基坑開挖對周邊建筑影響的模擬分析

劉 馳 （安徽建工檢測科技集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

1 工程背景

1.1 車站工程概況

東風(fēng)大道站為軌道交通6 號線一期工程的終點(diǎn)站，中心里程處位于建材大道與和平路交叉口，車站跨建材大道、東風(fēng)大道沿和平路東西向布置，為地下二層11m 島式車站，車站采用單柱雙跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，整個(gè)車站范圍內(nèi)采用明挖法施工（局部頂板逆作、半蓋挖順作）。東風(fēng)大道站擬建場地28．4m深度范圍內(nèi)覆蓋層由第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)土層（Q4al+pl）、第四系上更新統(tǒng)砂土層（Q3al）組成，下伏基巖為古近系地層（E）泥巖。

1.2 建筑物與車站工程相對位置關(guān)系

華東（國際）建材中心B 區(qū)105#樓系地上兩層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約為2．8m，建筑物緊鄰東風(fēng)大道站車站工程，距離附屬結(jié)構(gòu)（3 號出入口）圍護(hù)樁4．85m，處于車站基坑工程影響范圍之內(nèi)，如圖1所示。

圖1 平面位置關(guān)系簡圖

2 模型建立及地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.1 模型假設(shè)

華東（國際）建材中心B 區(qū)105#樓已投入使用多年，故認(rèn)為其地基的固結(jié)沉降及基礎(chǔ)的工后沉降早已完成。

為了降低數(shù)值計(jì)算工作量，認(rèn)為建模范圍內(nèi)各土層呈均質(zhì)水平層狀分布，且同一土層為各向同性。

基坑所在的土層屬于弱透水層，且施工過程采取多種措施有效阻止地下水向基坑內(nèi)的滲透、流動，故有限元計(jì)算中忽略地下水的滲透、流動影響。

通常基坑施工的最危險(xiǎn)工況發(fā)生在基坑底板澆筑之前。基坑底板澆筑之后，后續(xù)順作法施工箱型混凝土車站結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)的施工逐漸提高了基坑的穩(wěn)定性，危險(xiǎn)性大大降低。故本次計(jì)算僅模擬基坑開挖至底板澆筑為止。

建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載按18kPa/層，等效分配到各基礎(chǔ)上。

2.2 土體計(jì)算參數(shù)

采用小應(yīng)變土體硬化（HS-Small）本構(gòu)模型對各土層進(jìn)行模擬[2]，土體計(jì)算參數(shù)見表1，上述參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告與工程經(jīng)驗(yàn)確定。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻，采用板（plate）單元進(jìn)行模擬，采用彈性本構(gòu)模型；混凝土支撐采用梁（beam）單元進(jìn)行模擬，其截面尺寸及慣性矩按實(shí)際計(jì)算，采用彈性本構(gòu)模型；鋼支撐采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿單元（便于施加預(yù)應(yīng)力）進(jìn)行模擬，各類結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表2所示。

2.3 模型建立

現(xiàn)用三維數(shù)值模擬分析合肥地鐵6號線東風(fēng)大道站對華東（國際）建材中心B 區(qū)105#樓的影響。本次數(shù)值模擬計(jì)算采用PLAXIS 3D 軟件進(jìn)行計(jì)算。東風(fēng)大道站基坑與華東（國際）建材中心B區(qū)105#樓之間的結(jié)構(gòu)模型三維視圖如圖2 所示。模型長寬高為220m×150m×60m，使基坑與建筑的外圍到模型邊緣的距離不小于25m。采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格剖分三維視圖如圖3所示。

圖2 東風(fēng)大道站基坑建模

圖3 東風(fēng)大道站基坑建模三維視圖

表2 基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.4 施工步驟

東風(fēng)大道站基坑標(biāo)準(zhǔn)段共設(shè)3 道內(nèi)支撐，3號出入口共設(shè)2道鋼支撐。施工過程中應(yīng)逐層開挖、依次逐層激活各層支撐，數(shù)值模擬的計(jì)算步驟如表3所示。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算步驟

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體變形

數(shù)值計(jì)算提取每一層基坑施工完成后的結(jié)構(gòu)與土體變形結(jié)果，重點(diǎn)對基坑施工引起的周邊地表建筑物不均勻沉降進(jìn)行分析，具體為提取建筑若干個(gè)角點(diǎn)沉降隨開挖步的變化，得出相鄰柱基差異沉降率[3]。圖4給出了主基坑、3號出入口基坑開挖至底時(shí)土體的豎向沉降云圖，圖5給出了3號出入口基坑開挖至底時(shí)土體豎向斷面沉降云圖。可見，在基坑開挖過程中，坑底產(chǎn)生了一定的隆起，坑壁兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了豎向沉降。

