基坑開挖對周邊建筑影響的模擬分析

劉 馳 （安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031）

1 工程背景

1.1 車站工程概況

東風大道站為軌道交通6 號線一期工程的終點站，中心里程處位于建材大道與和平路交叉口，車站跨建材大道、東風大道沿和平路東西向布置，為地下二層11m 島式車站，車站采用單柱雙跨現澆鋼筋混凝土箱型結構，整個車站范圍內采用明挖法施工（局部頂板逆作、半蓋挖順作）。東風大道站擬建場地28．4m深度范圍內覆蓋層由第四系全新統填土層（Q4ml）、第四系全新統土層（Q4al+pl）、第四系上更新統砂土層（Q3al）組成，下伏基巖為古近系地層（E）泥巖。

1.2 建筑物與車站工程相對位置關系

華東（國際）建材中心B 區105#樓系地上兩層框架結構，基礎采用柱下獨立基礎，基礎埋深約為2．8m，建筑物緊鄰東風大道站車站工程，距離附屬結構（3 號出入口）圍護樁4．85m，處于車站基坑工程影響范圍之內，如圖1所示。

圖1 平面位置關系簡圖

2 模型建立及地層力學性質參數

2.1 模型假設

華東（國際）建材中心B 區105#樓已投入使用多年，故認為其地基的固結沉降及基礎的工后沉降早已完成。

為了降低數值計算工作量，認為建模范圍內各土層呈均質水平層狀分布，且同一土層為各向同性。

基坑所在的土層屬于弱透水層，且施工過程采取多種措施有效阻止地下水向基坑內的滲透、流動，故有限元計算中忽略地下水的滲透、流動影響。

通常基坑施工的最危險工況發生在基坑底板澆筑之前。基坑底板澆筑之后，后續順作法施工箱型混凝土車站結構，車站結構的施工逐漸提高了基坑的穩定性，危險性大大降低。故本次計算僅模擬基坑開挖至底板澆筑為止。

建筑上部結構的荷載按18kPa/層，等效分配到各基礎上。

2.2 土體計算參數

采用小應變土體硬化（HS-Small）本構模型對各土層進行模擬[2]，土體計算參數見表1，上述參數根據勘察報告與工程經驗確定。

表1 土體計算參數

鉆孔灌注樁等效為地下連續墻，采用板（plate）單元進行模擬，采用彈性本構模型；混凝土支撐采用梁（beam）單元進行模擬，其截面尺寸及慣性矩按實際計算，采用彈性本構模型；鋼支撐采用點對點錨桿單元（便于施加預應力）進行模擬，各類結構的計算參數見表2所示。

2.3 模型建立

現用三維數值模擬分析合肥地鐵6號線東風大道站對華東（國際）建材中心B 區105#樓的影響。本次數值模擬計算采用PLAXIS 3D 軟件進行計算。東風大道站基坑與華東（國際）建材中心B區105#樓之間的結構模型三維視圖如圖2 所示。模型長寬高為220m×150m×60m，使基坑與建筑的外圍到模型邊緣的距離不小于25m。采用15 節點三角形單元進行劃分，網格剖分三維視圖如圖3所示。

圖2 東風大道站基坑建模

圖3 東風大道站基坑建模三維視圖

表2 基坑結構計算參數

2.4 施工步驟

東風大道站基坑標準段共設3 道內支撐，3號出入口共設2道鋼支撐。施工過程中應逐層開挖、依次逐層激活各層支撐，數值模擬的計算步驟如表3所示。

表3 數值模擬計算步驟

3 計算結果分析

3.1 土體變形

數值計算提取每一層基坑施工完成后的結構與土體變形結果，重點對基坑施工引起的周邊地表建筑物不均勻沉降進行分析，具體為提取建筑若干個角點沉降隨開挖步的變化，得出相鄰柱基差異沉降率[3]。圖4給出了主基坑、3號出入口基坑開挖至底時土體的豎向沉降云圖，圖5給出了3號出入口基坑開挖至底時土體豎向斷面沉降云圖。可見，在基坑開挖過程中，坑底產生了一定的隆起，坑壁兩側一定范圍內的土體產生了豎向沉降。

