施工順序對基坑臨近地面 及建筑物變形影響分析

趙殿鵬 宋葉青 高建楠

依托實際工程，采用有限元軟件分別開展了基坑工程與臨近橋梁不同施工順序下基坑周圍的水平位移值以及沉降量。通過研究得到：先進行支架施工，后開挖基坑順序時，在基坑邊緣產生的水平位移值最大，最大值為13.3mm，在支架處產生的水平位移值為10.2mm；工況②中在基坑邊緣產生水平位移值大于工況①，為14.4 mm。支架處工況②產生的水平位移小于工況①，為8.6 mm。工況①在支架處產生的沉降大于工況②，在臨近基坑范圍以及與基坑邊緣距離大于40 m 范圍時，產生的沉降值差異很小；采取先進行支架施工后進行基坑開挖時，在支架位置靠近基坑側產生過的水平位移方向發生變化，同時沉降值增大，導致支架容易產生不均勻沉降。結果為類似工程施工工序優化提供參考。

當今城市中，隨著大量建筑物的興建，城市用地變得越來越少。建筑物的基坑施工遇到的難度也越來越大。建筑物基坑施工對鄰近建筑物的安全有很大的影響，特別是基坑開挖深，鄰近建筑物近的情況。針對基坑對鄰近建筑物的影響，國內外學者已進行了很多的研究，得到大量數據及一定規律。閣超等分析了深基坑施工過程中的現場監測結果，得出誘發臨近淺基礎建筑沉降過大的根本原因是支護樁間水土流失及不當的施工工序；張治國等通過研究鄰近深基坑建筑的沉降得出坑外土體側壓力和土體內部應力突然釋放會引起土體變形速率增大，致使鄰近建筑物沉降量驟增。錢鍵固等認為基坑開挖過程中周圍土體水平位移和地基土的變形模量無關，但取決于擋土位移模式和位移大小。

為研究基坑與鄰近建筑物施工順序對周圍地面及臨近建筑物變形的影響，依托實際工程，采用有限元軟件開展不同順序的基坑與鄰近建筑物施工工序，分析基坑周圍邊緣及周圍地面的土體變形情況，為后續類似工程提供參考。

一、模型建立

1.工程概況

浙江杭州某新建船閘為兩線共用引航道，兩線船閘中心線距離為55m。船閘主要建筑物為上、下閘首、閘室、上、下游引航道、引航道連接段、口門導堤等，閘首及閘室組成的船閘主體縱向長387.5 m，上、下游引航道直線段分別為505.3 m 和438 m，底寬分別為100 m 和110 m。兩線船閘下閘同步開挖現澆，基坑開挖尺寸較大，南側開挖長度達到近200 m。基坑施工的同時，距離基坑南側邊緣中部45 m 的地方同時在進行公路橋梁施工。基坑采用放坡開挖后，基坑邊緣距離橋梁施工位置僅有20 m 左右。為研究基坑工程施工與橋梁施工先后順序對周圍地面變形的影響，采用有限元軟件分別模擬先進行基坑開挖施工后進行橋梁施工以及先進行橋梁施工后進行基坑施工兩個施工工藝。

2.計算參數選取

根據地勘資料，場區土體從上到下分別為粉土①、粉土②、粉土③、粉質黏土、黏土，在數值軟件中根據現場設置相應土層數和土體厚度，巖土體參數如下表1 所示。土體本構模型采用修正庫倫-摩爾模型。

表1 土體參數表

3.模型建立

根據設計資料，建立模型尺寸為173m×50 m×50 m，基坑尺寸為50 m×30 m，基坑深度為15m。基坑施工中，采用放坡開挖，坡率為1:1.5。現場橋梁施工為滿堂支架現澆方式，因此，將橋梁建筑物及支架荷載簡化為面應力施加在地面，施加的應力為60kN/m2，面應力施加面積為34 m×12 m=408 m2，支架靠基坑側邊緣與基坑邊緣距離為20 m。

將模型底面設置為固定的邊界，模型中與x 軸垂直的兩個側面設置為x 方向固定邊界，與y 軸垂直的兩個側面設置y 方向固定邊界，模型頂面設置為自由邊界。

4.模擬工況

本次模擬中，按照施工順序不同建立兩個模擬工況，兩工況施工順序分別為：

工況①：第一層基坑土開挖—第二層基坑土開挖—第三層基坑土開挖—橋梁支架施工。

工況②：橋梁支架施工—第一層基坑土開挖—第二層基坑土開挖—第三層基坑土開挖。

二、結果分析

通過模擬，得到了兩種工況下基坑邊緣及周圍土體的沉降量與水平位移，分別對水平位移及沉降量進行分析，其中水平位移主要為基坑開挖引起的地面向基坑壁臨空方向的變形，即模型中的X 方向，因此，水平位移僅分析基坑X 方向的位移。

