深大基坑开挖对邻近建筑物及隧道的变形影响

张 军，赵少飞，张志科，黄 刚

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

深大基坑开挖对邻近建筑物及隧道的变形影响

张 军1，赵少飞2，张志科1，黄 刚1

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

以天津地铁邻近的某广场深基坑工程为背景，基坑东西两侧的围护结构采用邻近建筑物的地下室连续墙，基坑下部有地铁隧道穿越。基坑开挖对邻近既有建筑物和地铁隧道产生变形影响，采用有限元软件MIDAS/GTS进行数值模拟。 计算结果表明，采用既有建筑地下室侧墙作为基坑围护结构，基坑开挖对该建筑沉降量和倾斜影响较小;开挖对隧道侧向位移影响较大，而对隧道轴向位移影响可以不计，隧道总位移量不影响正常使用。合理利用周围既有建筑物，地下室永久结构作为基坑临时支护结构，能够节约资源和降低成本。

基坑开挖；建筑物变形；数值模拟；节约资源

0 引言

在深基坑工程中，保证基坑开挖的整体稳定性并降低对周围邻近建筑物/构筑物的影响至关重要，因此它的环境效应不容忽视。基坑开挖期间导致地表不均匀沉降，不仅改变工作环境，甚至可能会造成基坑塌陷，造成周围建筑物/构筑物变形、开裂和倒塌[1-3]。有效减小基坑的变形可以降低周围土体的不均匀沉降，降低相邻建筑安全风险。天津地铁工程建设已经处于快速发展阶段，深大基坑工程不仅对基坑周围既有建筑物有影响，而且还会对邻近地铁区间隧道的变形造成危害。

理论分析不适合解决愈加复杂的实际工程问题，三维有限元分析方法能更符合基坑工程实际工况，较好的模拟基坑、相邻建筑物和隧道， 能够分析基坑开挖过程中相邻建筑物和隧道的动态变化过程[4]。本文以天津地铁邻近的某广场深基坑工程为背景，基坑东西两侧的围护结构采用邻近建筑物的地下室连续墙，基坑下部有地铁隧道穿越。采用有限元软件MIDAS/GTS模拟基坑开挖过程对邻近的高层建筑物及地下隧道变形影响，评价建筑物和隧道的安全。

1 修正摩尔-库伦模型及参数取值

深基坑工程数值分析中，常采用弹塑性本构，其中屈服破坏准则多为经典摩尔库伦准则，参数容易获取且能够满足基坑开挖的分析需要。但对于深大基坑，基坑开挖引起的计算变形值与实际值偏差较大，为此在有限元MIDAS/GTS 软件中，提供了修正-摩尔库伦模型[5]，修正-摩尔库伦涉及11个参数，各参数含义及取值如表1。本文根据各土层行为特性，采用修正摩尔库伦模型来模拟。

表1 修正摩尔库伦模型参数

2 工程概况

基坑长71.25 m，宽62.5 m，面积约为4000 m2，基坑开挖深度15 m，如图1。基坑西南邻近既有建筑为观井楼，下设2层地下室，埋深9.2 m，上设局部为28层；东北邻近建筑为观海楼，下设2层地下室，埋深9.2 m，上设局部为10层如表2，桩基础的承台埋置深度为0.80 m。由于基坑东、西两侧靠着观井楼、观海楼两幢建筑的地下室。因此在开挖到9.3 m前在这两个方向上不设基坑临时维护结构，直接采用现有地下室的侧墙作为基坑的围护结构。在基坑北侧采用Φ800@1000的钻孔灌注桩加Φ800的旋喷桩进行柱间止水；南侧采用放坡开挖，采用锚杆加固。开挖到15 m时，四周均采用地下连续墙围护。

图1 场地平面图

根据地质勘查报告，场地土层别为杂填土、淤泥、残积粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩

等组成，各土层物理学参数见表3。

基坑下已有隧道区间段距基坑地面垂直距离为13.8～14.5 m，隧道采用防水钢筋混凝土二次衬砌，混凝土为C35、P10；仰拱填充材料为C35混凝土；钢筋采用HPB300和HRB335两类。

表2邻近建筑物

备注：(1)备注：Hg为自室外地面算起的建筑物高度。(2)地面整平标高为罗零标高。

3 土-隧道-结构三维有限元模型

3.1 模型简化

为了方便分析，有限元数值建模需要进行以下简化：(1)地表面和各土层界面为水平面；(2)地下水影响忽略不计；(3)各土层强度符合修正M-C准则；(4)施工前地面自重固结沉降已完成；(5)地下室侧墙在计算时可将其等价成地下连续墙。

3.2 模型建立

根据工程实际情况，土-隧道-结构的三维模型建立步骤如下：(1)模拟土层生成，模型地表计算范围取基坑面积4倍以上，坑底影响范围取基坑深度的2～2.5倍，考虑隧道位置，所以模型地基长度为180 m，区间宽度和深度分别为180 m和55 m。考虑土体自重固结完成，土自重相应沉降为零，仅保留自重应力场；(2)建立两侧建筑物模型，结构自重荷载通过桩底部加集中力体现；(3)模拟隧道生成，隧道位置如图2；(4)侧面及底面施加边界约束，侧面法向位移设为零，底面三个方向全为零。

