基于MIDAS的基坑施工對周邊建筑影響分析

黃林江，張瀚宇，曹獻華

(1.深圳招商房地產有限公司，廣東 深圳 518067; 2.金地集團武漢房地產開發有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

南山智谷大廈項目位于深圳市南山區沙河西路與文光路西南側，為區政府重點投資項目。項目建筑面積約208 875.37 m2，共包含三層地下室，基坑最深深度距離現狀地表約14 m～15 m。項目施工場地西側與北側分布著數十棟房屋，如圖1所示。房屋建設年限較早，建筑較為老化，且離基坑邊緣較近，與本項目支護結構最近距離約4.1 m，該基坑的安全等級為一級，項目施工具有一定的風險性。

本項目為深基坑施工，施工過程中可能會導致周圍一定區域土體應力場及位移場的改變，使土體發生側移或沉降，周邊房屋受周邊土體位移作用的影響，會產生一定變形。參照GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[1]，建筑物地基變形允許值如表1所示。建筑物變形超過規范允許值，會對房屋造成嚴重的安全質量隱患，因此施工過程存在一定的安全風險性。施工前利用計算工具對基坑開挖不同階段的周邊建筑物變形情況做相應仿真分析，有利于提前掌握施工過程中不利情況，并針對性采取安全防范措施，有利于規避施工風險，極大程度上確保項目施工安全。

表1 建筑物地基變形允許值

MIDAS軟件是土木工程等領域常用的數值分析(有限元)軟件，功能強大且操作簡單，被廣泛運用于巖土力學仿真計算。本文擬采用技術路線如下：以工程勘察報告、基坑支護設計方案、周邊建筑現狀調查報告等資料為基礎，采用MIDAS對地基基礎工程施工全過程進行空間三維數值模擬分析，計算項目施工對周邊房屋結構變形的影響，根據數值模擬計算結果提前分析出施工過程中的不利情況，并提出相關建議，用于指導實際施工。

2 有限元計算原理介紹

2.1 軟件對施工過程的模擬方法

使用MIDAS程序時，定義在任意階段添加(或稱激活)的單元不受前階段作用的應力或荷載影響。荷載釋放系數為100%的單元被稱鈍化后，此類單元內部應力將全部分配給余下的其他單元，從而導致剩余單元的應力發生變化。與此相反，荷載釋放系數接近為0%的單元被刪除時，其內部應力將不分配給剩余單元[2]。適當調整荷載釋放系數，可以對分配給剩余單元的應力進行有限調整，從而可以比較真實地模擬實際施工過程。

2.2 本構模型

2.2.1 巖土材料本構模型

基坑施工過程中，產生的附加應力可能超過巖土材料比例極限(線彈性)，從而使材料達到塑性狀態。所以本文對巖土材料采用MIDAS提供的Mohr-Coulomb彈塑性本構模型[3]。

Mohr-Coulomb屈服條件在三維應力空間的表達式為:

其中，θσ為洛德角；c為巖土黏聚力；φ為內摩擦角；I1為應力張量第一不變量；J2為應力偏量第二不變量。

2.2.2 結構材料本構模型

結構梁和結構柱在基坑開挖以及項目土方回填過程中變形較小，故材料一般不會達到屈服狀態，本項目計算中均采用線彈性材料進行模擬。

2.2.3 收斂標準

軟件中共有三種收斂標準，分別為：位移、不平衡力以及不平衡能量收斂標準。三個標準均使用歐幾里得范數(enclidean norm)表示，按下列公式計算：

其中，‖d‖為向量d的范數；di為向量d的第i個成分；n為向量中成分數量。

位移收斂標準是到第i次迭代計算中的位移增量范數與第i次迭代計算前的位移增量范數的比值作為收斂標準。不平衡力收斂標準是當前階段迭代計算的不平衡力范數與當前階段使用的外力范數的比值作為收斂標準。

