深基坑開挖對臨近建筑影響研究

馮世開,李大路，王 飛

（中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200）

基坑工程是傳統的涉及廣泛的巖土工程課題，不僅涉及到土力學的相關知識，還涉及到了結構力學和機械工程等學科的相關技術。基坑開挖不但對自身的變形和應力場有影響，還對周圍環境具有較大影響[1-3]。對于基坑工程的變形規律，霍潤科[4]通過分析基坑監測數據，得出了基坑墻體最大側向位移與隆起安全系數有關；劉念武[5]通過分析基坑監測數據后得出了支護結構的側向位移發展規律；祝文化[6]通過分析基坑建設，提出坑外荷載對沉降影響大而對側向位移影響小的結論。基坑開挖會改變地基土中應力場分布和滲流坡度，從而改變地基土的變形，間接影響臨近建筑物基礎的變形，嚴重時會使臨近基礎發生傾斜甚至建筑倒塌[7-9]。周沈華[10]通過分析影響基坑變形的主要因素和周邊地表的影響范圍，提出了地表沉降的計算式；應宏偉[11]等對軟土基坑工程進行了二維有限元分析，并把土體的固結效應加以討論；陳昆等[12]通過數值模擬提出了基于強度折減法的基坑周圍環境的安全系數實用計算方法。本文基于實際工程監測數據進行分析，采用三維數值計算和監測數據相結合的方式，分析了基坑工程對鄰近建筑物安全影響的主要影響因素，為基坑工程安全開挖提供參考。

1 工程概況

擬建長沙市某隧道工程，分為南北雙線，南北線各設置一座接收井，分為4條匝道，本文基于D匝道基坑工程及鄰近房屋變形進行監測、分析及研究。該基坑工程寬10.8m，深16.6m。基坑主體施工方式為明挖法，采用分段分層的方式進行開挖，基坑范圍內降水采用基內降水法，支護結構采用轉孔灌注樁及鋼板樁和內支撐的結構支護。

根據地質勘探報告，施工及影響范圍內地層主要由人工堆積物、粉質粘土、粉質砂土和粉質粘土組成。該工程范圍內地貌為典型的河流侵蝕地貌，工程地質和水文地質復雜。該工程范圍內地層分布自上而下如表1所示。

表1 基坑范圍地層分布

2 基坑工程臨近建筑物沉降、傾斜監測

為研究基坑工程對周圍環境的變形影響，在臨近建筑物相應位置設置變形監測點以監測臨近基坑的建筑物在施工期間的沉降及傾斜，共設置監測點6個，如圖1所示。

圖1 臨近建筑物監測點布置圖

3 深基坑工程臨近建筑物變形分析

依據監測點所得數據，以時間為橫坐標，累計沉降量為縱坐標繪出臨近基坑建筑物沉降發展曲線如圖2和圖3所示。根據沉降發展曲線，1號建筑的最大沉降為5mm，最小累計沉降為3.8mm，日最大沉降為2.5mm。2號建筑物的最大沉降為4mm，最小累計沉降為2.5mm，其中日最大沉降量為2.48mm。

圖2 測點S1-S3沉降發展曲線

圖3 測點S4-S6沉降發展曲線

對比兩個建筑物的沉降量，可知在其他施工變量一致時，離基坑較遠的2號建筑的最大沉降顯然小于距基坑較近的1號建筑，這是因為建筑物自重的作用，使建筑物受到自基坑工程影響時其擾動將會放大，使基坑工程的影響范圍內，建筑物沉降和與基坑的距離呈現出負相關的特性。

從1號建筑各個監測點沉降發展曲線可知，在施工前幾天，建筑的沉降發展模式基本符合整體沉降，然而隨后1號建筑物表現出與基坑方向相反的傾斜趨勢，然后這種傾斜趨勢進一步發展，最后趨于平緩。不同建筑物的沉降曲線在監測的后期產生明顯波動，這是因為基坑回填土過程中拆除了支撐結構所導致的。

4 深基坑工程對臨近建筑物變形數值模擬分析

為分析基坑變形及與周邊環境關鍵控制因素，利用有限元軟件FLAC3D，建立基坑工程、支護結構及周邊環境的數值模型，對砂卵石基坑整體工程變形及其對臨近建筑物變形影響進行分析計算。

