深基坑鄰近砌體房屋安全風險評估與管控研究

周建威 （宿松縣重點工程管理處，安徽 安慶 246500）

0 引言

由于深基坑工程一般都在市區內，周圍的地質環境比較復雜，相鄰建筑物密集，施工條件有限，在施工中必須保證其結構和相鄰的建筑物的安全。近幾年，隨著我國深基坑建設的不斷增多[1]，在設計和施工中，既要考慮基坑本身的變形，又要考慮相鄰建筑物的沉降。基坑開挖對現有建筑物的影響主要是周邊地基發生沉降，從而使相鄰建筑物地基發生不同程度的沉降[2]，進而導致建筑物發生破壞。根據已有的研究成果，認為在深基坑施工中存在著許多危險因素，而且許多危險指數都不能量化，從而使其與實際情況存在一定的偏差。因此，利用數值仿真軟件對基坑開挖進行仿真，全面、系統地分析深基坑開挖對鄰近砌體房屋的影響因素。

1 工程概況及基坑模型建立

利用MIDAS GTS/NX 有限元軟件，在相鄰的砌體結構的基礎上，構建深基坑的三維模型[2]。該基坑為典型的多邊型，其短邊寬38 m、長邊寬82 m，最大高度差為10 m 左右，從上至下依次為16.8 m 厚的充填土、5 m 厚的砂質泥巖和砂巖。由于基坑的水平高度差異比較大，因此在較小的基礎上進行簡單的設計。基坑西側的建筑物與基坑的垂直距離為20 m，基坑橫斷面如圖1所示。

圖1 基坑橫斷面

圖2 基坑計算模型圖

圖3 基坑支護結構監測點位平面圖

在進行數值模擬時，首先要考慮模型的邊界尺寸，因為基坑比周邊土壤和建筑的邊界尺寸大3～5 倍，所以該模型所使用的體積為300 m×200 m×80 m，共計170621 個單位。從有限元分析上來看，在模型網格的分割上，網格分布的密度愈大，其計算的精度就愈高，但是過于密集的網格分割會極大地增加計算的耗時，因此正確地分割網格是改善模型運算速度的關鍵。故采用基坑內部為密度大的網格，外側網格密度小，離基坑邊緣越遠，網格密度越大。

2 數值模擬結果分析

采用MIDAS GTS/NX 有限元軟件對基坑進行數值模擬，得出基坑水平位移、周圍地表沉降、鄰近結構物沉降等數據，并對3 種不同的基坑支護結構進行了橫向位移、周圍地表沉降、鄰近結構物的沉降等變化情況研究。其中X 方向是深基坑的東西方向，Y 為南北方向，觀測點位位于基坑上方，從北邊起依次為ZD1～ZD26；按順時針方向，每隔10 m處布置一處觀測站，共計26處。

2.1 支護結構水平位移結果分析

基坑開挖時，支護結構的橫向位移與支護形式、地質條件、基坑開挖深度等因素有關，三者之間存在著密切的關系，因此，對支護結構的變形特征進行合理的分析是控制工程變形的關鍵。圖4 為基坑支護結構在不同施工狀態下X、Y方向的水平位移云圖。

圖4 不同工況下基坑支護結構水平位移云圖

從總體上看，支護結構的橫向位移是以法線位移為主，其最大位移隨基坑開挖深度的增加而增大；基坑開挖結束后，在X 方向上最大水平位移為10.5 mm、Y方向最大水平位移7.9 mm，最大變形點位于基坑西側ZD25 及基坑北側ZD4 處。在開挖過程中，基坑內部變形量很小，從基坑中心向兩側的水平位移值呈遞減趨勢。從圖4 可知，由于東邊和西邊高差10 m，而東邊的整體開挖深度要小于10 m，所以整個東邊墻的變形也比較小。通過數值模擬可以發現，在3 種不同的開挖條件下，支護結構的水平位移都比控制值（30 mm）要小，而且變形也比較均勻。

在X 方向橫向移動時，工況1（地下連續墻）的最大水平位移比工況2（排樁支護）和工況3（水泥樁墻）稍小。在施工初期，工況3 支護結構的橫向位移增加較大，而工況1、2 條件下的橫向移動速度較平緩。

在Y 方向橫向移動時，支撐結構最大水平位移比工況2和工況3稍高，但均處于安全控制范圍之內。在三種工況下，各施工階段在Y 方向上的最大水平位移值基本一致。

以ZD25 為例，并以ZD4 作為對照樣本，分別繪制工況1 支護結構在施工過程中的橫向變形情況。

從圖5 可以看出，因為支護結構未設置內部支撐，所以從開挖到施工結束，其最大變形點都在支護上；其變形形態均為懸臂型位移。由于墻體的下部存在承載力較低的土壤，因此下側的水平位移比較小。隨著基坑開挖深度的增大，基坑外側土體壓力逐漸增大，導致了內外土壓的不均衡[4]，使支護結構受到的外力不斷加大，同時支護結構的變形量也在逐步增加。在基坑開挖深度增大時，受錨索的影響，其平均水平位移遞減。在開挖中后期，支護結構的最大變形速度減緩，這是因為支護結構和錨索的合理配置對支護結構的變形起到了很好的抑制作用。

