莞惠城际轨道交通工程深基坑施工对邻近建筑物的影响及控制分析

王凯椿

（中交第一公路工程局有限公司土木技术研究院，北京 101102）

莞惠城际轨道交通工程深基坑施工对邻近建筑物的影响及控制分析

王凯椿

（中交第一公路工程局有限公司土木技术研究院，北京 101102）

在城际轨道建设中，将深基坑周边邻近建筑物影响降到最低，是设计及施工必须研究的课题。为了解决深基坑开挖过程中邻近建筑物的安全问题，结合莞惠城际轨道GZH－5标工程实例，采用有限元模拟分析方法及该工程大量监测数据，通过建筑物加固前后变形情况对比，深入地研究超深基坑开挖对其邻近建筑物的影响及控制。主要得出以下结论：1）与基坑的距离关系，是影响开挖期间建筑物变形规律的主要因素；2）模型能有效预测莞惠城际GZH－5标施工过程中10层居民楼变形终值超过控制值，可为制定加固措施提供参考；3）该施工加固方案能有效控制10层建筑物的变形与沉降，合理可行。

莞惠城际轨道；深基坑；邻近建筑物；施工加固；监控量测；有限元软件MIDAS-GTS

0 引言

深基坑工程的设计要求不仅要安全可靠，还要经济合理［1］。当前，因施工技术的限制，软弱围岩明挖基坑工程对周边环境均有不同程度的影响，特别是邻近建（构）筑物的变形开裂现象时常发生，严重时甚至形成危房或倒塌。因此，深基坑开挖引起地层移动导致临近建筑物受损及控制，是一个很复杂且很重要的问题。许多学者对此进行过理论研究和现场观测实验。Boscrdin M.D等［2］扩展了Burland的概念，对建筑物因基坑开挖引起的沉降进行了研究；高学伸等［3］根据工程实例，分析了深基坑开挖、降水及回灌对基坑周边土体变形及邻近建筑物沉降的影响；管志勇等［4］将分形理论应用于建筑物地基沉降曲线分析，计算两建筑物地基各测点累计沉降曲线的盒维数，分析了测点维数变化情况与最终沉降量变化情况之间的相互关系；陈福全等［5］采用弹塑性有限元分析方法，分析了悬臂式排桩支护的基坑开挖对邻近地基条形基础下极限承载力的影响性状；宋兴海［6］以深圳市建科大楼基础工程为研究对象应用有限差分软件FLAC 3D对实际工况和不同支护参数进行了数值模拟，分析了支护结构的存在对高层建筑基础沉降的影响；陈滋雄［7］利用土力学和岩石力学知识研究基坑开挖岩土体变形规律，利用FLAC 3D数值模拟软件，对基坑开挖进行模拟，判定在特定条件下邻近建筑物的安全性。以上这些研究大多都是研究基坑开挖时建筑物基础沉降及土体的变形规律，而对于建筑物加固前后变形对比分析及倾斜值讨论却较少叙述。本文在参阅大量相关文献，总结以往研究成果的基础上，采用MIDAS-GTS有限元分析软件对莞惠城际轨道工程GZH－5标工程10层居民楼及附近基坑进行三维数值模拟，通过实际工程的模拟分析及实测分析，对深基坑开挖过程中10层居民楼基础沉降及建筑物倾斜进行研究，总结该邻近建筑物的变形规律，对施工加固方案进行合理验证。

1 工程概况

广东省珠江三角洲东莞至惠州（以下简称莞惠）城际轨道交通工程GZH－5标段，位于东莞市寮步镇境内，线路里程桩号为GDK25＋080～GDK33＋022.30，其中明挖段为GDK25＋380～GDK29＋530。莞惠城际轨道工程GZH－5标明挖基坑平面图如图1所示。10层居民楼位于寮步镇药勒村，里程桩号为GDK27＋211～＋227，与基坑围护结构距离约为5 m，且为GZH－5标最高层建筑物，2007年建造，框架结构，基础类型为桩基，桩基类型为钻孔灌注桩，桩长12 m，桩径1.0 m，共30根。10层居民楼附近地质情况复杂，基坑施工采用三台阶开挖，支护结构采用多支点排桩支护体系加基坑内降水方案，基坑宽约17 m，深约18 m。围护结构采用φ1 200 mm＠1 350 mm钻孔灌注桩＋旋喷桩＋内支撑系统的支撑体系，基坑竖向设置4道内支撑。基坑安全等级为一级。第1道内支撑采用0.8 m×1.0 m的混凝土支撑，水平间距约6 m；其余采用φ600 mm、厚度t＝16 mm的钢管支撑，水平间距约3 m。

