地道明挖对邻近建筑基础影响的数值分析

周奥

摘要:随着国家道路交通建设的需要，基坑工程大规模飞速发展，不可避免的出现了许多有关基坑安全风险和环境安全的问题。而且很多的基坑工程位于建筑物比较密集的城市，若设计、施工或保护不当的话，使得地面产生较大的沉降或土体的侧移，很可能引起周围的建筑物、道路、地下管道等的破坏，从而造成不可估量的损失。因此，有关基坑开挖对邻近建筑物影响的研究是我国城市化建设的一个迫在眉睫的问题。

关键词基坑工程；MIDAS GTS NX；邻近建筑基础；数值分析

中图分类号：E271文献标识码： A

1 引言

随着我国经济的快速增长，城市基础设施建设的步伐也越来越快，近几年涌现出了大量的高层建筑以及地铁隧道使得基坑工程的设计变的尤为重要。由于许多基坑出现在建筑物密集区，进行基坑设计时既要考虑临近建筑物对基坑的影响，又要考虑基坑对临近建筑物的影响。

在以往基坑工程中更多的研究了基坑工程本身的稳定性和安全性，而忽略了基坑开挖对临近环境的影响。在目前复杂工程环境状况下，基坑支护结构、土体和周边建筑物及其它构筑物之间的共同作用，邻近建筑物的变形以及开挖过程中建筑物结构内力的反应等方面的研究较少。尤其在天津滨海等软土地区，基坑开挖引起的邻近房屋的差异沉降量一般比较大，对差异沉降敏感的砌体房屋而言，经常会在差异沉降作用下发生开裂、倾斜、门窗变形等直接影响到房屋的正常使用，甚至会引起房屋破坏倒塌，出现危险,造成意想不到的损失。

2 工程概况

天津滨海新区中心商务区德盛道下穿中央大道地道工程位于中央大道与德盛道交口，中央大道为南北走向，德盛道呈东西走向，德盛道主线做成地道型式下穿中央大道，两侧辅道与中央大道平交。地道主线为双向4车道，城市次干路标准。

该项目地道全长370m，工程起终点桩号为K0+190.276~K0+560.276，主体结构分为U型槽和箱体两部分，东侧U型槽长175m，西侧U型槽长126m，中间箱体段长69m；地道全宽29.7m。

图1 德胜道基坑工程基坑周边环境图

德胜道基坑工程基坑周边环境如图1所示，地道U形槽北侧是渤海花园住宿楼，距离地道U形槽最近距离约为7.2m，是地道明挖过程中重点保护对象。该住宿楼一共六层，建筑基础为伐板基础。

3 地道明挖对建筑基础影响的数值分析

3.1 计算方法的采用

由于拟建地道结构外边缘离附近居民楼的最小距离约7.2m，为了研究基坑开挖对附近楼房沉降的影响，故采用岩土隧道分析专业软件MIDAS GTS NX，建立三维空间模型模拟地道基坑开挖过程对邻近楼房基础的影响。

GTS NX（New Experience of Geo-Technical analysis System）是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库。

3.2 结构离散与模型的建立

（1）基础计算模型尺寸

根据基坑与建筑基础的位置关系，取地道基坑、建筑基础及其周边一定范围土体为研究对象。周围土体为无限体，但根据工程经验基坑开挖施工对土体影响范围一般大于基坑开挖深度的3倍。综合考虑计算结果的可信度与计算机模拟的可行性，建立实体单元模型时，土体结构三维尺寸取180x180x40m（LxBxH）。有限元模型如图2所示，共划分为39492个单元。

图2 整体有限元模型

MIDAS/GTS NX中共提供13种岩土模型。考虑到摩尔库伦准则在实用的约束压力范围内具有较高的准确性，对基坑开挖模拟和实测结果匹配较好，同时模型具有表达式简单、参数较少、容易确定、使用方便、工程应用广泛等特点。本文土体材料采用摩尔库伦模型。

