合肥地区深基坑开挖对文物保护建筑影响分析

魏东方，王斌 （合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

随着地下空间利用率的提高，基坑施工产生的震动、沉降变形等对邻近建(构)筑物造成的影响越来越受到关注［1～3］。文物保护建筑相比一般建筑物，变形控制的要求更高，然而目前各地区文物保护建筑变形控制标准仍以经验为主［4～6］。

本文以合肥老城区地下停车库邻近安徽省文物保护建筑教弩台为背景，通过二维典型剖面计算和三维有限元数值模拟分别计算，判断基坑施工对邻近文物保护建筑造成的影响，为合肥地区类似项目提供借鉴。

2 工程概况

2.1 项目简介

合肥老城区住宅密集、景点多、交通量大，但是车位配比不足，严重制约老城区发展。本项目位于合肥市寿春路中段，北邻逍遥津公园，南近明教寺，项目拟利用道路下空间新建地下停车库，并与北侧既有地下停车库相连，满足周边地块停车需求。

明教寺始建于南梁时，已有1400年历史，上部结构二十世纪八十年代恢复，是合肥最古老的佛教寺院。其基础教弩台原址是三国时期曹操所筑的教弩台，是安徽省重点文物保护建筑。教弩台东西向长72.5m，南北向宽54.7m，面积近4000㎡，南端高4.3m，北端高3.5m。台内为填土，台周护墙厚0.7m。

图1 明教寺及教弩台现状

本项目基坑位于教弩台北侧，距离教弩台护墙约14.10m，距离教弩台严格保护线约6.9m。基坑东西长76.6m、南北长70.3m，开挖深度11.3m。为减小施工对教弩台的影响，围护结构采用结构刚度大、控制变形好的钻孔灌注桩加内支撑支护。临近教弩台侧基坑支护形式为∅1200@1500钻孔灌注桩+双排Ф 600高压旋喷桩截水帷幕，采用两道800×1000钢筋混凝土支撑，坑底3m范围被动区采用三轴搅拌桩加固。基坑与教弩台位置关系如图2所示。

图2 基坑与教弩台剖面位置关系

2.2 工程地质水文地质条件

基坑所在地层从上到下依次为：①1杂填土、①2淤泥及淤泥质杂填土、②层粉质粘土夹粉土、③层粉土夹粉质粘土、粉细砂、④层粉土与粉细砂互层、⑤层粉细砂夹粉土、⑥1层强风化泥质砂岩、⑥2层中风化泥质砂岩。

根据勘察资料，抗浮设防水位取室外地坪下0.5m进行设计。上层滞水分布于①1层、①2层，潜水分布于②层、③层、④层、⑤层、⑥层，含水层厚度较大，水量丰富。土体物理力学参数见表1。

土体物理力学参数 表1

2.3 文物建筑变形控制标准

临近文物保护建筑进行深基坑开挖，制定合理的文物保护建筑变形控制标准是关键，该标准的合理确定即对文物保护建筑本身有重要影响，也是基坑变形控制标准选取的依据。

分析相关规范，参考类似工程经验，结合本项目实际情况，制定基坑施工过程中教弩台变形控制标准如表2所示。

教弩台变形控制标准 表2

基坑工程的变形控制标准应根据基坑周边环境对附加变形的承受能力，以及基坑开挖对周围环境的影响程度确定。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中对历史建筑给出变形控制参考值为支护结构最大侧移应小于0.18%H（本项目中为20.34mm），坑外地表最大沉降应小于0.15%H（本项目中为16.95mm）（H为基坑开挖深度）。

3 基坑开挖对文物建筑影响分析

3.1 三维有限元分析

为分析基坑施工对周边文物保护建筑产生的附加变形，采用MIDAS GTS三维有限元软件进行数值分析。

模型采用修正摩尔-库伦本构，粘聚力和内摩擦角按勘察报告取值，按合肥地区经验，割线刚度E50ref取压缩模量的1.1倍，卸荷再加载模量Eurref取割线刚度的7倍。

为减少边界效应对计算的影响，模型边界距离建筑物边界按不小于50m控制。土层采用3D实体单元模拟，基坑围护桩采用2D板单元模拟，有限元分析按等刚度原则将围护桩简化为地连墙结构。内支撑体系采用1D梁单元模拟。

模型边界条件为底面采用固定约束，四个侧面为垂直于侧面的方向约束，上表面为自由面。

根据基坑施工情况，分阶段模拟基坑开挖、回填步骤，基坑施工后教弩台变形见图3、图4、图5所示。

图3 基坑施工后教弩台水平X方向位移云图

图4 基坑施工后教弩台水平Y方向位移云图

图5 基坑施工后教弩台竖向位移云图

有限元数值分析云图可以看出基坑施工后，教弩台水平方向最大水平位移4.75mm、最大竖向位移4.37mm，最大差异沉降0.06mm，整体倾斜0.012mm，变形均满足控制要求。

3.2 基坑典型剖面二维计算

采用启明星软件，选取教弩台侧基坑典型剖面计算围护结构的变形。并将计算结果与三维有限元计算结果对比分析。

图6 教弩台侧基坑典型剖面计算结果

典型剖面二维计算结果可知，基坑施工过程中围护结构桩身最大水平位移12.5mm，最大桩身弯矩1653kN.m，最大地面沉降约15.3mm，满足基坑变形控制要求。

3.3 二维剖面计算与三维有限元分析结果对比

通过二维典型剖面计算和三维有限元数值模拟分别计算基坑施工对教弩台变形影响，围护结构水平位移和基坑周边地表沉降计算结果对比见表3所示。

二维剖面计算与三维有限元分析结果对比 表3

对比分析二维典型剖面计算和三维有限元数值模拟结果可知，三维有限元分析结果中水平位移较二维分析大8.6%，而地表沉降较二维分析小34.7%。与二维剖面计算相比，三维有限元分析能更好地反映空间三维效应，计算结果更真实可靠。

4 结论

本文通过二维典型剖面计算和三维有限元数值模拟分别对深基坑施工引起邻近文物保护建筑的变形影响进行分析，可得出结论和相关建议如下。

①通过二维典型剖面计算和三维有限元数值模拟分别计算基坑施工对文物保护建筑影响，通过结果对比分析可知，三维有限元分析结果中水平位移较二维分析大8.6%，而地表沉降较二维分析小34.7%。与二维剖面计算相比，三维有限元分析能更好地反映空间三维效应，计算结果更真实可靠。

②基坑施工过程中应严格控制围护结构及周边地面变形，同时对文物保护建筑沉降、倾斜、裂缝等密切关注。

③采用三维有限元数值模拟对施工场地进行整体分析，通过对数值模拟结果分析，可对建筑物变形较大的区域进行针对性监测，施工过程中严格控制，避免出现变形。