莞惠城際軌道交通工程深基坑施工對鄰近建筑物的影響及控制分析

王凱椿

（中交第一公路工程局有限公司土木技術研究院，北京 101102）

莞惠城際軌道交通工程深基坑施工對鄰近建筑物的影響及控制分析

王凱椿

（中交第一公路工程局有限公司土木技術研究院，北京 101102）

在城際軌道建設中，將深基坑周邊鄰近建筑物影響降到最低，是設計及施工必須研究的課題。為了解決深基坑開挖過程中鄰近建筑物的安全問題，結合莞惠城際軌道GZH－5標工程實例，采用有限元模擬分析方法及該工程大量監測數據，通過建筑物加固前后變形情況對比，深入地研究超深基坑開挖對其鄰近建筑物的影響及控制。主要得出以下結論：1）與基坑的距離關系，是影響開挖期間建筑物變形規律的主要因素；2）模型能有效預測莞惠城際GZH－5標施工過程中10層居民樓變形終值超過控制值，可為制定加固措施提供參考；3）該施工加固方案能有效控制10層建筑物的變形與沉降，合理可行。

莞惠城際軌道；深基坑；鄰近建筑物；施工加固；監控量測；有限元軟件MIDAS-GTS

0 引言

深基坑工程的設計要求不僅要安全可靠，還要經濟合理［1］。當前，因施工技術的限制，軟弱圍巖明挖基坑工程對周邊環境均有不同程度的影響，特別是鄰近建（構）筑物的變形開裂現象時常發生，嚴重時甚至形成危房或倒塌。因此，深基坑開挖引起地層移動導致臨近建筑物受損及控制，是一個很復雜且很重要的問題。許多學者對此進行過理論研究和現場觀測實驗。Boscrdin M.D等［2］擴展了Burland的概念，對建筑物因基坑開挖引起的沉降進行了研究；高學伸等［3］根據工程實例，分析了深基坑開挖、降水及回灌對基坑周邊土體變形及鄰近建筑物沉降的影響；管志勇等［4］將分形理論應用于建筑物地基沉降曲線分析，計算兩建筑物地基各測點累計沉降曲線的盒維數，分析了測點維數變化情況與最終沉降量變化情況之間的相互關系；陳福全等［5］采用彈塑性有限元分析方法，分析了懸臂式排樁支護的基坑開挖對鄰近地基條形基礎下極限承載力的影響性狀；宋興海［6］以深圳市建科大樓基礎工程為研究對象應用有限差分軟件FLAC 3D對實際工況和不同支護參數進行了數值模擬，分析了支護結構的存在對高層建筑基礎沉降的影響；陳滋雄［7］利用土力學和巖石力學知識研究基坑開挖巖土體變形規律，利用FLAC 3D數值模擬軟件，對基坑開挖進行模擬，判定在特定條件下鄰近建筑物的安全性。以上這些研究大多都是研究基坑開挖時建筑物基礎沉降及土體的變形規律，而對于建筑物加固前后變形對比分析及傾斜值討論卻較少敘述。本文在參閱大量相關文獻，總結以往研究成果的基礎上，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件對莞惠城際軌道工程GZH－5標工程10層居民樓及附近基坑進行三維數值模擬，通過實際工程的模擬分析及實測分析，對深基坑開挖過程中10層居民樓基礎沉降及建筑物傾斜進行研究，總結該鄰近建筑物的變形規律，對施工加固方案進行合理驗證。

1 工程概況

廣東省珠江三角洲東莞至惠州（以下簡稱莞惠）城際軌道交通工程GZH－5標段，位于東莞市寮步鎮境內，線路里程樁號為GDK25＋080～GDK33＋022.30，其中明挖段為GDK25＋380～GDK29＋530。莞惠城際軌道工程GZH－5標明挖基坑平面圖如圖1所示。10層居民樓位于寮步鎮藥勒村，里程樁號為GDK27＋211～＋227，與基坑圍護結構距離約為5 m，且為GZH－5標最高層建筑物，2007年建造，框架結構，基礎類型為樁基，樁基類型為鉆孔灌注樁，樁長12 m，樁徑1.0 m，共30根。10層居民樓附近地質情況復雜，基坑施工采用三臺階開挖，支護結構采用多支點排樁支護體系加基坑內降水方案，基坑寬約17 m，深約18 m。圍護結構采用φ1 200 mm＠1 350 mm鉆孔灌注樁＋旋噴樁＋內支撐系統的支撐體系，基坑豎向設置4道內支撐?；影踩燃墳橐患墶５?道內支撐采用0.8 m×1.0 m的混凝土支撐，水平間距約6 m；其余采用φ600 mm、厚度t＝16 mm的鋼管支撐，水平間距約3 m。