（2）楼房基础、支护桩以及支撑的模拟

楼房及楼房基础采用三维实体单元，尺寸按实际输入。支护桩以及支撑均采用线弹性模型。建立支护桩时采用软件特有的桩单元，即桩与土是通过接触来传递力与位移。MIDAS GTS建立桩单元是在嵌入式梁单元的基础上，直接考虑与周边其他单元的连接特性。建模时所有桩基长度均按20m考虑（与实际略有差别），桩径为φ1.2m。

对支撑体系采用特有的植入式梁单元进行模拟。由于横向支撑体系采用植入式梁单元，所以支撑体系与土体之间的接触问题软件会自动考虑，不需要重复设置模型的接触单元; 支撑体系内部通过设置刚性节点来模拟横、纵、竖三向支撑之间的连接。

支护桩与支撑有限元模型如图3

图3 支护桩与支撑有限元模型

（3）边界条件

在整体计算模型中，采用位移边界条件，土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，侧面限制水平位移。由于模型所截取土体尺寸（180x180x40m）数倍于开挖基坑尺寸，因此边界条件的约束情况，对计算结果影响较小，可以忽略。

（4）施工阶段模拟

a) 初始地应力平衡

初始应力条件的确定是模型建立的关键问题，初始应力场是基坑即将开挖时的应力场。初始应力场是弹塑性有限元计算的基础，基坑开挖各个阶段的计算都是在此基础上进行在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围构筑物荷载作用下，已经固结沉降完毕，在此基础上进行隧道开挖，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，在利用有限元模拟基坑开挖过程时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。模型中第一阶段为土体未开挖的初始阶段，通过GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场。

b) 邻近建筑物荷载对初始应力状态的影响

采用有限元软件中“ 单元生死” 的方法, 在基坑开挖前激活邻近建筑物模型和荷载, 考虑其对初始应力场的影响。同时在第一步开挖荷载步工况对初始位移归零, 忽略邻近建筑物荷载产生的初始位移。

c) 基坑开挖过程模拟

随着地层自重固结应力状态稳定后，对地层和结构的位移进行清零，接着利用软件对基坑开挖以及立支护桩、内撑每个工序进行模拟。

4 数值分析结果

当地层自重固结应力状态稳定后，对地层的位移清零。在基坑开挖至坑底时基坑结构和建筑基础在各个方向的位移情况，如下图所示。

图4 基坑开挖至坑底水平变形云图

图5基坑开挖至坑底竖直变形云图

图4和图5为基坑开挖至坑底时水平变形云图和竖直变形云图。从图上可以看出，在基坑开挖至坑底的过程中，房屋顶出现最大水平变形为7.7mm，最大竖向位移为14.3mm。

5 结论

从MIDAS GTS NX的计算结果可以看出：在基坑开挖的过程中，建筑基础出现水平变形和沉降，开挖至基坑底部时，房屋基础的变形量达到最大值，房屋基础最大变形量14.3mm处于安全范围之内。因此，在施工组织和施工方案均合理的情况下，修建地道不会造成邻近的房屋基础受力状态发生明显改变。结果表明采用有限元来分析基坑开挖对邻近建筑基础的影响，能够取得一些定性的指标，对工程设计在后续更进一步的定量分析具有较好的指导意义。建议在进行有限元数值模拟时需根据实际情况采用合适的本构模型，并结合工程实际情况考虑地下水降水的影响。这样才能得出与实际更相符的结论。

参考文献：

[1] 李进军，王卫东，邸国恩，吴江斌，基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的

分析[J].岩土力学，2007.

[2] 刘远亮，基坑开挖对邻近地铁隧道影响的Midas GTS三维数值模拟分析[J]. 探

矿工程（岩土钻掘工程），2013.

[3] 谭儒蛟，李明生，张建根，宋胜虎，天津滨海新区SMW工法围护结构基坑安全监测分析[J].工程勘察，2011.

[4] 孙海玲，苏天宝，深基坑工程开挖与支护结构空间数值模拟[J].铁道建筑，2011.