图1 莞惠城际轨道工程GZH－5标明挖基坑平面图Fig.1 Plan of foundation pit of GZH-5 bid section of Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project

2 施工加固与监测方案

2.1 建筑物加固方案

基坑施工过程可能在2个方面对10层居民楼造成影响：1）基坑围护结构施作过程中，由于土体扰动等原因造成邻近建筑物的不均匀沉降；2）基坑开挖过程中，由于降水和围护结构侧向变形造成邻近建筑物的不均匀沉降。这2种不均匀沉降都有可能造成邻近建筑物的开裂或倾斜而影响使用。对10层居民楼提出如下加固方案：采用斜向袖阀注浆管注入水泥－水玻璃双液浆对建筑物基础及周围土方进行加固，累计注浆量约为430 m3。建筑物注浆加固处理措施示意如图2所示。

2.2 施工流程

见表1。

2.3 施工监测方案

结合实际情况，根据规范及设计文件要求，建筑物变形监测需进行基础沉降、倾斜、裂缝3种观测。邻近建筑物监控量测项目如表2所示，建筑物监测断面布置如图3所示。

图2 建筑物注浆加固处理措施示意图Fig.2 Grouting reinforcement of adjacent building

表1 基坑施工工况Table 1 Construction procedure

3 监测结果分析

本工程根据10层居民楼的规模、结构特点及工程地质条件，对该建筑物布设4个沉降观测监测点和6个建筑物倾斜观测点。由于该居民楼为2007年建成，可忽略自稳沉降因素。工程期间，10层居民楼无施工引起裂缝，故未进行建筑物裂缝观测工作。

表2 邻近建筑物监控量测项目表Table 2 Monitoring items of adjacent building

图3 建筑物差异沉降及倾斜测点布置图Fig.3 Differential settlement of adjacent building and layout of monitoring points

3.1 地表沉降曲线预测

根据经验方法预测地表沉降变形规律，不考虑周围建筑物存在的影响，间接评估基坑开挖可能对周围环境的影响，预测基坑开挖引起的地表沉降曲线，此方法在工程研究中经常采用。结合工程实践经验，HSIEH等［8］给出了三角形和凹槽型2种沉降型态的预测方法（如图4所示）。该预测方法认为凹槽型沉降预测曲线最大沉降发生在距离墙后0.5H的位置处，而紧靠墙体处的沉降为最大沉降的0.5倍。后来，Kung等［9］对图4（b）所示的凹槽型沉降曲线作了局部修正，认为紧靠墙体处的沉降为最大沉降的0.2倍。

根据经验及现场实测数据分析，本文地表沉降规律与凹槽型沉降曲线预测规律相似，墙外地表沉降最大位置约在9 m（即0.5×18）附近，处于10层居民楼下方。考虑建筑物距基坑围护结构的距离，预测建筑物的变形行为如图5所示。

3.2 建筑物基础沉降分析

图6为基坑北侧10层居民楼沉降测点在整个基坑施工过程中的历时沉降曲线。为确保10层居民楼的安全稳定，在开挖之前于建筑物四周采用斜向袖阀注浆管注入水泥－水玻璃双液浆进行加固，不仅加强了建筑物基础及周围土方的强度，同时还形成一排帷幕起到防水的作用。从2011年12月初开始进行10层居民楼附近的基坑开挖工作，各道支撑架设及时，基坑开挖工序合理，充分利用时空效应，到2012年10月2日基坑回填完毕。由图6可知，10层居民楼在注浆加固过程中，对原地基和原基础的扰动，致使邻近建筑物产生的不均匀沉降增大。从基坑土方开挖开始，建筑物各监测点沉降累计值继续发展，随开挖深度的增加，沉降值趋于稳定，到2012年4月上旬，各监测点均有不同程度的上抬现象，直至施工回填结束。基坑施工全过程建筑物均处于不均匀沉降状态，开挖期间各测点累计沉降值最大约为16 mm，小于设计警戒值25 mm。

图4 三角形和凹槽型沉降预测方法Fig.4 Triangle-shaped settlement prediction method and indentation-shaped settlement prediction method

图5 土与结构相互作用下建筑物的变形行为Fig.5 Deformation of adjacent building under interaction between soil mass and structure

