基坑開挖對周邊環境的影響研究

唐 鈴，劉 娟，宗 麗

(四川省冶勘設計集團有限公司，成都 610000)

1 概 述

隨著社會經濟的快速發展，我國城市化進程呈現加速發展的趨勢，城市人口愈來愈多，城市可用土地資源愈加緊張。因此，越來越多的高層建筑出現，并且建筑變得更加的密集，這就導致了基坑工程向著更深、面積更大的方向發展，基坑工程也變得愈加的復雜。深基坑工程的施工會給周邊環境及周邊構建筑物帶來嚴重的影響，甚至危害其安全，這給基坑圍護結構的設計帶來巨大的挑戰。

眾多科研工作者對基坑開挖工程問題進行了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果[1-3]。李淑等[4-5]基于北京某地鐵車站基坑工程，利用有限元軟件建立三維耦合模型，對基坑施工過程進行模擬，獲得周邊地表的變形、支護結構的內力和變形，總結了深基坑工程施工對周邊環境的影響規律。周大勇[6]基于天津某高層建筑的深基坑工程，通過對周邊建筑和地表的監測，獲得了周邊地表和建筑物的變形規律，進一步結合數值模擬手段，通過對基坑支護結構的內力和變形分析，研究了敏感參數的影響。孫鈞[7]基于某實際基坑工程，研究地下連續墻支護對周邊環境的影響，并提出了預防措施。國外學者也對基坑工程施工對周邊構建筑及環境的影響做了大量的研究[8-10]。本文基于某基坑工程，對地下連續墻支護效果進行研究，所得結論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

2 工程概況

某擬建大型商業中心周邊建筑物較多，環境復雜。工程總建造面積273 262 m2，地下室面積24 701 m2，該高層建筑集辦公用房、會展中心、酒店、會議等功能，地下共5層。本工程基坑深度為17.1 m，基坑工程采用地下連續墻+內支撐的支護結構，地連墻深度約28 m，共4層內支撐。

該高層建筑基坑所處地層主要為黏土、粉質黏土、粉土、砂性土。地質縱斷面見圖1，各土層巖性特征見表1。

表1 土體物理力學參數

3 深基坑的數值模型

3.1 有限元模型的建立

圖2為模型示意圖及網格劃分圖。模型整體尺寸為300 m×150 m×50 m。基坑深度為17 m，基坑支護采用地下連續墻+內支撐聯合支護，從基坑頂部起分別在1.4、5、8和12.7 m共設置4道。

圖2 模型示意圖及網格劃分圖

3.2 計算參數

根據當地勘探報告，土體取值見表1。地下連續墻和內支撐參數取值見表2。

表2 圍護結構參數

3.3 模擬過程

數值模擬過程嚴格按照實際工程設置，具體施工步見表3。

表3 具體施工步

4 計算結果分析

圖3為基坑開挖后豎向位移云圖。從圖3中可以看出，邊坡的位移場符合一般規律，表明計算參數、計算邊界條件、施工步驟的設計較為合理，為后續計算獲得合理結果奠定了基礎。

圖3 基坑開挖后豎向位移云圖

4.1 地下連續墻厚度的影響

本節研究不同地下連續墻厚度下基坑施工對支護結構和周邊環境的影響。分別建立4種不同地連墻厚度模型，即0.6、0.8、1.0和1.2 m(研究中控制其他變量不變，只改變地連墻厚度)，取基坑長邊的中點橫斷面進行分析。

圖4為4種地連墻厚度工況的地連墻水平位移曲線。圖4中可以看出，地表處地連墻無變形，其水平位移沿著地連墻的深度迅速增大，在地連墻中部約14 m處變形達到峰值，隨后又迅速減小，直至趨于穩定。當地連墻厚度為0.6 m時，其最大水平位移為5.5 cm；當地連墻厚度增大至0.8、1.0和1.2 m時，其最大水平位移分別減小至4.2、3.5和3.2 cm，較厚度0.6 m工況分別減小24%、37%和42%。可見，地連墻厚度對地連墻自身變形有顯著影響。但是隨著地連墻厚度的增大，這種影響越來越弱。因此在實際施工時，考慮對施工成本的控制，應合理選擇地連墻厚度。

