基坑開挖變形及其對周圍建筑的影響分析

程馨玉，付成華，劉 健，蔣林杰

(1.四川岷江港航電開發有限責任公司，四川 樂山 614001；2.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

隨著中國城市建設的高速發展，許多城市進入大規模的舊城改造階段，涌現了大量的基坑開挖工程[1]。在密集的建筑物和復雜的地下空間利用形勢下，基坑的開挖條件越來越復雜。基坑開挖時，主動區土體的卸荷效應[2]會使地層產生較大的附加應力，導致周圍臨近建筑產生嚴重的變形損壞[3-4]，影響建筑物正常使用和其耐久性[5]。反之，周圍臨近建筑物會導致新開挖基坑的變形更為明顯，可見基坑開挖與周邊環境的影響是相互的[6]。

近幾年基坑開挖與周圍建筑物的相互影響問題得到了廣泛關注，國內外學者對基坑開挖過后基坑和鄰近建筑物的沉降、變形做了許多研究。Mangushev等[7]在實際工程的基礎上，結合數值模擬與實際監測結果，研究了基坑開挖過程中臨近建筑物發生沉降變形的原因，并采用有限單元法計算了加固后的臨近建筑物的沉降。王浩然等[8]以上海某具體工程為對象，通過土體硬化模型的三維有限元數值模擬和工程實測進行對比分析，研究了敏感環境下深基坑開挖時基坑變形及其對周邊環境的影響。張治國等[9]采用三維有限元軟件建立大底盤多塔樓模型，研究了基坑開挖對鄰近大底盤多塔樓變形的影響以及大底樓盤樁基和板筏的變形規律。劉睿[10]用有限元軟件建立北京地鐵十四號線望京站三維模型，分析了兩個明挖基坑圍護結構的變形規律和基坑開挖對鄰近建筑物的差異沉降及側移的影響。李鋼等[11]依托某樁錨支護深基坑工程，建立了深基坑支護體系與鄰近建筑物的三維計算模型，結合實測數據，研究了深基坑開挖而引起的鄰近建筑變形特征和沉降穩定性等問題。

以成都市某深基坑工程為例，研究基坑開挖過程中基坑圍護結構的變形，基坑周圍和內部土體的變形特征，以及基坑開挖對臨近建筑物產生的影響。通過模擬實際開挖過程，結合施工期監測結果，對比分析基坑圍護結構、基坑周圍和內部土體、周圍建筑物的變形。

1 基坑工程概況

擬建建筑物基坑面積約為5 000 m2，基坑周長約為430 m，距基坑1.2 m處為6層框架結構建筑物，總高26 m。擬建場地主要由第四系人工堆積填土，第四系全新統沖積粉土、細砂，沖洪積中砂及卵石以及白堊系上統灌口組泥質砂巖組成，地層分布見圖1，自上而下土層及主要力學參數見表1。

表1 各土層物理力學指標

1.1 基坑開挖與支護方案

基坑開挖深度為8.5 m，安全等級為一級，基坑支護采用錨拉樁+斜撐+角撐的支護結構形式。靠近建筑物一面A—C段的支護結構示意見圖1。基底擬采用錨拉樁支護結構形式，樁徑1.2 m，樁間距2 m，樁長16.5 m，樁身混凝土等級為C30；樁頂設置冠梁一道，寬1.2 m，高0.8 m，冠梁混凝土等級為C35；在冠梁陰角處設置四道角支撐，采用鋼管作為支撐材料，直徑0.6 m，厚度0.2 m；距冠梁頂3 m處設置錨索4束，錨索長度為19 m，錨固段長度為13 m，自由段長度為6 m，采取預應力250 kN；冠梁以下4.5 m設置5條內支撐鋼管，材質與角支撐相同，連接基坑底面；排樁之間的臨空土面，采取30 cm厚的C25噴射混凝土鋪滿。其他區域均采用排樁+冠梁+噴射混凝土的支護方式。