图6 10层居民楼基础沉降历时曲线图Fig.6 Settlement of foundation of 10-storey residential building Vs time

3.3 建筑物倾斜监测分析

图7为基坑北侧10层居民楼倾斜监测点在整个基坑施工过程中的水平位移历时曲线。因建筑物倾斜与差异沉降有较大相关性，故水平位移历时曲线变化规律与基础沉降历时曲线相似。在基坑开挖前期，建筑物顶部的水平位移值均大于底部水平位移值，随开挖深度逐渐增大，各监测点水平位移值逐渐减小，建筑物最终呈现反倾斜状态，这与数值模拟趋势相似，再次证明研究模型与工程实际吻合较好，可作为分析参考的依据。通过对监测数据计算可知，于2012年2月28日测得倾斜最大值为0.000 12，小于设计警戒值0.001 5。

4 数值模拟分析

4.1 工程地质条件参数选取

根据工程地质勘察报告，对10层楼土体加固前后进行数值模拟。在数值计算过程中，各土层物理力学参数取值见表3。

图7 10层居民楼水平位移历时曲线图Fig.7 Horizontal displacement of foundation of 10-storey residential building Vs time

表3 各层岩土的物理力学指标Table 3 Physical and mechanical parameters of soils

4.2 单元和本构

在基坑开挖模拟中，选择合适的模型至关重要。本文利用岩土工程有限元分析软件MIDAS-GTS对10层居民楼附近的深基坑工程加固前后开挖过程进行模拟，采用理想弹塑性模型Mohr-Coulomb模拟地基土体的特性。围护结构采用厚度为1 m的板单元模拟，建筑物桩基础、混凝土支撑及钢支撑采用梁单元模拟，板单元和梁单元均考虑为线弹性。10层居民楼采用板单元进行模拟，土体采用实体单元（8节点6面体单元），与模拟围护结构的板单元采用共节点方式接触。模型建立需满足如下基本假定：1）基坑开挖与支护通常属于临时性设施，故按不排水条件分析；2）各层土体视为均匀各向同性的弹塑性体；3）土体的初始应力按静止土压力计算；4）不考虑施工过程对土体力学性能的影响［10］。

4.3 几何模型及工况

本工程明挖基坑采用三台阶开挖方式，台阶高约6 m，模型基于明挖基坑实际施工情况分析及规范要求，考虑建筑物距基坑距离及建筑物自身规格，初始地基范围拟定154 m×30 m×40 m；基坑模型宽17 m，深18 m，分为4个施工阶段进行模拟分析，即初始地基准备开挖、第1步开挖至6 m深、第2步开挖至12 m深和第3步开挖至基底18 m深，模型在距顶0 m深处建立间距6 m的混凝土支撑，距顶4，8，14 m深处分别建立间距3 m的钢支撑。加固后模型以建筑物为中心的26 m×24 m范围内，深度14 m土层属性改变为注浆加固地层，其余参数同加固前。建立的有限元模型如图8所示。

图8 有限元计算模型Fig.8 Finite element calculation model

4.4 数值分析结果

为了更好地模拟基坑开挖对邻近建筑物的沉降影响，本计算模型分别就建筑物加固前后基坑开挖6 m及基底18 m深2个施工阶段进行模拟比较分析。不同开挖深度邻近建筑物基础沉降及水平位移模拟计算云图见图9—12。

图9 加固前不同开挖深度邻近建筑物沉降云图Fig.9 Contour of settlement of adjacent building under different foundation pit excavation depths before grouting reinforcement

图10 加固后不同开挖深度邻近建筑物沉降云图Fig.10 Contour of settlement of adjacent building under different foundation pit excavation depths after grouting reinforcement

计算结果表明：

1）本有限元计算模型，对建筑物加固前后附近基坑开挖进行模拟来分析加固前后建筑物的变形情况，从而判定施工加固的合理性。根据加固前后数值模拟结果，判定该工程施工前期的邻近建筑物加固方案合理可行。

2）由图9可知，开挖至6 m深处靠近基坑侧沉降值最大，为－28.750 2 mm；开挖至基底18 m时远离基坑侧沉降值最大，为－25.2558 mm。开挖至18 m深相对开挖6 m深邻近建筑物各基础沉降测点均有不同程度的上抬现象，且靠近基坑侧上抬值大于远离基坑侧。基坑开挖至6 m与开挖至18 m 2个施工阶段，邻近建筑物基础沉降均已超过设计警戒值25 mm，对邻近建筑物产生了较大的安全隐患，甚至有可能造成邻近建筑物的开裂，进而造成大量的经济损失。由图10可知，建筑物随基坑开挖基础沉降变化规律与加固前相似，各测点在不同深度监测值均小于设计警戒值。

