城市中心区深基坑施工对临近建筑物影响的数值模拟研究

纪晓佳 陆炫毅

（浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016）

0 引言

随着我国城市建设的发展，出现大规模的城市深基坑工程。城市中心区域的深基坑与其他区域的深基坑相比有很大不同，最主要的特点之一是周边环境复杂，与已有建筑物距离近、地下各种管线复杂。基坑工程开挖引起的周围土体变形会对邻近既有建筑物和地下管线产生不良影响，例如周围建筑物产生不均匀沉降以及建筑物上部结构开裂等。在深基坑设计施工的过程中，如果基坑支护体系承载力不足，一旦基坑变形超过周围环境所能承受的最大值，就会导致周边建筑物倒塌、地下管线断裂等，经济损失严重，造成不良的社会影响[1-3]。

基坑工程具有很强的区域性和个体性[4]。不同地域的岩土性质千差万别。该文运用 PLAXIS 3D 有限元软件，进行全尺寸的三维有限元分析，模拟温州城市中心区某深基坑施工全过程，分析深基坑开挖引起的其邻近构筑物的附加变形，研究成果可为后期类似深大基坑的支护和监测决策提供参考。

1 工程概况

拟建温州市核心片区某项目位于温州市鹿城区松台街道，北侧为蛟翔巷，东侧为九三外路，南侧为九三佳园和广汇商厦，西侧为勤奋路，总用地面积36528 m2，由1#楼（30层）、2#楼（33 层）、3#楼（15-22 层）、4#楼（28 层）、5#楼（12 层）、6#楼（14 层）、7#楼（33 层）、8#、9#楼商业裙楼（1-3 层）及10#楼幼儿园（3 层）组成，除幼儿园外全场设1-2 层地下室（3#、4#以北为2 层地下室、以南为1 层地下室），开挖深度5.15m～10.05 m。

结合周边场地情况，该工程二层地下室基坑支护采用机械钻孔桩加两道砼内支撑复合支护体系，桩外侧采用三轴水泥搅拌桩止水帷幕。单层地下室采用机械钻孔桩加一道砼内支撑和锚索的复合支护体系，桩外侧采用单轴水泥搅拌桩止水帷幕。工程桩采用机械钻孔灌注柱基础。该项目基坑安全等级为一级，重要性系数为1.1。

图1 为项目场地平面示意图。项目东侧存在大量的C 级危房，危房34 号位于地下二层开挖区域，距离围护桩结构约为29 m。尽管34 号楼已经位于3 倍基坑开挖深度以外，但是房屋质量受损严重，需要计算基坑开挖引起的附件变形。

图1 项目场地平面示意图

2 建立基坑开挖数值模型

基于基坑支护的设计资料和前期基坑周边建筑物的调研结果，支护结构参数及本构关系见表1。

表1 支护结构参数及本构关系

纵多研究成果表明，基坑开挖引起的墙后土体沉降范围为4 倍的深基坑开挖深度，本次数值计算的有限元网格长×宽×高分别为390 m、320 m 和100 m。既有房屋侧的墙后土体长度均大于10 倍的基坑开挖深度，满足边界条件的要求。模型中土体采用三维实体单元，桩刚度等效后的连续墙、房屋墙体和楼板采用板单元模拟，基坑立柱、内支撑、连梁、冠梁及腰梁采用梁单元模拟，如图2 所示。模型中土体采用反映土体非线性变形的硬化模型（HS 模型），其他结构均采用弹性模型。总体计算模型含189 590 个单元，269 625 个节点。

图2 三维模型图

地基四周侧面采用法向位移约束，底部采用三向位移约束，即四周网格只能沿竖直方向运动，而底部网格不允许产生任何位移。

基于Plaxis 3D 使用手册和已有工程经验，主固结加载切线刚度取值与基本一致。基于许多学者的研究，卸载再加载刚度一般为加载模量的3 倍[5]。对黏性土来说，刚度的应力水平相关幂值（m）的变化范围很小，介于0.8～1.0[6]。本次数值计算幂值（m）的取值为0.9。各土层的硬化模型（HS 模型）参数见表2。