圖1 莞惠城際軌道工程GZH－5標明挖基坑平面圖Fig.1 Plan of foundation pit of GZH-5 bid section of Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project

2 施工加固與監測方案

2.1 建筑物加固方案

基坑施工過程可能在2個方面對10層居民樓造成影響：1）基坑圍護結構施作過程中，由于土體擾動等原因造成鄰近建筑物的不均勻沉降；2）基坑開挖過程中，由于降水和圍護結構側向變形造成鄰近建筑物的不均勻沉降。這2種不均勻沉降都有可能造成鄰近建筑物的開裂或傾斜而影響使用。對10層居民樓提出如下加固方案：采用斜向袖閥注漿管注入水泥－水玻璃雙液漿對建筑物基礎及周圍土方進行加固，累計注漿量約為430 m3。建筑物注漿加固處理措施示意如圖2所示。

2.2 施工流程

見表1。

2.3 施工監測方案

結合實際情況，根據規范及設計文件要求，建筑物變形監測需進行基礎沉降、傾斜、裂縫3種觀測。鄰近建筑物監控量測項目如表2所示，建筑物監測斷面布置如圖3所示。

圖2 建筑物注漿加固處理措施示意圖Fig.2 Grouting reinforcement of adjacent building

表1 基坑施工工況Table 1 Construction procedure

3 監測結果分析

本工程根據10層居民樓的規模、結構特點及工程地質條件，對該建筑物布設4個沉降觀測監測點和6個建筑物傾斜觀測點。由于該居民樓為2007年建成，可忽略自穩沉降因素。工程期間，10層居民樓無施工引起裂縫，故未進行建筑物裂縫觀測工作。

表2 鄰近建筑物監控量測項目表Table 2 Monitoring items of adjacent building

圖3 建筑物差異沉降及傾斜測點布置圖Fig.3 Differential settlement of adjacent building and layout of monitoring points

3.1 地表沉降曲線預測

根據經驗方法預測地表沉降變形規律，不考慮周圍建筑物存在的影響，間接評估基坑開挖可能對周圍環境的影響，預測基坑開挖引起的地表沉降曲線，此方法在工程研究中經常采用。結合工程實踐經驗，HSIEH等［8］給出了三角形和凹槽型2種沉降型態的預測方法（如圖4所示）。該預測方法認為凹槽型沉降預測曲線最大沉降發生在距離墻后0.5H的位置處，而緊靠墻體處的沉降為最大沉降的0.5倍。后來，Kung等［9］對圖4（b）所示的凹槽型沉降曲線作了局部修正，認為緊靠墻體處的沉降為最大沉降的0.2倍。

根據經驗及現場實測數據分析，本文地表沉降規律與凹槽型沉降曲線預測規律相似，墻外地表沉降最大位置約在9 m（即0.5×18）附近，處于10層居民樓下方?？紤]建筑物距基坑圍護結構的距離，預測建筑物的變形行為如圖5所示。

3.2 建筑物基礎沉降分析

圖6為基坑北側10層居民樓沉降測點在整個基坑施工過程中的歷時沉降曲線。為確保10層居民樓的安全穩定，在開挖之前于建筑物四周采用斜向袖閥注漿管注入水泥－水玻璃雙液漿進行加固，不僅加強了建筑物基礎及周圍土方的強度，同時還形成一排帷幕起到防水的作用。從2011年12月初開始進行10層居民樓附近的基坑開挖工作，各道支撐架設及時，基坑開挖工序合理，充分利用時空效應，到2012年10月2日基坑回填完畢。由圖6可知，10層居民樓在注漿加固過程中，對原地基和原基礎的擾動，致使鄰近建筑物產生的不均勻沉降增大。從基坑土方開挖開始，建筑物各監測點沉降累計值繼續發展，隨開挖深度的增加，沉降值趨于穩定，到2012年4月上旬，各監測點均有不同程度的上抬現象，直至施工回填結束?；邮┕と^程建筑物均處于不均勻沉降狀態，開挖期間各測點累計沉降值最大約為16 mm，小于設計警戒值25 mm。

圖4 三角形和凹槽型沉降預測方法Fig.4 Triangle-shaped settlement prediction method and indentation-shaped settlement prediction method

圖5 土與結構相互作用下建筑物的變形行為Fig.5 Deformation of adjacent building under interaction between soil mass and structure