3）由图10可知，开挖前期建筑物向基坑侧倾斜，且逐渐增大，随基坑开挖深度增加，倾斜值逐渐减小；开挖到基底时，邻近建筑物出现反向倾斜现象，全过程倾斜监测值未超过设计警戒值。由图11可知，加固后建筑物倾斜规律与加固前相似，各测点倾斜值均有减小趋势。

4）数值模拟分析结果显示，三维有限元计算得到的建筑物变形结果与后期根据文献［8］建议的地表变形规律预测的建筑物变形行为相似。

图11 加固前不同开挖深度邻近建筑物水平位移云图Fig.11 Contour of horizontal displacement of adjacent building under different foundation pit excavation depths before grouting reinforcement

图12 开挖至基底时邻近建筑物水平位移云图Fig.12 Contour of horizontal displacement of adjacent building when the foundation pit excavation reaches the floor

4.5 理论与实测对比分析

选择合适的本构及合理的假设模型，数值模拟不仅可以较好地反映邻近建筑物的变形情况，还可以预判建筑物基础沉降及倾斜的基本趋势［11－12］。表4对比分析结果表明，该数值模型具有较好的拟合效果。

5 结论与建议

结合莞惠城际轨道深基坑工程实例，通过对基坑周边10层居民楼的监测结果和数值模拟分析，主要结论与建议如下。

表4 数值模拟和实测结果比较Table 4 Comparison and contrast between numerical simulation result and monitoring result

1）明确了基坑开挖各施工阶段对建筑物变形的影响程度，改变了传统认为的基坑邻近建筑物开挖期间始终向基坑方向倾斜的认识，验证了建筑物变形情况与其邻近基坑的距离是密切相关的。

2）在工程建设期间，10层居民楼基础沉降和倾斜监测数据均被控制在允许范围内，建筑物未出现施工裂缝。通过对加固前后建筑物变形的对比，表明该加固方案能有效地控制建筑物的变形，本工程经验具有工程参考意义。

3）在该工程实例计算过程中未考虑时间影响，且是按理论标准情况设定条件，而实际施工过程很难达到，建筑物实际差异沉降和倾斜会大于计算结果［13］，参考时需考虑此因素。如何将实际工程问题抽象为数值模型，使理论计算与施工实际更好地拟合，是目前研究人员亟待解决的问题。

4）深基坑致使建筑物破坏的分析与控制是较深的研究课题，文章主要针对于莞惠城际轨道10层居民楼附近基坑及建筑物进行模拟研究，具有局限性。对于复杂地质及城市中临近建筑群的深基坑，施工过程中如何准确地预测与优化还有待于进一步地研究。

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Analysis on Influence of Construction of Deep Foundation Pit on Adjacent Buildings：Case Study on GZH-5 Bid Section of Dongguan-Huizhou Inter-city Rail Transit Project

WANG Kaichun
（Civil Engineering Technology Research Institute of CCCC-FHEB Co.，Ltd.，Beijing 101102，China）

During the construction of inter-city rail transit projects，the influence of the construction of deep foundation pits on the adjacent buildings has to be minimized.In this article，the influence of the construction of the deep foundation pit of GZH-5 bid section of Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project on the adjacent buildings and its control technologies are studied，and comparison and contrast is made between the displacement of adjacent buildings before grouting reinforcement and that after grouting reinforcement，and between the finite element analysis result and the monitoring result.Conclusions drawn are as follows：1）The distance between the foundation pit and the adjacent buildings is the main factor that influences the displacement of the adjacent buildings；2）The finite element calculation model can effectively predict the displacement of the adjacent buildings during the construction of the foundation pit and thus the prediction result can provide reference for the determination of the building reinforcement measures；3）The grouting reinforcement measures taken are reasonable and feasible for the control of the displacement of adjacent buildings.

Dongguan-Huizhou inter-city rail transit project；deep foundation pit；adjacent building；construction；reinforcement；monitoring；finite element software MIDAS-GTS

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.003

U 45

A

1672－741X（2014）04－0303－08

2013－10－15；

2014－01－20

王凯椿（1984－），男，北京人，2007年毕业于长沙理工大学，工程力学专业，本科，工程师，主要从事深基坑与隧道工程施工监控量测工作。