圖4 3號出入口基坑開挖至底時(shí)土體豎向沉降云圖

3.2 建筑物變形

為了便于分析，在建筑各關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，位置如圖6 所示。

圖6 B區(qū)105#樓的觀測點(diǎn)示意圖

計(jì)算得到了不同開挖步驟的監(jiān)測點(diǎn)沉降值，數(shù)據(jù)如表4 所示。監(jiān)測點(diǎn)的沉降曲線如圖7 所示。可見，東風(fēng)大道基坑開挖至底時(shí)既有建筑的最大豎向沉降為-7．65mm，最大側(cè)向位移為2．89mm；后續(xù)3 號出入口基坑開挖至底時(shí)建筑的最大豎向沉降為-11．47mm，最大側(cè)向位移為4．16mm。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)的沉降曲線

華東（國際）建材中心B 區(qū)105#樓為2 層框架結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)，其差異沉降特征及整體傾斜如表5 所示。可見，相鄰柱基最大差異沉降為3．13mm（0．000391L）（L 為相鄰柱基的中心距），小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）[4]規(guī)定的工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的沉降差限值0．002L，滿足要求；整體傾斜最大值為0．000255，小于規(guī)范限值0．004，滿足要求。

表4 建筑物監(jiān)測點(diǎn)沉降值（單位：mm）

表5 建筑物柱基沉降差及整體傾斜匯總表

3.3 數(shù)據(jù)分析

分析上述數(shù)據(jù)可知，軌道交通6 號線車站基坑施工對建筑物的影響歸納如下所示。

①基坑施工誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的最大豎向沉降為-7．65mm，最大側(cè)向位移為2．89mm；后續(xù)3號出入口基坑開挖至底時(shí)建筑物最大豎向沉降為-11．47mm，最大側(cè)向位移為4．16mm，均位于J1 點(diǎn)處。主體基坑開挖過程中，建筑物長向邊緣與基坑邊緣基本處于水平，因此J1～J5/J6～J10 監(jiān)測點(diǎn)變化速率基本一致；3 號出入口開挖過程中，J1 監(jiān)測點(diǎn)距離3 號出入口位置水平凈距最小，因此J1 監(jiān)測點(diǎn)變化速率、變化量均為最大，基本符合實(shí)際工程施工中的變化規(guī)律。

②基坑施工誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的相鄰柱基最大差異沉降為 2．41mm（0．000301L）；后續(xù)3號出入口基坑開挖至底時(shí)建筑物相鄰柱基最大差異沉降值為3．13mm（0．000391L）。主體基坑開挖過程中，建筑物長向邊緣與基坑長向邊緣基本處于水平，各監(jiān)測點(diǎn)距離基坑邊緣水平凈距基本一致，因此主基坑開挖至底時(shí)長邊方向兩端最大差異沉降量僅為0．01mm，此時(shí)相鄰柱基最大差異沉降量為短邊監(jiān)測點(diǎn)J1、J6 間差異沉降；3 號出入口開挖過程中，建筑物長向邊緣與3 號出入口長向邊緣垂直，因此長邊方向相鄰柱基差異沉降變化較大。

③基坑施工誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的整體傾斜最大值為0．234‰；后續(xù)3 號出入口基坑開挖至底時(shí)建筑物整體傾斜最大值為0．255‰。建筑物整體傾斜反映了基坑開挖對上部結(jié)構(gòu)的影響程度，但整體傾斜變化量均未超出規(guī)范允許范圍。

4 結(jié)論

本文結(jié)合合肥市軌道交通6 號線一期東風(fēng)大道站及華東（國際）建材中心B區(qū)105#樓相關(guān)工況，通過PLAXIS 3D 軟件建立三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基坑施工對建筑物影響，主要研究結(jié)論如下。

①該建筑物模擬施工引起建筑物基礎(chǔ)最大整體傾斜為0．255‰，模擬施工引起最大相鄰柱基沉降差為0．000391L，兩指標(biāo)均未超出《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）[4]關(guān)于同類建筑基礎(chǔ)變形的限值（4‰及0．002L）。

②建筑物的不均勻沉降量與基坑開挖存在直接關(guān)聯(lián)，距離基坑范圍較遠(yuǎn)時(shí)沉降量較小，距離基坑范圍較近時(shí)沉降量較大；基坑開挖過程中，建筑物傾斜方向基本上為朝著基坑方向傾斜。

③在基坑開挖過程中，運(yùn)用土的時(shí)空效應(yīng)原理，即充分利用基坑坑內(nèi)土方開挖后，土體變形在時(shí)間和空間上的滯后特性，及時(shí)架設(shè)支撐與預(yù)加軸力以平衡圍護(hù)內(nèi)外土壓力差，控制圍護(hù)變形和周邊地面變形[5]。

④施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對周邊建筑、重要管線及基坑的監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果信息化指導(dǎo)施工；對樁體變形和支撐軸力應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測，防止支撐松弛、失穩(wěn)。