建筑密集區深基坑開挖施工中數值模擬分析的應用

□文/王 黎

建筑密集區深基坑開挖施工中數值模擬分析的應用

□文/王 黎

某深基坑工程施工場地狹小，周邊緊鄰主要街道和居民區，工程難度非常大。文章運用了數值模擬分析方法，在基坑西側預留了土臺，合理地利用了土體本身在開挖過程中控制變形的潛力，保證了深基坑開挖的安全。該工程表明，數學模擬分析方法可有效應用于深基坑開挖中。

深基坑；數值；模擬；建筑；密集

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于天津市河北區，占地面積16 162 m2；總建筑面積87700.13m2，其中地上建筑面積61 945.47 m2，地下建筑面積25 754.66 m2。基坑平面呈不規則形狀，東西最寬處約為95 m，南北長約134 m，開挖面積約為1.06萬m2，開挖深度為10.18 m；挖運土方約13萬m3。地塊北端為一棟21層高度＜100 m的辦公樓及3層商業裙房，中部及南端為2棟35層高度＜100 m的高層住宅，東南角為一棟14層高度為40 m的高層住宅，場地建筑物之間為2層整體地下車庫。

場地周邊環境復雜，北側緊鄰城市主干道，東側地下結構外邊線距用地紅線最近處為2.97 m，用地紅線距城市次干道中心線僅7.7 m，地上有10 kV高壓電線，地下有燃氣管、給水管線、排水管、DN400 mm管道及電纜等眾多管線；南側一單位附屬用房已貼近基坑外圍水泥攪拌樁且該附屬用房基礎埋深不足30 cm；沿基坑西側為5棟小區住宅樓，據基坑約7～10 m，均為20世紀90年代砌體結構建筑，高5～7層，基礎埋深淺，約為2～3 m且房屋本身的自重偏心，其中A建筑已存在嚴重不均勻沉降變形，距基坑邊僅6.9 m，周邊建筑保護要求極高。

1.2 地質情況

建設場地屬沖積、海積低平原。經場平后的標高約為大沽高程1.70 m（建筑相對標高-0.50 m），對基坑工程影響較大的土層分布在上部約20 m內。地層編號③2層粉質粘土為新近沖積層，僅局部分布，根據③2層粉質粘土的分布變化情況，全場地分為I、II兩個區，Ⅰ區為正常沉積區，Ⅱ區為古河道分布區。

初見水位埋深2.50～2.90 m，標高-0.68～-1.06 m。靜止水位埋深1.20～1.60 m，標高 0.35～0.25 m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補給，以蒸發形式排泄，水位隨季節有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m左右。該場地建筑物抗浮設防水位為大沽標高1.50 m。

⑧2層粉土為弱透水層，具有一定的承壓性，根據地區經驗，其承壓水的水頭高度約為大沽標高0.00 m。

正常沉積Ⅰ區上部④2、⑥3兩層均為粉土層，透水性好，這兩層粉土中水的滲漏，很容易給相鄰磚混結構建筑物造成嚴重后果。

2 基坑支護及開挖設計

2.1 地下水控制設計

采用三軸攪拌樁止水帷幕隔水，規格為φ650 mm@900 mm，有效樁長14.50 m。基坑內部設φ500 mm無砂混凝土管大口井降水32眼，采用正循環工藝成孔，帷幕外觀測井13眼，井深均15.0 m，在基坑西側建筑密集區域補加觀測井3眼。觀測井采用φ100 mm鐵管。

2.2 支護工程設計

圍護樁的規格為 φ750 mm@1 000 mm，有效樁長16.80 m，嵌固深度8.40 m；主筋根數22φ22 mm。針對基坑周邊建筑密集區域，圍護樁采用φ800 mm@1 000 mm，有效樁長18.80 m，嵌固深度10.40 m；主筋根數28φ22 mm。采用一道水平環形混凝土內支撐系統，環梁截面為1 000（1 400）mm×800 mm，強度等級 C35 混凝土支撐。配合72根鋼格構立柱，規格為460 mm×460 mm×12 mm。

在底板、地下二層樓板處分別設置換撐傳力帶，以便地下車庫-5.00 m樓板完成后可以拆除環形內支撐。

由于周邊一些建筑物對于沉降極為敏感，為合理利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，以達到控制坑周地層位移以及保護周邊環境的目的，在基坑西側對應沉降敏感的A建筑處預留土臺，土臺上部寬度5.00 m，自-5.00 m向下放坡1∶1.2至基底標高。土臺表面設60 mm厚強度等級C20噴射混凝土掛網護面，鋼筋網為φ6 mm@200 mm雙向，見圖1。

圖1 西側預留土臺方案

3 基坑開挖過程模擬分析

3.1 基坑水平位移計算

為確保施工的合理性，采用啟明星軟件對是否預留土臺2種工況下環形鋼筋混凝土內支撐體系的水平位移進行計算，見圖2和圖3（僅列出位移＞8 mm的數據）。

圖2 西側無土臺開挖至基底標高水平位移

圖3 西側預留土臺開挖至基底標高水平位移

由圖2和圖3可以看出，在無土臺的情況下，基坑西側平均位移約為14 mm，而東側位移則不足8 mm；預留土臺后，基坑西側位移不足8 mm，而東側平均位移則有明顯的增加，大致為16 mm。這說明預留土臺可以有效地限制支護結構水平位移的發展，減少基坑開挖對西側既有建筑物基礎的變形，降低施工對其的不利影響。