圖6 10層居民樓基礎沉降歷時曲線圖Fig.6 Settlement of foundation of 10-storey residential building Vs time

3.3 建筑物傾斜監測分析

圖7為基坑北側10層居民樓傾斜監測點在整個基坑施工過程中的水平位移歷時曲線。因建筑物傾斜與差異沉降有較大相關性，故水平位移歷時曲線變化規律與基礎沉降歷時曲線相似。在基坑開挖前期，建筑物頂部的水平位移值均大于底部水平位移值，隨開挖深度逐漸增大，各監測點水平位移值逐漸減小，建筑物最終呈現反傾斜狀態，這與數值模擬趨勢相似，再次證明研究模型與工程實際吻合較好，可作為分析參考的依據。通過對監測數據計算可知，于2012年2月28日測得傾斜最大值為0.000 12，小于設計警戒值0.001 5。

4 數值模擬分析

4.1 工程地質條件參數選取

根據工程地質勘察報告，對10層樓土體加固前后進行數值模擬。在數值計算過程中，各土層物理力學參數取值見表3。

圖7 10層居民樓水平位移歷時曲線圖Fig.7 Horizontal displacement of foundation of 10-storey residential building Vs time

表3 各層巖土的物理力學指標Table 3 Physical and mechanical parameters of soils

4.2 單元和本構

在基坑開挖模擬中，選擇合適的模型至關重要。本文利用巖土工程有限元分析軟件MIDAS-GTS對10層居民樓附近的深基坑工程加固前后開挖過程進行模擬，采用理想彈塑性模型Mohr-Coulomb模擬地基土體的特性。圍護結構采用厚度為1 m的板單元模擬，建筑物樁基礎、混凝土支撐及鋼支撐采用梁單元模擬，板單元和梁單元均考慮為線彈性。10層居民樓采用板單元進行模擬，土體采用實體單元（8節點6面體單元），與模擬圍護結構的板單元采用共節點方式接觸。模型建立需滿足如下基本假定：1）基坑開挖與支護通常屬于臨時性設施，故按不排水條件分析；2）各層土體視為均勻各向同性的彈塑性體；3）土體的初始應力按靜止土壓力計算；4）不考慮施工過程對土體力學性能的影響［10］。

4.3 幾何模型及工況

本工程明挖基坑采用三臺階開挖方式，臺階高約6 m，模型基于明挖基坑實際施工情況分析及規范要求，考慮建筑物距基坑距離及建筑物自身規格，初始地基范圍擬定154 m×30 m×40 m；基坑模型寬17 m，深18 m，分為4個施工階段進行模擬分析，即初始地基準備開挖、第1步開挖至6 m深、第2步開挖至12 m深和第3步開挖至基底18 m深，模型在距頂0 m深處建立間距6 m的混凝土支撐，距頂4，8，14 m深處分別建立間距3 m的鋼支撐。加固后模型以建筑物為中心的26 m×24 m范圍內，深度14 m土層屬性改變為注漿加固地層，其余參數同加固前。建立的有限元模型如圖8所示。

圖8 有限元計算模型Fig.8 Finite element calculation model

4.4 數值分析結果

為了更好地模擬基坑開挖對鄰近建筑物的沉降影響，本計算模型分別就建筑物加固前后基坑開挖6 m及基底18 m深2個施工階段進行模擬比較分析。不同開挖深度鄰近建筑物基礎沉降及水平位移模擬計算云圖見圖9—12。

圖9 加固前不同開挖深度鄰近建筑物沉降云圖Fig.9 Contour of settlement of adjacent building under different foundation pit excavation depths before grouting reinforcement

圖10 加固后不同開挖深度鄰近建筑物沉降云圖Fig.10 Contour of settlement of adjacent building under different foundation pit excavation depths after grouting reinforcement

計算結果表明：

1）本有限元計算模型，對建筑物加固前后附近基坑開挖進行模擬來分析加固前后建筑物的變形情況，從而判定施工加固的合理性。根據加固前后數值模擬結果，判定該工程施工前期的鄰近建筑物加固方案合理可行。

2）由圖9可知，開挖至6 m深處靠近基坑側沉降值最大，為－28.750 2 mm；開挖至基底18 m時遠離基坑側沉降值最大，為－25.2558 mm。開挖至18 m深相對開挖6 m深鄰近建筑物各基礎沉降測點均有不同程度的上抬現象，且靠近基坑側上抬值大于遠離基坑側。基坑開挖至6 m與開挖至18 m 2個施工階段，鄰近建筑物基礎沉降均已超過設計警戒值25 mm，對鄰近建筑物產生了較大的安全隱患，甚至有可能造成鄰近建筑物的開裂，進而造成大量的經濟損失。由圖10可知，建筑物隨基坑開挖基礎沉降變化規律與加固前相似，各測點在不同深度監測值均小于設計警戒值。