圖1 地層分布及支護結構示意

1.2 監測布置

為更好監測基坑開挖對周圍建筑物產生的影響，按照工程建設監測要求及相關規范[12]進行監測，監測預警值[13-14]見表2。臨近建筑物和基坑的監測點平面布置見圖2。

表2 監測預警值

圖2 監測點平面布置及模型計算范圍示意

2 變形的實測資料分析

2.1 基坑圍護結構水平位移分析

開挖至基坑底部到-8.5 m時，取基坑靠近建筑物一側的A、B、C這3個累計水平位移最大的測點，其支護結構頂部的累計水平位移歷時變化曲線見圖3。支護結構的水平位移累計最大值發生在B點處圍護樁頂部，為8.2 mm，未達到監測預警值；最大變化速率發生在A點處，為0.6 mm/d，未達到監測預警值。在整個基坑施工期間，總體上基坑圍護結構頂部水平位移隨施工發生不均勻變化；在基坑開挖至底部時，水平位移達到最大值；后期隨著基礎施工產生荷載的施加，圍護樁側向位移發生回彈，繼而趨于穩定。樁頂累計水平位移總體開挖滿足的基坑變形設計控制指標[14]。

圖3 圍護樁頂累計水平位移歷時變化曲線

2.2 周圍建筑物沉降分析

周圍建筑物累計沉降歷時曲線見圖4。建筑物靠近基坑一側相較于遠離基坑一側沉降更為明顯。開挖至基坑底部時，建筑物靠近基坑一側的JZ8點處為預留土體最薄弱的點，其累計沉降值最大，為12.81 mm，沉降值最小點為JZ3。對于累計沉降差最大的測點JZ8，角變量為0.57×10-5(設計角變量為0.002[14])，最大沉降速率為1.1 mm/d，建筑物整體朝著基坑方向傾斜。建筑物的沉降累計值、角變量和變形速率均小于監測預警值。

圖4 周圍建筑物累計沉降歷時變化曲線

3 變形的有限元計算分析

3.1 計算范圍及計算條件

3.1.1計算范圍

基坑的開挖卸荷存在一定范圍的影響區域[15]，見表3。本工程計算模型以基坑外輪廓為準，擴大3倍開挖深度，使模型范圍包括可能影響區，最終確定計算模型尺寸(長×寬×高)為：104 m×74 m×30 m。

表3 基坑工程影響分區

3.1.2假定條件

數值模擬計算進行了適當簡化：①模型介質取連續介質；②模型材料取各向同性；③支護結構如排樁、冠梁等采用線彈性模型；④不考慮地下水作用。

3.1.3邊界條件

模型上部地表設置為自由邊界條件，水平方向設置水平位移約束，底部設置固定邊界。

3.2 有限元模型建立

根據計算范圍，建立新開挖基坑和周圍既有建筑物的三維有限元數值計算模型見圖5。在模型中，采用三維實體單元模擬土體；二維板單元模擬噴射混凝土結構；一維梁單元模擬排樁、冠梁、支撐等支護結構。基坑支護結構包括支護樁、冠梁、預應力錨索、腰梁、土釘與噴面等，見圖6。參考張瑞金等[16]的研究結果，基于修正摩爾-庫倫屈服準則來進行數值計算。

圖5 三維有限元計算模型

圖6 基坑支護結構模型

利用PKPM建立周圍既有建筑物模型，計算建筑的底層柱軸力和附加應力，作為有限元模型外部荷載。基坑支護結構具體參數見表4。

表4 支護結構參數

3.3 數值模擬基坑開挖步驟

建立有限元模型，模擬基坑開挖過程中各施工步驟，具體為：①基坑初始地應力平衡，位移清零；②臨近建筑物荷載施加，位移清零；③基坑圍護樁施工，冠梁施工；④基坑土體第一層開挖3 m，角支撐施工，第一層噴混施工、錨桿施工；⑤基坑土體第二層開挖1.5 m，第二層噴混施工、錨桿施工；⑥土體第三層開挖2 m，噴混施工；⑦土體第四層開挖2 m，噴混施工，斜支撐施工。