圖5 基坑西側水平位移變化圖

2.2 基坑周邊地表沉降結果分析

基坑周圍的地面沉陷是一個重要的問題，它不僅會對周圍的建筑物產生破壞，而且還會對基坑產生一定的破壞。圖6 是基坑開挖后，在不同工作條件下的整體垂直位移云圖。

圖6 基坑周圍地表沉降云圖

從圖6 可知，在基坑開挖完畢后，3種工作條件下的地面最大沉降量都低于30 mm。在基坑周圍，土壤發生了不同的垂直變形，并出現地基上凸現象。最大的沉降發生在深基坑西側ZD25 處，最大沉降為8.35 mm。這是因為基坑西面的斜面高達17.0～18.9 m，而在這一側的基坑底僅使用了兩列錨索作為支撐，導致了基坑的下沉力比其他測量點都要大。根據工程實際情況可以看到，在基坑南側，地面下沉云圖基本上是均勻分布的，而在基坑東西兩邊，因為高度差異在10 m 以上，基坑西部沉降較大。三種工作條件對基坑周圍地面沉陷的作用是相同的。以基坑西側ZD25 為例，繪出了基坑周圍地面沉降量與坑壁間距的關系曲線，如圖7所示。

圖7 基坑西側地表沉降規律圖

如圖7 所示，在基坑開挖一次后，周圍的土壤就會出現下陷，而這個時候的開挖深度還很淺。由于土體的卸荷效應很弱，所以周圍地面的沉降量很少，最大的下沉量只有0.93 mm。開挖深度越大，周圍地面沉降越大，影響越廣，基坑開挖后最大沉降達到8.35 mm。在基坑開挖過程中，基坑周邊地面沉降在不同的深度下基本是一致的，屬于“凹型”。沿基坑的方向，沉降量先增加后減少，而鄰近的基坑則因該基坑的開挖而產生變形[4]；同時，由于地下連續墻與基坑之間的摩擦作用，使其在某些方面受到了限制，在某一時刻出現了先增大后減小的變化。基坑最大沉降發生在基坑西端4 m 處，在此兩側的沉降值逐漸減小，而在30 m 以外的位置則相對較小，地表基坑開挖對周圍土壤的影響范圍較小。在開挖深度為1.5 倍時，其沉降量很小，且變化很慢。

2.3 地下連續墻厚度對鄰近結構物的影響

基坑支護結構的剛度受材料、尺寸、厚度等諸多因素的影響，本文旨在探討基坑工程中支撐結構剛度對基坑變形和相鄰結構的影響。以基坑西側為研究對象，在基坑西側，原設計厚度為1.5 m的基礎上，對厚度為1.0 m的地下連續墻進行數值模擬分析。圖8為不同厚度的基坑圍護變形和相鄰建筑物地基變形云圖。

圖8 基坑支護結構水平位移與鄰近結構基礎沉降云圖

為更直觀地了解基坑基坑的變形和相鄰基坑的變形情況，利用云圖資料，繪出基坑西側觀測點ZD25 的水平位移和最大沉降曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 水平位移變化圖

圖10 沉降最大值變化圖

由圖9和圖10可知，在不同厚度的情況下，支護結構的水平位移形式為懸臂型，最大頂位位移最大，當地下連續墻為1.0、1.2、1.5、1.8 m時，相應的最大水平位移為11.10、9.59、8.03、7.49 mm，均發生在基坑西側ZD25。當基坑連續墻厚度增大時，其橫向位移也隨之降低，當基坑開挖深度為1.2～1.5 m時，其橫向位移降低1.56 mm；而在基坑開挖深度為1.8 m時，基坑支護結構的橫向位移只有0.54 mm。結果表明，增大地下連續墻的厚度能夠有效地降低支護結構的橫向位移，從而對基坑的變形進行控制。因此必須結合實際情況，選用適當厚度的地下連續墻。當相鄰建筑物地基在1.0、1.2、1.5、1.8 m時，相鄰建筑物地基的沉降量分別為2.09、2.05、1.99、1.81 mm，有減小的傾向，但最大的變形不大于0.5 mm，說明相鄰建筑物地基受地基的沉降影響較低，因此可以采用增大連續墻的厚度來抑制相鄰建筑物地基的沉降。

2.4 基坑開挖對鄰近結構物變形控制措施

在控制地基變形的同時，還可以通過阻斷基坑開挖時產生的土體變形，降低其變形。主要是在基坑與需要防護的建筑物之間設置隔斷墻，例如地下連續墻、鉆孔灌注樁、鋼板樁等組成墻。隔斷墻是利用墻來承受基坑開挖時產生的土壓力和地層應力，阻止其在周圍環境中的擴散，因此可以有效地降低基坑開挖對相鄰建筑物的影響。隔斷墻的作用受多種因素的影響，通常情況下，離建筑物較近的地方效果會更好，而墻體本身的剛性和埋入深度也會對其產生一定的影響。但是，由于隔墻造價昂貴，僅設隔斷墻會造成工程工期的延長，而對相鄰基坑進行隔墻防護的研究很少，缺少相應的理論基礎。因此，它在實踐中的應用比較少。

3 結論

通過數值仿真和實測資料的比較，發現在基坑開挖時，支護結構的變形、周圍地面的沉陷和相鄰結構地基的變形規律是一致的。提高地下連續墻的厚度可以降低支護結構的橫向變形，但對相鄰建筑物的沉降影響較小。地基承載力越大，其橫向變形越大。