3 工程案例應用

3.1 項目概況

南山智谷大廈項目基坑支護采用“旋噴樁+咬合樁+兩道內支撐”形式。咬合樁葷樁(配筋樁)、素混凝土樁的樁徑均為1.2 m，配筋樁與素混凝土樁咬合0.3 m。基坑共有兩道鋼筋混凝土支撐(樁頂冠梁+一道腰梁)。咬合樁樁身混凝土等級采用C30，冠梁混凝土和腰梁混凝土采用C35。考慮到周邊建筑安全性，旋噴樁最外部又增加了兩排袖閥管注漿?；娱_挖深度約14 m～15 m，采用“分層分段”的開挖方式。

基坑1.5倍深度范圍內分布16棟老建筑，因建筑年限較久，原施工圖紙全部丟失，無法確定建筑物的基礎形式和結構形式。為了保證數據準確性，委托專業的房屋調查機構，對16棟建筑的結構形式及基礎形式進行了詳細調查(通過基礎開挖等形式進行調查)。建筑結構形式主要為框架結構和砌體結構，建筑基礎主要為獨立基礎和淺基礎[4]。

3.2 主要參數和計算條件設定

混凝土和巖土材料主要計算性能參數詳見表2,表3。

表2 彈性材料參數表

表3 巖土材料參數表

模型的長寬高分別為333 m，268 m及39 m。模型邊界條件設定采用邁達斯GTS軟件提供的“地面支承”命令，其中模型上表面為自由邊界，下表面Z方向位移固定，左右邊界為X方向位移固定，前后邊界為Y方向位移固定。劃分單元格后，計算模型如圖2所示。

3.3 工況設定

根據項目實際施工方案，選取10種工況進行仿真分析計算，如表4所示。

表4 仿真工況計算表

3.4 計算結果

根據相關參數，運用MIDAS建立三維有限元模型，對10種工況進行三維仿真數值計算，生成建筑結構變形和基坑支護結構變形云圖進行分析，最不利工況如圖3所示。

經過仿真計算隨著基坑施工的進行，周邊建筑物的沉降變形逐漸增大，最不利工況為拆除第一道支撐梁(工況10)，該工況下建筑物傾斜變化量最大，變化量如表5所示。根據模擬結果，在基坑施工期間，所有建筑物(基坑深度1.5倍范圍內)傾斜變化量均在規范值允許范圍內，基坑施工過程中周邊建筑是安全的。

表5 各樓棟建筑物(框架和砌體結構)

4 結論及建議

根據計算結果，珠光苑A，C，D，E，F棟為傾斜量變化最大的建筑，應加大這幾棟建筑監測點的布置數量。另外，在基坑施工過程中，應加密對該幾棟建筑的監測頻率，提前編制相應的應急預案，監測數據出現異常及時反饋處理，確?；邮┕ぐ踩?。

根據數值模擬計算結果，基坑施工最不利工況為拆除第一道支撐梁期間，后期施工應采取有效措施減小拆撐時支護結構的變形；拆換撐前需編制詳細的拆撐換撐方案，換撐方案應經過專家論證，并進行相應的審批。

保證支護樁施工質量：旋挖機鉆進過程做好咬合樁垂直度控制，防止咬合分叉，分層開挖土方過程中，若發現個別樁有偏差應引起注意，越往坑底偏差會越大，應及早處理。

支護樁施工期間采取適當措施減少入巖時的機械振動，盡量減少振動導致的周圍土體擾動；采取合理措施(施工過程中確保護壁泥漿濃度等)減少支護樁施工時可能發生的塌孔現象，減少周邊水土流失導致的建筑物不均勻沉降，盡量減少施工過程對周邊建筑的影響。

在施工時序上充分發揮施工的時間及空間效應的有利作用：1)土方開挖遵循分層、分段、均衡、適時的原則。2)采用信息化施工，施工中做好實時監測，動態設計，建全信息施工制度，及時掌握每一次施工工況中的基坑圍護結構及周圍環境的變形變化值確保安全。

后期實際施工過程中，及時采取實時監測數據，與仿真計算數據進行對比，出現偏差及時分析偏差原因，保證施工安全[5]。