3）由圖10可知，開挖前期建筑物向基坑側傾斜，且逐漸增大，隨基坑開挖深度增加，傾斜值逐漸減?。婚_挖到基底時，鄰近建筑物出現反向傾斜現象，全過程傾斜監測值未超過設計警戒值。由圖11可知，加固后建筑物傾斜規律與加固前相似，各測點傾斜值均有減小趨勢。

4）數值模擬分析結果顯示，三維有限元計算得到的建筑物變形結果與后期根據文獻［8］建議的地表變形規律預測的建筑物變形行為相似。

圖11 加固前不同開挖深度鄰近建筑物水平位移云圖Fig.11 Contour of horizontal displacement of adjacent building under different foundation pit excavation depths before grouting reinforcement

圖12 開挖至基底時鄰近建筑物水平位移云圖Fig.12 Contour of horizontal displacement of adjacent building when the foundation pit excavation reaches the floor

4.5 理論與實測對比分析

選擇合適的本構及合理的假設模型，數值模擬不僅可以較好地反映鄰近建筑物的變形情況，還可以預判建筑物基礎沉降及傾斜的基本趨勢［11－12］。表4對比分析結果表明，該數值模型具有較好的擬合效果。

5 結論與建議

結合莞惠城際軌道深基坑工程實例，通過對基坑周邊10層居民樓的監測結果和數值模擬分析，主要結論與建議如下。

表4 數值模擬和實測結果比較Table 4 Comparison and contrast between numerical simulation result and monitoring result

1）明確了基坑開挖各施工階段對建筑物變形的影響程度，改變了傳統認為的基坑鄰近建筑物開挖期間始終向基坑方向傾斜的認識，驗證了建筑物變形情況與其鄰近基坑的距離是密切相關的。

2）在工程建設期間，10層居民樓基礎沉降和傾斜監測數據均被控制在允許范圍內，建筑物未出現施工裂縫。通過對加固前后建筑物變形的對比，表明該加固方案能有效地控制建筑物的變形，本工程經驗具有工程參考意義。

3）在該工程實例計算過程中未考慮時間影響，且是按理論標準情況設定條件，而實際施工過程很難達到，建筑物實際差異沉降和傾斜會大于計算結果［13］，參考時需考慮此因素。如何將實際工程問題抽象為數值模型，使理論計算與施工實際更好地擬合，是目前研究人員亟待解決的問題。

4）深基坑致使建筑物破壞的分析與控制是較深的研究課題，文章主要針對于莞惠城際軌道10層居民樓附近基坑及建筑物進行模擬研究，具有局限性。對于復雜地質及城市中臨近建筑群的深基坑，施工過程中如何準確地預測與優化還有待于進一步地研究。

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Analysis on Influence of Construction of Deep Foundation Pit on Adjacent Buildings：Case Study on GZH-5 Bid Section of Dongguan-Huizhou Inter-city Rail Transit Project

WANG Kaichun
（Civil Engineering Technology Research Institute of CCCC-FHEB Co.，Ltd.，Beijing 101102，China）

During the construction of inter-city rail transit projects，the influence of the construction of deep foundation pits on the adjacent buildings has to be minimized.In this article，the influence of the construction of the deep foundation pit of GZH-5 bid section of Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project on the adjacent buildings and its control technologies are studied，and comparison and contrast is made between the displacement of adjacent buildings before grouting reinforcement and that after grouting reinforcement，and between the finite element analysis result and the monitoring result.Conclusions drawn are as follows：1）The distance between the foundation pit and the adjacent buildings is the main factor that influences the displacement of the adjacent buildings；2）The finite element calculation model can effectively predict the displacement of the adjacent buildings during the construction of the foundation pit and thus the prediction result can provide reference for the determination of the building reinforcement measures；3）The grouting reinforcement measures taken are reasonable and feasible for the control of the displacement of adjacent buildings.

Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project；deep foundation pit；adjacent building；construction；reinforcement；monitoring；finite element software MIDAS-GTS

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.003

U 45

A

1672－741X（2014）04－0303－08

2013－10－15；

2014－01－20

王凱椿（1984－），男，北京人，2007年畢業于長沙理工大學，工程力學專業，本科，工程師，主要從事深基坑與隧道工程施工監控量測工作。