3.2 基坑開挖數值模擬

為更清楚地了解基坑開挖過程對周邊建筑物基礎的影響，采用巖土有限元軟件PLAXIS對擬開挖基坑的2種工況進行分析，主要選擇了最不利位置A建筑進行分析，計算時采用的是二維模型，見圖4。

圖4 有限元模型

圖5是不留土臺情況下，基坑挖至-10.18 m深度時的變形，為便于觀看，將其變形放大100倍。A建筑物發生較大的傾斜，其基礎底部及右側的土體發生較大的變形，擠壓基坑的支護樁，使樁身發生較大的彎曲變形。

圖5 無土臺開挖至-10.18 m時的基坑變形

圖6是預留土臺后，基坑挖至-10.18 m深度時的變形。A建筑的沉降較小，沒有發生嚴重的傾斜，其基礎底部和右側的土體變形較小，而由于支護樁的右側有土臺的作用，樁身發生的彎曲變形較小。

圖6 預留土臺開挖至-10.18 m時的基坑變形

另外，由圖5可以看出，無土臺情況下，A建筑最大沉降為18.00 mm，最大水平位移為4.44 mm；由圖6可以看出，有土臺情況下，A建筑最大沉降為6.32 mm，最大水平位移為2.55mm。由此可見，有無土臺的存在，對A建筑的基礎變形影響極大。

圖7是2種基坑開挖方案支護樁的水平位移對比。預留土臺時，樁身的最大水平位移為11.6 mm，而直接開挖樁身的最大水平位移為26.1 mm，這表明預留土臺的方法可以極大減小樁身水平位移，從而減小對所支護土體的變形和沉降的影響。

圖8是2種方案下A建筑墻后地表的沉降對比。直接開挖時，墻后地表最大沉降量為18 mm，而預留土臺開挖的最大沉降量為6.2 mm，表明預留土臺可以有效控制A建筑物墻后地表的沉降，從而防止A建筑在開挖過程中出現較大的傾斜。

4 施工要點與控制措施

4.1 挖土施工

由于基坑面積較大，形狀不規則，水平支撐體系以兩大環梁為主要支撐構件，整體剛度不太大，基坑開挖對支撐內力、變形影響較大。因此，開挖前對施工現場平面布置、開挖施工技術路線、環境保護措施等進行了反復分析論證并加強對開挖過程中監測數據的及時分析，適時調整開挖進行和順序，保證基坑開挖過程中支撐體系的均衡受力和變形。

第一步，土方開挖施工中。為確保西側居民住宅樓的安全，在對稱、平衡開挖原則下，采取先開挖東側、北側土方，再開挖南側、西側土方的挖運順序，利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，有效減少了西側、南側冠梁頂部的位移。待其他區域基礎底板施工完畢后，組織專家對土方開挖過程中的監測數據進行分析評估后，再對西側預留土臺進行開挖，通過南側大門將土方運出場外。

第二步，開挖基坑西側預留土臺。為有效控制因基坑地基土卸載坑底原始應力狀態改變，土體的彈性效應使基坑底面產生一定的回彈變形(隆起)，經計算分析，將該區域基礎混凝土墊層厚度增加到通常做法的3倍且坑底支撐混凝土擋墻與基礎混凝土墊層一同澆筑施工，形成一整體。

4.2 基坑及周邊環境變形監測控制

從基坑降水施工開始到土方挖運完畢，加強基坑支撐體系、周邊道路、地下管線、周邊建筑物的變形情況監測，建立信息共享平臺，每天及時上傳監測數據。密切注意帷幕滲漏情況及坑外水位的變化情況，遇有異常情況立即采取措施。

1）支撐體系水平位移監測。在支撐環梁（共布設18個觀測點）及冠梁（布設28個觀測點）上分別布設水平位移監測點，在基坑開挖過程中每天監測1次，雨后加測1次。

2）支撐體系垂直位移監測。利用高程監測方法對支撐環梁及冠梁上的觀測點進行監測，監測頻率為每天1次。

3)周邊建筑物沉降變形監測。對基坑開挖深度1.5倍距離范圍內的建筑物進行沉降變形監測。從基坑土方開挖到全部土方挖運完畢（含基坑西側預留土臺），西側預留土臺處周邊對應A住宅樓監測數據。

各個測點的沉降量較小，平均沉降量在7 mm左右，滿足施工要求。

5 結語

經近4月的開挖，基坑土方挖運施工完畢，其周邊住宅小區預留土臺處對應A建筑物的平均沉降量在7 mm左右，累計最大沉降量僅為13.24 mm；冠梁水平位移累計最大值為29.3 mm，均在設計及規范要求的警戒值范圍內，完全達到預期效果，實現了預期目標。通過數值方法對基坑工程的施工工況進行模擬分析，通過預留土臺，利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，同時，密切加強施工過程中的基坑支撐體系及其周邊環境監測，適時調整開挖進程和順序，進而采取相應的施工控制措施，可有效降低基坑開挖施工風險值，對軟土深基坑開挖有較好的借鑒意義。

TU473.2

C

1008-3197（2013）05-10-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.004

2013-06-04

王 黎/男，1960年出生，高級工程師，天津市河北區建設工程質量安全監督管理支隊，從事工程質量監督管理工作。