深基坑開挖降水對周邊環境的影響分析

馬玉飛，劉煥玉，熊 輝，趙 波

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101；2.山東正維勘察測繪有限公司，山東 濟南 250101)

近年來，隨著經濟社會快速發展，城鎮化水平不斷提高，有限的土地資源與日益增加的建設用地需求之間的矛盾越來越突出，由此對地下空間的開發利用日益得到重視與推廣，如地下交通樞紐、商業綜合體、高層建筑地下室等，相應的基坑開挖深度與范圍也越來越大，周邊環境越來越復雜[1- 4]，特別是城市建筑密集區域的深基坑工程，周邊環境與建筑對其變形尤為敏感，對基坑變形的控制特別嚴格，即使支護結構本身未發生破壞失穩，過大變形也會導致周邊地面沉降、建筑物開裂、管線破壞等，帶來嚴重后果與損失[5- 6]。

為研究基坑開挖及降水對周邊環境的影響，對周邊建筑物的安全性及可能產生的變形進行預測，以此指導基坑工程支護降水方案的實施，保證基坑本身及周邊環境的安全穩定，本文以濟南某基坑為例，采用MIDAS GTS軟件建立了基坑及周邊建筑物的三維有限元模型，按照基坑開挖實際工況，對其開挖支護過程進行了模擬[7]，計算分析了基坑支護結構與周邊建筑物在基坑開挖過程中的位移變形規律，研究了基坑開挖對周邊建筑物的影響，可為后期類似工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

1.1 項目概況

擬建項目位于濟南市緯十二路與經四路交叉口西南角，包括2個主樓及樓間地下車庫，地上12—27層，地下4層，其中B- 1樓主樓為框架-抗震墻結構，基礎形式為灌注樁基礎，車庫為框架結構，基礎形式為獨立基礎；B- 2樓主樓為框架-核心筒結構，基礎形式為灌注樁基礎，車庫為框架結構。

場地內現狀地面東高西低，自然地表標高約為34.00～37.50m，主樓及車庫基底標高23.50～24.50m，基坑開挖深度約10.50～13.50m。

1.2 基坑周邊環境

本項目地處市區繁華地段，交通繁忙，周邊環境復雜，基坑東側與北側均為市政道路，地下室外墻線距離東側與北側道路邊線最近分別為27.14、11.13m，道路沿線埋設有雨污水、通信、電力等多種市政管線，管線埋深0.5～3.0m，地下室外墻線距離以上市政管線最近約14.80m；基坑西側為臨近地塊地下車庫及臨時地面道路，本項目地下室外墻線距西側地塊地下車庫最近約21.16m；基坑南側為已建成的28—33F高層住宅樓及底層商鋪，其中住宅樓為框剪結構、預應力混凝土管樁基礎，商鋪及售樓中心為框架結構、獨立基礎，本項目地下室外墻線距離住宅樓約14.24～20.42m，距離底層商鋪最近約12.60m；此外，基坑南側埋設有給水和污水管道，埋深約1.5m，局部緊鄰基坑邊緣，基坑開挖時需重點保護，加強監測。

1.3 工程地質條件

圖1 典型工程地質剖面圖

表1 支護設計參數表

2 基坑工程設計方案

2.1 基坑支護方案

考慮場地工程地質、水文地質條件、基坑周邊環境及基坑深度，依據基坑工程有關技術規范、規程，結合周邊類似工程經驗，基坑支護結構主要采用樁錨支護方式[8- 9]，此處僅以基坑南側典型支護剖面為例進行說明。

基坑南側西段范圍(4—4剖面)基坑開挖深度約13.5m，采用單排樁聯合預應力錨索支護，支護樁樁徑800mm，間距1.6m，樁長20.00m，主筋18C25，箍筋A8@150，加強筋B14@2000，砼強度C30；設置4道預應力錨索，水平間距1.6m，豎向間距2.6m，傾角20°，成孔直徑150mm，自由段長度5.0～7.0m，錨固段長度11.0～11.5m，桿體采用2As15.2鋼絞線；腰梁采用2[25a雙拼槽鋼，砼冠梁尺寸850mm×700mm；樁間掛網噴砼。支護剖面如圖2所示。

圖2 典型支護剖面(4—4剖面)

基坑南側東段范圍(5—5剖面)基坑開挖深度約12.7m，上部3m采用1∶1放坡，下部采用雙排樁聯合預應力錨索支護，支護樁樁徑1000mm，樁間距1.6m，排間距3.0m，樁長20.70m，主筋18C25，箍筋A8@150，加強筋B14@2000，砼強度C30；設置1道錨索錨固于前排樁冠梁，成孔直徑200mm，水平間距1.6m，傾角60°，桿體采用3As15.2鋼絞線，自由段長度7.0m，錨固段長度12.0m；砼冠梁尺寸1200mm×1000mm；前排樁間掛網噴砼。支護剖面如圖3所示。

圖3 典型支護剖面(5—5剖面)

2.2 地下水控制方案

場地地下水埋深較淺，地下水較豐富，為避免地下水位下降給周邊建筑物及周邊管線造成不利影響，沿基坑周邊設置封閉式止水帷幕，采用樁間高壓旋噴施工工藝，相鄰支護樁之間設置2根高壓旋噴樁，樁徑800mm，間距550mm，保證搭接長度不小于250mm，帷幕頂標高為33.00m，底標高16.65m。止水帷幕平面示意圖詳見圖2。