1.水平位移分析

由計算結果圖，支架施工后，產生的水平位移在支架范圍由中心向兩邊對稱分布，最大水平位移值為4.24 mm，出現在支架邊緣一帶。圖1 為工況①基坑開挖后產生的水平位移，由圖可以看出，基坑開挖后，最大水平位移值出現在基坑邊緣位置，最大位移值為13.3 mm。同時，支架處的水平位移值達到了10.8 mm，基坑開挖使支架位置處的水平位移增大。基坑邊緣到支架處的水平位移值先隨著距離基坑邊緣距離的增大而減小，當距離達到支架靠近基坑邊緣側時，位移值開始增大，最終達到支架處的最大水平位移值。同時，可以得到，支架施工完后，支架兩側的水平位移值方向相反。這是由于支架施工后，由于支架的重力，使得支架位置土體產生沉降，支架周邊的位移向支架中心變形。當基坑開挖后，支架兩邊的變形位移方向相同，在支架的基坑側水平位移方向發生的變化。這是由于基坑開挖導致臨空面出露，基坑周圍土體朝基坑臨空面發生變形。

圖1 工況①水平位移

下圖2 為工況2 中先進行基坑開挖后進行支架施工基坑周圍土體產生的水平位移圖。由圖可以看出，支架施工完成后，基坑邊緣產生的水平位移最大，為14.4 mm。周圍變形先隨著距離基坑邊緣的距離增大，水平位移值逐漸減小，達到支架位置時，水平位移開始增大，在支架位置產生的最大水平位移為8.6mm。

圖2 工況②水平位移

圖3 為兩工況下最終產生的水平位移值對比曲線，由圖可以看出，工況①施工順序中，在基坑邊緣初產生的水平位移要比工況2 小，但是在支架位置處，工況2 產生的水平位移值小于工況1。可知，先進行基坑開挖，后進行支架施工在支架處產生的水平位移值較大，有利于支架的穩定。

圖3 水平位移曲線

2.沉降分析

下圖4 為工況1 施工完成后產生的沉降，由圖可以看出，基坑施工完成后，在支架位置產生的沉降值最大，達到30.2 mm。從基坑邊緣到支架處，地面沉降值差異較小，平均沉降值為14.2 mm 左右。

圖4 工況①沉降云圖

下圖5 為工況②基坑開挖及支架施工完后地面產生的沉降云圖，在該工況中，支架位置的沉降值達到了28.1 mm，比工況①小7.4%。基坑邊緣產生的平均沉降值為14 mm，也略小于工況①。

圖5 工況②沉降云圖

將兩工況的沉降值繪制曲線圖如下圖6 所示，由圖可知，兩工況產生的沉降值差異主要在支架位置，在基坑邊緣處與基坑邊緣距離大于40 m 范圍，兩工況中產生的沉降值差異很小。

圖6 沉降值曲線

綜合開挖后的水平位移及沉降量可知，當基坑周圍有建筑物施工時，先進行建筑物施工后進行基坑施工會使建筑物位置處水平位移與沉降值均大于先進行基坑開挖后進行建筑物施工情況。主要是由于先進行基坑施工后，基坑周圍土體應力釋放，產生一定水平變形與沉降，建筑物施工時，由于施加荷載，使基坑邊緣的水平位移值增大，因此工況②基坑邊緣產生的水平位移值大于工況①。而在支架位置，先進行支架施工時，由于支架重力以及支架上承受的荷載使支架范圍地面產生一定沉降，基坑開挖后，使支架位置處變形持續增大。因此，工況①中支架位置處產生的水平位移及沉降值均大于工況②。

三、結語

依托實際工程，采用有限元軟件分別開展了基坑工程與臨近橋梁不同施工順序下基坑周圍的水平位移值以及沉降量。通過分析得到：

（1）工況①先進行支架施工，后開挖基坑順序時，在基坑邊緣產生的水平位移值最大，最大值為13.3 mm；在支架處產生的水平位移值為10.2。工況②中在基坑邊緣產生水平位移值大于工況①，為14.4 mm。然而在支架位置，工況②產生的水平位移小于工況①，為8.6 mm。

（2）兩工況中，工況①在支架處產生的沉降大于工況②，在臨近基坑范圍以及與基坑邊緣距離大于40 m 范圍時，產生的沉降值差異很小。

（3）采取先進行支架施工后進行基坑開挖時，在支架位置靠近基坑側產生的水平位移方向發生變化，同時沉降值增大，導致支架容易產生不均勻沉降。