深基坑开挖对支护结构及既有建筑物的影响分析

李忠爽 胡永健

(中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074)

1 概述

随着城市的建设发展，深基坑工程项目的周边环境日益复杂。深基坑土体开挖引起坑底土体的卸荷，周边土层的位移场和应力场发生变化，对周边环境既有建筑产生相应的附加应力和位移。如果附加应力及位移超过建筑物的允许值，常常造成建筑物的破坏，引起相应的工程事故。近些年来，在北京、广州等城市均发生过由于基坑开挖引起临近建筑物失效或破坏的事故，给社会造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此，精确评估基坑开挖对周边环境影响效应尤为重要。

前人对基坑开挖的研究成果较多，但大部分论文重点研究的是基坑自身的稳定性，支护结构的变形及其受力等方面;对临近建筑物的影响分析更多的是依赖于数值模型而得到的结论，用实际监测验证结果合理性的成果较少。

本文以武汉市某基坑工程为例，探讨了深基坑开挖对支护结构及既有建筑物的影响规律。在施工期间对基坑和周边环境进行了动态监测，并将监测结果与数值分析结果进行了对比分析，可为类似工程的设计和施工提供借鉴。

2 工程概况

2.1 项目简介

拟建建筑物由1栋26层办公楼、5层商业裙楼和外扩3层地下室组成。基坑为形状不规则的4层地下室深基坑。该基坑开挖深度为20.42 m，主楼处开挖深度为21.37 m。基坑开挖面积约13 240 m2，基坑周长约511 m。

2.2 工程地质与水文地质条件

本场区地层自上而下土层分别为:第①层杂填土，全场地分布，层厚1.2 m ～8.4 m，平均层厚2.33 m;第②层粘土，局部相变为粉质粘土，层厚2.5 m ～5.6 m，平均层厚4.15 m;第③层粘土，含有薄层的粉土、薄层粉砂，局部为淤泥质粘土，全场地分布，层厚1.5 m～4.8 m，平均层厚3.44 m;第④层粉细砂与粘土互层，以粘土为主，层厚0.9 m ～7.4 m，平均层厚2.48 m;第⑤1层粉细砂，夹有薄层的粉土及塑性较好的粘土，层厚为7.6 m～18.8 m，平均层厚 14.04 m;第⑤1a层粘土，层厚 0.8 m ～2.6 m，平均层厚 1.16 m;第⑤2层粉细砂，局部夹有中粗砂，层厚17.1 m～23.6 m，平均层厚 20.12 m;第⑤2a层粘土，层厚 0.7 m ～3.2 m，平均层厚 2.07 m;第⑥层卵石，主要成分为石英砂岩、砂岩及灰岩等，层厚5.2 m～7.9 m，平均层厚6.95 m;第⑦1层志留系坟头组(S2f)强风化粉砂质泥岩，层厚0.4 m～2.7 m，平均层厚1.49 m;第⑦2层中风化粉砂质泥岩，未见洞隙，层厚 1.7 m ～3.4 m，平均层厚2.42 m。

2.3 支护方案

经过分析计算和方案论证，最终确定支护方案为:钢筋混凝土地下连续墙(兼作地下室外墙)+钢筋混凝土内支撑梁(板)作为基坑支护体系及止水帷幕。地下连续墙厚度1 000 mm，地连墙内侧拟设钢筋混凝土内衬墙。在连续墙的槽段接缝处设置袖阀注浆管，内外侧布置搅拌桩，接头处设置高压旋喷桩，并结合降水井作为降止水的综合处理措施。

2.4 监测方案

按照设计要求，周边环境监测内容包括:建筑物沉降及道路沉降。监测工作自地下连续墙施工到基坑内支撑的拆除。部分监测点布置如图1所示。

图1 部分监测点布置示意图

按照GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范规定以及监测合同要求，监测预警值如表1所示。

表1 监测预警值

3 监测数据分析

建筑物的沉降时程曲线如图2所示。由图2可知，随着基坑开挖周边建筑物沉降累积量逐渐增加，最大沉降量为11.4mm，不均匀沉降较小，最大不均匀沉降为0.97 mm。沉降数据没有达到预警值，表明采用地连墙+内支撑的支护形式可以很好地减少基坑开挖对周边环境的影响。

