3#、4#以北為2 層地下室、以南為1 層地下室），開挖深度5.15m～10.05 m。

結合周邊場地情況，該工程二層地下室基坑支護采用機械鉆孔樁加兩道砼內支撐復合支護體系，樁外側采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕。單層地下室采用機械鉆孔樁加一道砼內支撐和錨索的復合支護體系，樁外側采用單軸水泥攪拌樁止水帷幕。工程樁采用機械鉆孔灌注柱基礎。該項目基坑安全等級為一級，重要性系數為1.1。

圖1 為項目場地平面示意圖。項目東側存在大量的C 級危房，危房34 號位于地下二層開挖區域，距離圍護樁結構約為29 m。盡管34 號樓已經位于3 倍基坑開挖深度以外，但是房屋質量受損嚴重，需要計算基坑開挖引起的附件變形。

圖1 項目場地平面示意圖

2 建立基坑開挖數值模型

基于基坑支護的設計資料和前期基坑周邊建筑物的調研結果，支護結構參數及本構關系見表1。

表1 支護結構參數及本構關系

縱多研究成果表明，基坑開挖引起的墻后土體沉降范圍為4 倍的深基坑開挖深度，本次數值計算的有限元網格長×寬×高分別為390 m、320 m 和100 m。既有房屋側的墻后土體長度均大于10 倍的基坑開挖深度，滿足邊界條件的要求。模型中土體采用三維實體單元，樁剛度等效后的連續墻、房屋墻體和樓板采用板單元模擬，基坑立柱、內支撐、連梁、冠梁及腰梁采用梁單元模擬，如圖2 所示。模型中土體采用反映土體非線性變形的硬化模型（HS 模型），其他結構均采用彈性模型。總體計算模型含189 590 個單元，269 625 個節點。

圖2 三維模型圖

地基四周側面采用法向位移約束，底部采用三向位移約束，即四周網格只能沿豎直方向運動，而底部網格不允許產生任何位移。

基于Plaxis 3D 使用手冊和已有工程經驗，主固結加載切線剛度取值與基本一致。基于許多學者的研究，卸載再加載剛度一般為加載模量的3 倍[5]。對黏性土來說，剛度的應力水平相關冪值（m）的變化范圍很小，介于0.8～1.0[6]。本次數值計算冪值（m）的取值為0.9。各土層的硬化模型（HS 模型）參數見表2。

表2 各土層力學參數取值

基坑開挖施工步驟如下：1）初始應力場計算。2）建筑物施工。3）支護結構施工。4）開挖表層素填土。5）施工第一道支撐。6）開挖至一層地下室底部。7）激活第一道支撐和一層地下室底板。8）開挖至二層地下室底部。9）澆筑二層地下室底板。基于有限元計算結果進行分析可知，當基坑開挖至坑底工況時，基坑最不利。因此重點分析計算結果中二層地下室施工完后臨近建筑物的變形特性。在數值計算過程中，土體整體開挖不是分區開挖和分區施工，計算的結果是偏安全的。

3 基坑施工對臨近建筑物影響的數值模擬計算結果

3.1 34#危房附近土體位移矢量圖

圖3 為基坑施工至坑底時34#危房側的土體變形矢量圖。34#危房側開挖深度為9.2 m，建筑物距離維護結構29m。盡管34#危房位于3 倍的基坑開挖深度之外，基坑開挖至坑底時建筑物底部土體依然產生了較大的豎向和水平向位移。

圖3 34#危房側的土體變形矢量圖

3.2 建筑物附加沉降

圖4 為基坑施工至坑底時34#危房的附加沉降。34#危房為磚混結構，上部結構并未采用樁基進行支撐。基坑開完導致建筑物底部土體產生了較大的豎直向和水平向位移，如圖2 所示。因此，基坑開挖引起的不均勻地層位移下，34#危房產生較大的沉降變形，靠近基坑側的最大沉降為13.1mm，遠離基坑側的建筑沉降為8.8 mm，表明34#危房倒向基坑。

圖4 34#危房豎向沉降

3.3 建筑物附加水平變形

圖5為基坑施工至坑底時34#危房的東西向水平向位移。34#危房側的支護結構產生較大的側向變形，高達41.6 mm。因此，墻后土體的水平位移理應較大。基坑開挖至坑底時，建筑物底部的水平向位移為14.1 mm。由于建筑物倒向基坑，建筑物頂部的水平位移為19.0 mm。34#危房幾乎垂直于基坑支護結構，沿南北向水位位移較小，最大值為0.7 mm，如圖6 所示。

圖5 危房沿東西向水平向位移

圖6 危房沿南北向水平向位移

3.4 差異沉降

基于房屋的不均勻沉降，可以計算房屋的坡角（沉降差/房屋的長度）。Bjerrum（1963）[6]發現如果建筑物的不均勻沉降產的坡角大于1/500，建筑物的穩定性便會受到影響。34#房屋基本垂直于新建基坑，平行于基坑方向的水平位移很小。垂直于基坑方向，34#危房的最大和最小沉降分別為13.1mm 和8.8 mm。此危房的長度為12 m，34#危房的坡角為1/2790，要小于Bjerrum[6]提出的臨界值。

3.5 豎直向轉角

房屋底部和頂部的水平位移分別為14.1 mm和19.0 mm。34#危房的高度為13 m，計算得到房屋的豎直向坡角為1/2653（0.02°）。

4 結論

基于34#危房的不均勻沉降，危房的縱向坡角為1/2790；基于34#危房的不均勻水平位移，房屋的豎直向坡角為1/2653（0.02°）。盡管基坑施工引起的房屋坡角小于Bjerrum（1963）提出的容許值（1/500），但是這部分傾角只由基坑施工出現附加變形。由于危房前期產生了較大的變形，存在較大的裂縫，因此建議在基坑施工時采用一定的保護措施。

基于有限元數值計算結果，基坑施工導致東側的危房產生過大的附加變形。數值計算未考慮基坑周邊的附加堆載。施工產生的附加荷載必然加劇土體和危房的變形。因此，施工時要嚴格控制基坑周邊的堆載，尤其是危房側。

盡管基坑施工引起的危房坡角未超過影響房屋安全的允許值（1/500），但是該部分變形僅為基坑施工誘發的附加變形。在基坑開挖前，房屋所處的狀態并不清楚。為了確保基坑施工時鄰近危房的安全性和穩定性，建議在基坑東側危房區域，采用放坡開放的方式，充分利用被動區的土阻力限制圍護結構和土體變形。另外，采用分塊開挖，分塊澆筑支撐和底板的施工方法，充分利用三維約束效應降低基坑東側的土體、支護結構和建筑物的變形。