基坑開挖對鄰近建筑物影響的數(shù)值模擬分析

聶曉琛

中聯(lián)西北工程設計研究院有限公司 陜西 西安 710000

引言

隨著經(jīng)濟與城市建設的不斷發(fā)展，城市市區(qū)內(nèi)鄰近建筑物的深基坑開挖工程越來越多，深基坑開挖工程對鄰近建筑物的影響研究也成為了學者和工程師們的研究熱點。例如，宋興海[1]以深圳市建科大樓基礎工程為研究對象，采用FLAC3D軟件對實際工況和不同支護參數(shù)進行了數(shù)值模擬，分析了支護結(jié)構(gòu)的施工對既有建筑基礎沉降的影響；陳滋雄[2]利用FLAC3D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；李明瑛[3]等在運用Midas-GTS軟件對深基坑支護進行數(shù)值模擬分析，對比了支護結(jié)構(gòu)實測值與變形值之后，分析了基坑中土體的最大沉降量、樁身最大水平位移，為基坑變形監(jiān)測提供了依據(jù)。

本文結(jié)合某緊鄰地鐵車站的深基坑工程，運用Midas-GTS三維數(shù)值分析軟件模擬分析了基坑開挖對既有地鐵車站的影響，論證了開挖方案的合理性和地鐵車站運行的安全性，并且提出相應的施工保證措施。

1 工程概況

擬建基坑位于既有地鐵車站兩側(cè)，共分為4期。基坑設計長度約330m，寬度約230m，深度17m，基坑支護采用連續(xù)墻和灌注樁加內(nèi)支撐體系，基坑平面位置關系圖見圖1所示。

2 有限元計算模型

2.1 模型建立

建立整體三維有限元模型，包括地鐵車站主體結(jié)構(gòu)、隧道上方結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道、本工程基礎結(jié)構(gòu)、各層樓板、基坑支護結(jié)構(gòu)及周圍土體。

模型中以水平方向垂直于地鐵站方向為X軸，以沿地鐵站軸向方向為Y軸，豎向方向為Z軸建立三維模型。為消除邊界效應的影響，模型X軸方向取為428m，Y軸方向取為469m，以保證模型各邊距離基坑最近距離均大于70m；對于豎向邊界，考慮支護結(jié)構(gòu)以及工程樁埋深等因素和模型規(guī)模，取70m深，模型底部約束對基坑以及站體的影響可以忽略。計算模型共計657952個節(jié)點，168665個單元。模型整體網(wǎng)格見圖2所示。

圖2 模型整體網(wǎng)格示意圖

2.2 模型計算參數(shù)

土體本構(gòu)采用修正劍橋模型。為便于建模，將土性、物理力學參數(shù)相近的土層進行合并，參數(shù)取值為各層土的厚度加權(quán)平均值。土體計算參數(shù)見表1所示。

表1 土體計算參數(shù)

3 數(shù)值計算結(jié)果

3.1 工況一（開挖至1期基坑底）

1期基坑開完完成后地鐵車站的變形如圖3所示。可以看出在施工1期基坑過程中，基坑開挖對地鐵車站影響較小，地體車站南端朝向1期基坑方向變形，其中站體外墻最大水平位移0.5mm。

圖3 工況一地鐵車站位移云圖

3.2 工況二（開挖至2期基坑底）

2A及2B期基坑位于站體南端兩側(cè)，基坑開完完成后地鐵車站的變形如圖4所示。可以看出在施工2A及2B 區(qū)基坑過程中，地體車站受鄰近基坑開挖的影響呈現(xiàn)上抬的趨勢，站體南端最大豎向變形4.7mm。

圖4 工況二地鐵車站位移云圖

3.3 工況三（開挖至3期基坑底）

3A及3B期基坑位于站體中部及北端兩側(cè)，基坑開挖完成后地鐵車站的變形如圖5所示。可以看出在施工3A及3B區(qū)基坑過程中，與其相鄰的地鐵車站區(qū)域受基坑開挖影響更明顯。由于3B區(qū)域坑深較深，該側(cè)站體上抬量更大，最大值7.6mm；其對側(cè)站體側(cè)墻最大上抬量為5.3mm，相對較小。

圖5 工況三地鐵車站位移云圖

3.4 工況四（開挖至4期基坑底）

4期基坑距離站體較遠，基坑開挖完成后地鐵車站的變形如圖6所示。在3A及3B期基坑施作地下結(jié)構(gòu)過程中，受基礎底板及結(jié)構(gòu)的自重作用的影響基坑回彈有所減小，從而導致車站的豎向隆起也相應減小。而4期基坑距離較遠，對站體的影響比較小。從工況四的豎向位移云圖可以看出，當4期基坑開挖完成后站體的最大隆起量減小至6.5mm。

圖6 工況四地鐵車站位移云圖

4 結(jié)論與建議

本工程緊鄰地鐵車站，車站變形控制要求較高。基坑開挖引起周圍土體的卸載變形，地鐵車站將會產(chǎn)生相應的豎向和水平向位移。地鐵站主體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上浮趨勢。主要結(jié)論和建議如下：

第一，本項目基坑工程施工會對既有地鐵車站的變形造成一定的影響。但其引起的地鐵主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量均在控制標準要求的范圍以內(nèi)。

第二，分倉開挖可以有效控制地鐵站體的變形，基坑施工過程中要保證站體兩側(cè)對稱開挖，降低由于基坑不對稱開挖對地鐵站體產(chǎn)生的影響。