3.4 計算結果分析

3.4.1基坑圍護樁變形分析

基坑圍護結構在基坑周邊土體自重應力和臨近建筑豎向荷載共同作用下發生側位移，取基坑靠近建筑物側為開挖過程中的研究重點。圍護樁水平位移見圖7、8。由圖7可知：基坑開挖完，冠梁跨中圍護結構位移隨著開挖深度的增加不斷增大，且圍護結構均向基坑內部偏移。基坑前后兩側上的位移變化要大于基坑左右兩側上的變化，一方面是基坑在臨近建筑物一側的荷載作用，另一方面是基坑前后兩側的臨空面較大，剛度較小，容易產生變形。開挖到基底時，建筑物一側向內最大偏移量為13.3 mm。基坑在建筑物對應側的位移小于無建筑物側，經分析考慮其原因為：建筑物側凸起位置處圍護結構跨度較小，剛度較大；同時圍護結構中的兩排短排樁對開挖臨空面起支撐作用，分擔了部分側向力。

取基坑在建筑物側跨中最不利的位置測點B為研究對象得到樁身位移，由圖8可知：各開挖階段的最大水平位移皆發生在樁頂處。圍護樁測點B處在每個開挖施工階段都表現出朝坑內位移的趨勢，這是在建筑物荷載下，圍護結構之間共同受力作用的特征。隨著開挖深度加大，樁體暴露的臨空面增多，樁身整體位移越來越明顯，越靠近上部，位移越大。樁頂位移最大為13.3 mm，滿足規范[17]要求的小于15.3 mm。

a)步驟4

a)步驟4

b)步驟5

b)步驟5

c)步驟6

c)步驟6

d)步驟7

d)步驟7

圖8 測點B處圍護樁側向位移曲線

3.4.2基坑沉降分析

a)基坑周邊土體沉降分析。有限元計算各開挖步驟下基坑底部及周邊土體變形云圖見圖9，基坑靠近建筑物側和無建筑物側的坑外土體豎向位移最大，而且隨著基坑開挖深度增加，越靠近基坑邊緣土體沉降就越大。在基坑的無建筑物一側，取測點H繪制步驟4—7的基坑周邊土體沉降值曲線見圖10。在每個開挖深度下，地表土體沉降均呈“凹槽型”，且隨著開挖深度增加，其沉降也增大，最大沉降值為14.9 mm；在距基坑邊緣12.5 m以內的土體沉降變化較大，距基坑邊緣12.5 m以外的土體沉降逐漸變小并慢慢趨于穩定。

a)步驟4

b)步驟5

c)步驟6

d)步驟7

圖10 不同步驟下基坑距周圍地表土體沉降值曲線

b)基坑底面土體變形分析。取測點B與測點H連線所在的基坑截面為研究對象，繪制步驟4—7基坑底面土體豎向位移見圖11。由圖可知：基坑底面呈現中間土體稍隆起的“凹槽型”，隨著基坑開挖深度增加，坑底應力釋放趨于平穩，基坑底面隆起值逐漸減小。開挖至坑底，隆起值穩定在4.2 mm左右，最大隆起值發生在步驟5中靠近測點B的一側，其值為9.79 mm。基坑底面豎向位移呈“凹槽型”分布的原因考慮為：一是由于開挖破壞了建筑物修建后形成的地應力環境和土體自身的應力穩定狀態，移去覆土荷載后，土體應力釋放造成土體回彈，基坑底部土體隆起；二是主動土壓力及周圍建筑荷載引起的應力作用，使基坑周邊土體發生向坑內的塑性變形；三是基坑邊緣因幾何構造呈90°尖角形，易產生應力集中，導致基坑角落處變形較大。