圖4 3號出入口基坑開挖至底時土體豎向沉降云圖

3.2 建筑物變形

為了便于分析，在建筑各關鍵位置設置監測點，位置如圖6 所示。

圖6 B區105#樓的觀測點示意圖

計算得到了不同開挖步驟的監測點沉降值，數據如表4 所示。監測點的沉降曲線如圖7 所示。可見，東風大道基坑開挖至底時既有建筑的最大豎向沉降為-7．65mm，最大側向位移為2．89mm；后續3 號出入口基坑開挖至底時建筑的最大豎向沉降為-11．47mm，最大側向位移為4．16mm。

圖7 監測點的沉降曲線

華東（國際）建材中心B 區105#樓為2 層框架結構，采用獨立基礎，其差異沉降特征及整體傾斜如表5 所示。可見，相鄰柱基最大差異沉降為3．13mm（0．000391L）（L 為相鄰柱基的中心距），小于《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）[4]規定的工業與民用建筑相鄰柱基的沉降差限值0．002L，滿足要求；整體傾斜最大值為0．000255，小于規范限值0．004，滿足要求。

表4 建筑物監測點沉降值（單位：mm）

表5 建筑物柱基沉降差及整體傾斜匯總表

3.3 數據分析

分析上述數據可知，軌道交通6 號線車站基坑施工對建筑物的影響歸納如下所示。

①基坑施工誘發建筑物產生的最大豎向沉降為-7．65mm，最大側向位移為2．89mm；后續3號出入口基坑開挖至底時建筑物最大豎向沉降為-11．47mm，最大側向位移為4．16mm，均位于J1 點處。主體基坑開挖過程中，建筑物長向邊緣與基坑邊緣基本處于水平，因此J1～J5/J6～J10 監測點變化速率基本一致；3 號出入口開挖過程中，J1 監測點距離3 號出入口位置水平凈距最小，因此J1 監測點變化速率、變化量均為最大，基本符合實際工程施工中的變化規律。

②基坑施工誘發建筑物產生的相鄰柱基最大差異沉降為 2．41mm（0．000301L）；后續3號出入口基坑開挖至底時建筑物相鄰柱基最大差異沉降值為3．13mm（0．000391L）。主體基坑開挖過程中，建筑物長向邊緣與基坑長向邊緣基本處于水平，各監測點距離基坑邊緣水平凈距基本一致，因此主基坑開挖至底時長邊方向兩端最大差異沉降量僅為0．01mm，此時相鄰柱基最大差異沉降量為短邊監測點J1、J6 間差異沉降；3 號出入口開挖過程中，建筑物長向邊緣與3 號出入口長向邊緣垂直，因此長邊方向相鄰柱基差異沉降變化較大。

③基坑施工誘發建筑物產生的整體傾斜最大值為0．234‰；后續3 號出入口基坑開挖至底時建筑物整體傾斜最大值為0．255‰。建筑物整體傾斜反映了基坑開挖對上部結構的影響程度，但整體傾斜變化量均未超出規范允許范圍。

4 結論

本文結合合肥市軌道交通6 號線一期東風大道站及華東（國際）建材中心B區105#樓相關工況，通過PLAXIS 3D 軟件建立三維模型并進行數值模擬，分析基坑施工對建筑物影響，主要研究結論如下。

①該建筑物模擬施工引起建筑物基礎最大整體傾斜為0．255‰，模擬施工引起最大相鄰柱基沉降差為0．000391L，兩指標均未超出《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）[4]關于同類建筑基礎變形的限值（4‰及0．002L）。

②建筑物的不均勻沉降量與基坑開挖存在直接關聯，距離基坑范圍較遠時沉降量較小，距離基坑范圍較近時沉降量較大；基坑開挖過程中，建筑物傾斜方向基本上為朝著基坑方向傾斜。

③在基坑開挖過程中，運用土的時空效應原理，即充分利用基坑坑內土方開挖后，土體變形在時間和空間上的滯后特性，及時架設支撐與預加軸力以平衡圍護內外土壓力差，控制圍護變形和周邊地面變形[5]。

④施工過程中應加強對周邊建筑、重要管線及基坑的監測，通過監測結果信息化指導施工；對樁體變形和支撐軸力應重點監測，防止支撐松弛、失穩。