图2 建筑物沉降—时程曲线

4 数值模拟成果分析

利用ABAQUS有限元软件模拟基坑开挖全过程施工，探讨土体卸荷对基坑支护结构及周边环境的影响规律。

4.1 计算参数

考虑到深基坑平面面积广大以及形状的不规则性，三维建模不易实现，采用最不利基坑剖面以及最不利地层剖面的组合建立数值模型。深基坑的尺寸为136 m×80 m，基坑开挖深度为20.42 m;地下连续墙宽度为1m，总长度为56m，插入基坑开挖面以下 35.6 m;坑内设4 道支撑，分别距地表3 m，7.7 m，12.4 m 和17.1 m。建立如图3所示的有限元模型。选用多孔弹性模型(Porous Elasticity)和临界状态塑性模型(Clay Plasticity)联合使用模拟粘土的受力变形特点;其余土层选用摩尔库仑模型。

图3 有限元模型示意图

土体、地连墙及建筑物用CPE4平面应变单元模拟;支撑的主要作用是限制土体向基坑内部位移，故假设支撑是刚性的，采用位移约束的条件来实现。模型左右边界选用位移/转角约束，限制水平方向上的位移;模型底部约束水平及竖直两个方向上的位移。土体开挖分10个分析步，每步开挖深度依次为3 m，4.7 m，4.7 m，4.7 m和3.32 m。数值模拟中不考虑坑外地表有超载存在。计算参数如表2所示。

表2 计算参数

4.2 有限元模型的检验

ABAQUS软件中可以采用用户子程序自定义土体初始孔隙比的变化规律。土体的初始孔隙比随深度变化如图4所示，与室内压缩试验结果规律相一致。证明了ABAQUS嵌入子程序的合理性。

图4 初始孔隙比随深度的变化

在有限元模型中，提取监测点处沉降时程曲线如图5所示。由图5可知，模拟的建筑物最大沉降为11.79 mm，与实际监测结果相差不大。基坑开挖过程(“kw”代表开挖过程)，建筑物沉降变化较大;添加内支撑过程中(“zc”代表支撑)，建筑物沉降有所增加，但增加量较小。证明数值模拟成果是符合基坑实际变形过程的。

4.3 基坑开挖对支护结构影响分析

图6给出了地连墙的水平位移随开挖过程的变化。kw1～kw5对应于基坑的5个开挖步，这里规定墙体向基坑内侧移动时水平位移为正。深层水平位移最大值为22.57 mm，小于预警值，对应于地面以下26.3 m处。由图6可以发现，随着开挖的进行，地连墙的水平位移呈现墙底和墙顶变形较小，墙身变形较大的趋势。随着开挖的进行，最大水平位移点逐渐下移，这是由于开挖引起地下连续墙两侧的土压力差增大，坑底没有支撑约束，因而最大水平位移点下移。

图5 监测点沉降—时程图

图6 地连墙深层水平位移随深度的变化

图7 给出了地连墙的轴力随开挖过程的变化曲线。图7中，kw1～kw5对应于基坑的5个开挖步，以拉为正。墙身轴力沿墙身自上而下先增大后减小，这是由于墙顶一定范围内地基土较疏松，导致墙土接触面法向应力较小，侧摩阻力无法发挥，墙身中性点处与土体相对位移接近于零，轴力最大，中性点以下为负摩阻力，又削弱了桩身轴力。

图7 地连墙墙身轴力随时间变化图

图8 中给出了基坑开挖过程中地连墙墙身弯矩的分布情况。由于墙身弯矩主要受土体侧向位移的控制，因此随着开挖过程的进行，土体侧向位移逐渐增大，墙身弯矩逐渐增加。

图8 地连墙墙身弯矩随时间变化图

4.4 基坑开挖对建筑物的影响分析

图9 中给出了基坑开挖过程中墙后地表位移的变化规律。由图9可知，基坑周围地表总体呈沉降趋势，最大值为7.75 mm。墙后地表出现较明显的沉降槽，在距墙体0 m～20 m范围内。开挖影响墙后地表的最大范围约为2倍的开挖深度。

图9 墙后地表沉降示意图

5 结语

本基坑开始土方开挖至基础底板浇筑完成，整个基坑支护体系未发生破坏，保证了基坑的支护结构及坑外周边环境的安全。

1)ABAQUS数值模拟结果与现场实际监测数据较为吻合，表明ABAQUS软件可以较好模拟深基坑开挖全过程;多孔弹性模型(Porous Elasticity)和临界状态塑性模型(Clay Plasticity)联合使用可以较合理地模拟粘土的受力变形特点。

2)深基坑开挖过程中，地连墙的最大水平位移为22.57 mm，小于预警值，对应于地面以下26.3 m处;基坑周围地表总体呈沉降趋势，最大值为7.75 mm。表明地连墙+内支撑的支护形式可以很好地控制支护结构以及周边地表土体的变形，保证施工及既有建筑物的安全。