圖11 步驟4—7基坑底部土體豎向位移

3.4.3基坑開挖對周圍建筑的影響分析

基坑各層開挖改變了原有的土體應力場，最直接的表現就是建筑物的沉降。根據數值模擬云圖取JZ1至JZ10的沉降值見圖12。建筑物靠近基坑一側的沉降比遠離基坑一側的沉降大，且開挖深度越大，沉降越大。直到步驟7土體開挖完，建筑物最大沉降發生在JZ8點處，沉降量為10.52 mm，角變量為0.75×10-3。遠離基坑一側與靠近基坑一側產生差異沉降的原因是，在基坑開挖之前，土體在建筑物荷載下已進行自我平衡，基坑土體被移走之后，應力條件發生改變。開挖導致地表及建筑物產生不同程度的沉降，建筑物距基坑近的一側受影響較大，較遠一側受影響較小。

圖12 周圍建筑物基礎沉降模擬值

4 綜合分析

在實測變形分析和有限元計算分析的基礎上，根據最大建筑地基荷載和圍護結構變形位置確定變形最不利位置為測點B處，對測點B處圍護樁變形進行綜合分析。

因基坑開挖至基底時樁頂的水平位移量最大，故取此時測點B處樁體水平位移的有限元計算值同實測值和規范法計算值進行對比，見圖13。監測值、規范法計算值及有限元計算值的最大水平位移皆出現在樁頂處，依次為8.2、10.2、13.3 mm，隨樁身深度增大，水平位移逐漸減小。圍護樁整體水平位移的實測值最小，規范法計算值介于實測值與有限元計算值之間。實測位移值略小于模擬值，考慮為工程所處位置的土體已經固結，數值模擬條件簡化，單純的模擬荷載沒能考慮到荷載產生的土體固結情況。

圖13 B點處樁體側向位移

在基坑開挖完成后，圍護樁變形表現為整體向坑內傾倒的趨勢，樁頂水平位移最大，變形形狀為“開口型”。這是在土壓力和預應力錨索以及開挖至基底時架設鋼支撐等的共同作用下產生的變形特征，符合同類型工程中基坑支護結構變形特征[18-19]。

水平位移的監測值、規范法計算值及有限元計算值有一定差別，但總體變形規律基本一致，說明數值模擬計算較為合理。基坑開挖是個復雜的過程，針對實際工程，可以在實測數據的基礎上，采用數值模擬計算分析基坑變形特性及其開挖對周圍建筑物的影響，綜合分析和指導基坑變形預測和安全評估。

5 結語

依托某深基坑開挖工程實例，基于實測數據和開挖過程的有限元數值模擬計算，綜合分析了基坑圍護樁變形、基坑沉降和基坑開挖對周圍建筑物的影響。

a)基坑開挖到基底時，建筑物的傾斜程度和基坑圍護結構的水平位移隨開挖深度的加大逐漸增大。圍護樁頂部的最大水平位移為13.3 mm，基坑內土體最大沉降為14.9 mm，周圍既有建筑物最大沉降為10.52 mm，均在規范要求的值以內，基坑支護效果明顯，保證了基坑和周圍建筑物主體結構的安全。

b)基坑的最不利位置位于測點B處，因其處于基坑凸起部分的跨中，且處于基坑緊鄰建筑物一側，支撐建筑物抗傾斜的中間土體較少。隨著基坑開挖深度加深，基坑支護結構的變形和周圍建筑物的變形量都在逐漸增大。但隨著支護結構的施加，削弱了土體應力，基坑和周圍建筑物的變形得到有效的控制。

c)由于數值模擬計算進行了適當概化，所以圍護樁側向位移的有限元計算值與監測值、規范法計算值存在一定的差異，但相差不大，總體變化趨勢一致，且都在規范允許范圍內，數值模擬分析結果可為類似基坑工程的設計和施工提供一定的參考。