图2 土-隧道-结构有限元模型

4 有限元模拟结果分析

在此范围内基坑开挖分两步进行，第一步开挖至9.3 m，在没有建筑物的两侧分别进行放坡和锚杆支护;第二步开挖深度5.7 m到15 m深，基坑四周均采用连续墙。

4.1 基坑开挖对建筑物的影响

有限元MIDAS/GTS软件模拟两次开挖过程及支护方式对建筑物和隧道的影响，结果分析如下。

基坑邻近建筑物的安全评价[6,7]应根据建筑物高度、结构、型式等因素而定，本项目以建筑物沉降量及建筑整体倾斜值的双重标准来验证，以保证结果的安全可靠性。

由图3计算结果可知：观海楼最大沉降量为31 mm,观井楼最大沉降量为14 mm。

图3 基坑开挖至9.3 m时，建筑物的位移云图

建筑整体倾斜为基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值确定。观海楼基础边缘沉降量最小为8 mm,最大值为31 mm,由此整体倾斜值为0.172‰，同理观井楼的整体倾斜值为0.282‰。

由图4计算结果可知：开挖至设计标高，即地面下15 m，观海楼最大基础沉降量为43 mm,观井楼最大基础沉降量为25 mm。

观海楼基础边缘沉降量最小为14 mm,最大值为43 mm,由此整体倾斜值为0.163‰，同理观井楼的整体倾斜值为0.262‰。

基坑施工过程中邻近建筑物的地基基础变形标准根据国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[8]确定，变形允许值如表4，由此可获得观海楼和观井楼的变形控制标准及允许值。基坑开挖引起地基变形的累积变形量必须小于地基变形允许值。

图4 基坑开挖至15 m时，建筑物的位移云图

整体倾斜沉降量/mm允许值计算值允许值计算值观海楼000250001620043观井楼00030002620025

利用有限元方法计算两步开挖过程中建筑沉降量及整体倾斜值与表4规范进行对比，可以得出：

对于采用地下室连续墙作基坑围护结构，在基坑开挖中对地面及建筑的沉降量和倾斜程度均满足规范要求。可见，这种施工方式对于节省资源、降低成本有很好的作用，可以为以后类似施工提供借鉴。

4.2 基坑开挖对隧道变形的影响

基坑开挖后，隧道各位置位移量如图5，计算结果表明隧道侧向总位移最大为2.84 mm，在X方向位移最大值为0.5 mm， Z方向位移最大值为2.8 mm。由于隧道位于基坑开挖的下方，基坑的开挖卸荷主要引起隧道竖向位移。最大位移出现在近似中间位置，如果隧道严格水平，上部土层厚度均匀，区间隧道最大位移应在中部，但本工程中隧道上层土层厚度变化13.8～14.5 m，因此基坑开挖引起的隧道偏移的最大值发生偏移中心。运营线路轨道竖向最大变形在±4 mm范围内和隧道结构绝对沉降量≤20 mm[9-12]，从图中的数据可以得出隧道的沉降和位移值均满足规定。基坑开挖引起隧道轴向位移量为0.001 mm，所以不考虑其影响。

5 结论

利用有限元MIDAS/GTS软件建立土-隧道-结构有限元模拟，对天津某基坑开挖所引起邻近建筑物及隧道变形影响进行了数值分析，可得出以下结论：

图5 开挖完成后双线隧道各点的位移

(1) 开挖过程中和开挖结束后地铁隧道产生的侧向位移较大，其中主要是开挖卸荷引起的竖向位移，而轴向位移很小可以不计，隧道可以正常运行。

(2) 有限元计算表明，通过利用既有建筑物地下室围墙作为基坑围护结构，对建筑物产生影响在安全范围内，对于基坑工程应实时跟踪监测，从而保证邻近建筑物在工程施工期间的安全。

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Influenceofdeepfoundationpitexcavationonadjacentbuildingsandtunnels

ZHANG Jun1,ZHAO Shao-fei2,ZHANG Zhi-ke1,HUANG Gang1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

Based on the construction of the deep foundation pit of a square adjacent to Tianjin subway,the enclosure structures on both sides of the foundation pit employ exterior basement walls of the adjacent buildings,and the subway tunnels cross under it. Finite element software MIDAS/GTS is used to simulate the influence of excavation foundation pit on the deformation of existing buildings and subway tunnels. The simulated results show: (1) The excavation of the foundation has little effect on the settlement and tilt of the adjacent buildings which basement continuous walls used the enclosure structures. (2) The excavation has a great influence on the lateral displacement of the tunnels in which the z-direction displacement is dominant,while the axial displacement of the tunnel is little. The total displacement of the tunnels does not affect their routine work. Resources are greatly reduced when exterior basement walls of adjacent buildings used the temporary support structures of deep foundation pits.

foundation excavation;building deformation;numerical simulation;saving resources

2017-06-09

中央高校基本科研业务费资助(3142017042)

张军(1992-)，男，河北衡水人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向：建筑安全。E-mail:zj15032223883@163.com

TU753

A

1672-7169(2017)04-0069-06