表2 各土层力学参数取值

基坑开挖施工步骤如下：1）初始应力场计算。2）建筑物施工。3）支护结构施工。4）开挖表层素填土。5）施工第一道支撑。6）开挖至一层地下室底部。7）激活第一道支撑和一层地下室底板。8）开挖至二层地下室底部。9）浇筑二层地下室底板。基于有限元计算结果进行分析可知，当基坑开挖至坑底工况时，基坑最不利。因此重点分析计算结果中二层地下室施工完后临近建筑物的变形特性。在数值计算过程中，土体整体开挖不是分区开挖和分区施工，计算的结果是偏安全的。

3 基坑施工对临近建筑物影响的数值模拟计算结果

3.1 34#危房附近土体位移矢量图

图3 为基坑施工至坑底时34#危房侧的土体变形矢量图。34#危房侧开挖深度为9.2 m，建筑物距离维护结构29m。尽管34#危房位于3 倍的基坑开挖深度之外，基坑开挖至坑底时建筑物底部土体依然产生了较大的竖向和水平向位移。

图3 34#危房侧的土体变形矢量图

3.2 建筑物附加沉降

图4 为基坑施工至坑底时34#危房的附加沉降。34#危房为砖混结构，上部结构并未采用桩基进行支撑。基坑开完导致建筑物底部土体产生了较大的竖直向和水平向位移，如图2 所示。因此，基坑开挖引起的不均匀地层位移下，34#危房产生较大的沉降变形，靠近基坑侧的最大沉降为13.1mm，远离基坑侧的建筑沉降为8.8 mm，表明34#危房倒向基坑。

图4 34#危房竖向沉降

3.3 建筑物附加水平变形

图5为基坑施工至坑底时34#危房的东西向水平向位移。34#危房侧的支护结构产生较大的侧向变形，高达41.6 mm。因此，墙后土体的水平位移理应较大。基坑开挖至坑底时，建筑物底部的水平向位移为14.1 mm。由于建筑物倒向基坑，建筑物顶部的水平位移为19.0 mm。34#危房几乎垂直于基坑支护结构，沿南北向水位位移较小，最大值为0.7 mm，如图6 所示。

图5 危房沿东西向水平向位移

图6 危房沿南北向水平向位移

3.4 差异沉降

基于房屋的不均匀沉降，可以计算房屋的坡角（沉降差/房屋的长度）。Bjerrum（1963）[6]发现如果建筑物的不均匀沉降产的坡角大于1/500，建筑物的稳定性便会受到影响。34#房屋基本垂直于新建基坑，平行于基坑方向的水平位移很小。垂直于基坑方向，34#危房的最大和最小沉降分别为13.1mm 和8.8 mm。此危房的长度为12 m，34#危房的坡角为1/2790，要小于Bjerrum[6]提出的临界值。

3.5 竖直向转角

房屋底部和顶部的水平位移分别为14.1 mm和19.0 mm。34#危房的高度为13 m，计算得到房屋的竖直向坡角为1/2653（0.02°）。

4 结论

基于34#危房的不均匀沉降，危房的纵向坡角为1/2790；基于34#危房的不均匀水平位移，房屋的竖直向坡角为1/2653（0.02°）。尽管基坑施工引起的房屋坡角小于Bjerrum（1963）提出的容许值（1/500），但是这部分倾角只由基坑施工出现附加变形。由于危房前期产生了较大的变形，存在较大的裂缝，因此建议在基坑施工时采用一定的保护措施。

基于有限元数值计算结果，基坑施工导致东侧的危房产生过大的附加变形。数值计算未考虑基坑周边的附加堆载。施工产生的附加荷载必然加剧土体和危房的变形。因此，施工时要严格控制基坑周边的堆载，尤其是危房侧。

尽管基坑施工引起的危房坡角未超过影响房屋安全的允许值（1/500），但是该部分变形仅为基坑施工诱发的附加变形。在基坑开挖前，房屋所处的状态并不清楚。为了确保基坑施工时邻近危房的安全性和稳定性，建议在基坑东侧危房区域，采用放坡开放的方式，充分利用被动区的土阻力限制围护结构和土体变形。另外，采用分块开挖，分块浇筑支撑和底板的施工方法，充分利用三维约束效应降低基坑东侧的土体、支护结构和建筑物的变形。