在帷幕內側沿基坑周邊布置降水井，井間距約12m，基坑內部布置疏干井，井間距約25m，井底絕對標高為18.35m。

為減少基坑降水對周邊環境影響，在帷幕外側沿基坑周邊布置回灌井備用，回灌井間距一般為30m(基坑南側回灌井間距約15m)，井底標高23.00m，回灌井與降水井間距不小于6m。

2.3 基坑監測方案

根據相關規程、標準要求，基坑工程現場監測采用儀器監測與巡視檢查相結合的方法。針對監測對象的關鍵部位，做到重點觀測、項目配套并形成有效的、完整的監測系統[9- 10]。

本項目儀器監測項目主要包括坡(樁)頂水平位移和沉降、深層水平位移、周邊地表及建筑物沉降監測、地下水位監測、錨索內力、管線位移監測等，各監測預警值見表2。

表2 基坑及周邊環境監測預警值

3 數值模擬與結果分析

MIDAS GTS是一款針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件，其建模過程主要包括定義材料特性、建立幾何模型、劃分網格、定義分析條件、定義施工階段、分析求解等階段[11- 12]。通過建立有限元模型，按照開挖深度不同劃分為6個開挖階段，分別對基坑周邊地面沉降、樁頂水平位移、周邊建筑沉降、基坑降水影響進行了分析討論。

3.1 基坑周邊地面沉降

基坑開挖至基底后基坑周邊地面沉降云圖如圖4所示，在模型中垂直于基坑開挖邊線的方向上分別選取了距離基坑邊緣3～58.5m的15個地面節點，根據各節點在不同開挖階段的地面沉降值做出沉降-距離關系曲線如圖5所示。

圖4 基坑周邊地面沉降云圖

圖5 基坑周邊地面沉降曲線

由圖4—5可見，在基坑開挖過程中，距離基坑邊緣35m(約為3倍基坑開挖深度)以內的范圍內地面沉降較為明顯，地面沉降分布近似呈“勺形”，隨著開挖深度的增加，地面沉降值逐漸增大，最大沉降約5.5mm；對于每一個開挖階段，地面沉降最大值均位于距離基坑邊緣25m左右的位置附近[11- 12]，建議施工現場在該范圍內布置監測點并加強監測。

3.2 樁頂水平位移

基坑開挖至基底后支護結構樁頂水平位移變形情況如圖6所示，根據模擬結果，樁頂水平位移隨著基坑開挖深度的不斷增大而隨之增大，最大位移約35mm。

圖6 樁頂水平位移

3.3 周邊建筑沉降

基坑開挖至基底后南側兩棟高層住宅建筑位移變形情況如圖7所示。

圖7 基坑周邊建筑位移變形

基坑開挖過程中南側兩棟高層住宅建筑及管樁均產生一定的位移變形，隨著開挖深度的增加，最大位移值也隨之增大，當基坑開挖到基底標高時，最大位移約為11.6mm，最大位移產生在管樁中上部，對應于基坑開挖深度的中下部。

3.4 基坑降水對周邊建筑影響

為了研究止水帷幕在基坑降水中所發揮的作用，將原模型進行調整，取消止水帷幕，通過模擬計算，在該條件下，基坑周邊建筑物與管樁的最大位移由11.6mm增加至32.7mm。由此說明基坑周邊設置封閉式止水帷幕可切斷降水漏斗曲線的外延部分，縮小降水影響范圍，延長地下水滲流路徑，減小水力梯度，能夠有效降低基坑降水對周邊建筑物及周邊環境的影響。

4 現場監測數據分析

在基坑開挖及基礎施工期間，現場按照設計方案要求進行了持續監測，在此以周邊建筑物沉降為例，對支護結構的作用狀態進行分析。基坑周邊的建筑物及周邊道路共設置41個建筑及路面沉降監測點，取其中代表性監測點Z10、Z22、Z30，作出基坑周邊建筑物沉降與日期之間的關系曲線如圖8所示。

圖8 周邊建筑時間-沉降曲線

通過以上監測數據及關系曲線可以發現，周邊建筑沉降在基坑開挖前期變化較大，采用樁錨及雙排樁支護結構后，曲線變化趨勢趨于平緩，基坑開挖至基底后臨近建筑物最大沉降僅為5mm左右，遠小于監測報警值，基坑開挖對臨近建筑物影響較小，滿足相關規范要求，表明本工程所采用的支護設計方案合理可行，能夠保證基坑邊坡穩定性，有效控制邊坡位移，同時將基坑開挖對周邊環境與建筑物的影響程度降至了最低，切實保護了基坑周邊環境與建筑物。

5 結語

通過建立三維有限元模型，研究了基坑開挖降水對周邊環境與建筑物的影響，得出以下主要結論：

(1)應對距離基坑邊緣三倍開挖深度以內的范圍加強沉降監測。

(2)增加錨索道數與錨索預應力鎖定值比增加樁徑更能有效控制周邊建筑物的位移變形。

(3)對多支點樁錨支護形式，建議排樁嵌固深度為基坑深度的0.6～0.8倍。

(4)全封閉式止水帷幕可有效降低基坑降水對周邊建筑物及周邊環境的影響。

(5)數值模擬由于其參數選取、模型建立具有一定的局限性，需經大量監測數據進行驗證，并根據監測結果對所采用的參數、模型進行不斷修正。