為減小邊界效應對模型的影響，模型底部邊界與上邊界距離為60m，三維計算模型中取基坑尺寸為100m×11m×17m，模型的整體尺寸為250m×120m×60m。模型中的土層采用8節點六面體單元模擬，為減小計算時間，對靠近基坑的土體采用網格密集化處理，而靠近邊界的網格則更為疏散。

4.1 本構模型及工況設置

本模型計算旨在對基坑開挖引起的臨近建筑物變形進行初步探究，結合前人研究，選取土體的本構模型為摩爾—庫倫本構模型，該模型也是經常用于模擬實際土體變形及受力情況的土體本構模型，土體的變形包括剪切變形、拉伸準則以及彈塑性理論等。

為分析基坑加固情況對臨近建筑物的變形影響，結合實際基坑工程，共設置了兩種工況，分別為基坑圍護墻與建筑物之間的土體不進行加固和進行加固處理，基坑采取轉孔灌注樁地連墻支護，在實際工程中土體具有加固措施。

4.2 測點布置

為研究匝道基坑開挖對臨近建筑物的影響，本計算模型的監測點以基坑工程實際監測點布置為準，如圖1所示，共有6個數值模型監測點。

4.3 建筑物傾斜分析

未采取土體加固措施的情況下，基坑監測點側向位移曲線如圖4所示。在基坑開挖前期，監測建筑物并無發生明顯的傾斜現象，當基坑開挖到一定階段后，最大傾斜量發展到11mm，而在基坑開挖后期，建筑物的傾斜進一步發展，達到了25mm，該值已經接近建筑物警報值。

當土體采取加固措施時，基坑開挖所引起的臨近建筑物監測點傾斜曲線如圖4所示。在基坑剛開始開挖的前期，建筑物并無明顯傾斜發生，當基坑開挖進行到一定階段后，建筑物發生了反方向的傾斜現象，最大傾斜量在1.0mm左右，而在基坑開挖后期，建筑物傾斜量進一步發展，達到了20mm。對比基坑加固或不加固兩種工況，可知當土體具有加固措施時，建筑物的傾斜有明顯的減小趨勢，傾斜量得到了有效的控制。

圖4 不同工況下測點S1傾斜發展曲線

4.4 建筑物沉降分析

當土體采取加固措施時，基坑開挖引起的臨近建筑物沉降曲線如圖5所示。在基坑開挖的前期，建筑物的沉降值出現較大波動，測點最大沉降為2mm，當基坑開挖進行到一定階段后，測點最大沉降為12mm，當基坑開挖進行到后期時，最大沉降量高達52mm。

當土體未采取加固措施時，基坑開挖引起的臨近建筑物沉降曲線如圖5所示。可以看出在基坑剛開始開挖的前期，建筑物的差異沉降就開始出現，最大沉降量為1.2mm，當基坑開挖進行到一定階段后，最大沉降量為8mm，當基坑開挖進行到后期時，最大沉降為45mm，曲線為平緩型，建筑物沉降最大值在安全范圍內。

圖5 不同工況下測點S1沉降發展曲線

根據兩種工況的對比分析，可知土體加固均有利于建筑物的傾斜和沉降控制，而且在基坑開挖的過程中，土體加固也使臨近建筑物的變形發展更趨于平緩。

5 結論

本文為分析深基坑開挖對臨近建筑物的影響，結合實際工程，采用監測數據分析和有限元模擬等方法，得到以下結論：

（1）對比兩個距離不同的相鄰建筑物沉降曲線，可知距離較近的建筑物比較遠者的沉降發展要更明顯，這是由于樁的施工、基坑開挖和支護拆除等對施工工序對距離較為敏感的緣故；

（2）當土體未加固時，基坑開挖會引起相鄰建筑物的傾斜和沉降等變形影響，且隨著開挖不斷進行，這種變形趨勢愈加嚴重；

（3）對比土體加固和未加固兩種工況，可知土體加固可以提高土體的局部穩定性，有利于土體和臨建建筑物的變形控制。