圖4 不同地連墻厚度工況的地連墻水平位移曲線

不同地連墻厚度工況下的地表沉降見圖5。從圖5中可以看出，基坑施工對距離基坑10 m范圍內地表土體引起沉降最為顯著，隨著距離的增大，基坑施工的影響越來越小，當距離基坑超過50 m，基坑施工不會引起地表土體沉降。基坑施工引起的地表最大沉降發生在距離基坑8 m處。當地連墻厚度分別為0.6、0.8、1.0和1.2 m時，最大地表沉降分別為1.9、1.25、0.88和0.65 cm。可見，地表變形與地連墻厚度呈現反相關，即地表變形隨著地連墻厚度增大而減小。但隨著地連墻厚度增大，這種地表變形減小幅度越來越小。因此，不能一味地增大地連墻厚度，不經濟。

圖5 不同地連墻厚度工況下的地表沉降曲線

4.2 內支撐剛度的影響

本節研究不同內支撐剛度下基坑施工對支護結構和周邊環境的影響。分別建立4種不同剛度模型，即0.5E、1.0E、1.5E和2.0E(研究中控制其他變量不變，只改變內支撐剛度)。同樣，取基坑長邊的中點橫斷面進行分析。

圖6為不同內支撐剛度下的地連墻水平位移曲線。圖6中可以看出，地連墻變形規律與上述規律一致。當內支撐剛度為0.5E、1.0E、1.5E和2.0E時，地連墻最大水平位移分別為6.0、4.2、3.2和2.8 cm。可見，內支撐剛度同樣對地連墻變形有顯著影響，但是這種影響隨著內支撐剛度的增大逐漸減弱。因此在實際施工時，應該合理選擇內支撐剛度。

圖6 不同內支撐剛度下的地連墻水平位移曲線

不同內支撐剛度下的地表沉降見圖7。當內支撐剛度為0.5E、1.0E、1.5E和2.0E時，地連墻最大水平位移分別為2.1、1.25、0.85和0.78 cm。可見，內支撐剛度同樣對周邊環境有顯著影響，且影響隨著剛度增大逐漸變小。

圖7 不同內支撐剛度下的地表沉降曲線

4.3 數值結果和實測結果對比

圖8分別為地連墻水平位移和地表沉降的監測數據與模擬結果的對比結果(地連墻厚度為0.8 m，內支撐剛度1.0E)。由圖8中可以看出，實測結果和監測數據結果的變化趨勢同樣一致。由圖8(a)可知，地連墻最大水平位移的數值結果為4.2 cm，監測數據結果為4.4 cm，兩者誤差在10%以內。由圖8(b)可知，地表最大沉降的數值結果為1.25 cm，監測數據結果為1.3 cm，兩者誤差同樣在10%以內，均在合理范圍之內。綜上所述，對比結果驗證了模型的正確性。

圖8 監測數據與模擬結果對比

5 結 論

本文采用地連墻圍護結構的基坑工程，利用Plaxis 3D有限元軟件對施工過程進行模擬，獲得了地連墻和地表沉降變形規律，并研究了地連墻厚度和內支撐剛度的影響。同時將監測數據與模擬結果對比。得到以下結論：

1)地連墻水平位移沿著地連墻深度先迅速變大后迅速減小，最大位移發生在地連墻中部約14 m處；地表沉降隨著距基坑距離越來越小，且基坑施工對距離基坑10 m范圍內地表土體影響最為顯著。

2)地連墻和地表變形隨著地連墻厚度增大而減小，隨著內支撐剛度增大也隨之減小。但其影響隨著地連墻厚度和內支撐剛度的增大而逐漸減弱。