超深基坑开挖对周围建筑物沉降影响分析

欧自珍

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300010)

目前，我国深基坑建设数量世界居首，城市可供开发的空地比率越来越低，使得超深基坑周围建筑林立、地下隧道与管线纵横交错，深基坑开挖、支护对周围建筑物不良影响始终是基础工程和地下工程中的一个综合性岩土工程问题。

二十世纪八十年代以来，人们借助于工程地质的相关知识，吸取国内外的成功经验，逐步形成了以支护桩、地下连续墙等为主流的单一或复合的支护形式。但是我国各区域地层岩性大不相同，地层岩土体微小差异即会造成其物理力学特性的天壤之别，深基坑开挖对周围建筑物产生的不良影响因地而异。近年来，学者利用理论分析[1]、现场实测[2]、数值计算[3]等方法研究了上海、南京、深圳、广州等地深基坑开挖对周围建筑物的影响。分析了建筑物高度和结构整体刚度对建筑物倾斜沉降的影响，同时讨论了基坑支护结构的形式和设计条件对周围环境的扰动规律。此外，还对与基坑边成不同角度、与坑角成不同方位的建筑物进行了研究，得到了很多有用的结论[4,5]。但是，既有的研究成果主要针对软土地区，对中密砂卵石地区超深基坑临近构筑物的研究鲜有所见。卵石土层为稍湿～饱和，粒径由小变大，结构由稍密到密实。通过细分，可分为松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石四个亚层。工程特性具散粒性、强透水性、高磨耗性等[6]，这一特殊地层中的深基坑开挖具较高的安全隐患。为研究砂卵石地层中超深基坑开挖对临近建筑物的影响，本文以南昌某建筑深基坑为例，采用有限差分软件建立分析模型，开展针对性研究。

1 工程概况

1.1 工程地质特征

南昌临空临港工业园项目超高层建筑的建筑高度为199.6 m，裙楼高度32.5 m，设5层地下室。拟建项目占地面积为6 000 m2。根据设计方案，该建筑拟采用桩筏基础，预计基础埋置深度为-26.9 m，桩基础以中风化为桩端持力层。基坑施工1～2倍开挖深度范围内建筑居民楼，地下室结构几乎布满了建筑红线包括的用地范围。

表1 岩土体物理力学参数

1.2 基坑支护方案

该工程基坑安全等级为一级，根据现场实际情况，对基坑的西侧、北侧采用双排预应力锚索的锚拉桩来严格控制基坑及周边建筑物变形；南侧由于桩基础的因素，只能施工一排预应力锚索；东侧由于原有地下室影响锚索施工，因此采用悬臂桩支护。设计的锚拉支护桩桩径1 200 mm，桩间距2.20 m，有效桩长29.00 m，嵌固深度7.00 m，冠梁尺寸为1 200 mm×800 mm，桩顶标高为±0.00 m，在-6.0 m和-9.0 m处设置2道∅150 mm内灌浆预应力锚索，锚索长度分别为18.0 m、15.0 m，锚固段分别为10.0 m、8.0 m，锚索锚固在支护桩身上，不设置腰梁，支护方案如图1所示。

图1 基坑支护形式(单位：m)

2 模拟方案及模型验证

2.1 模拟方案

从支护结构本身讨论桩径、桩间距、锚索长度等有关参数的变化对邻近建筑物的影响规律，并从周围建筑物不同基础形式、不同基础埋置深度的角度来进一步探讨建筑物本身特征受深基坑开挖影响的程度。具体方案如下：①建筑物基础形式，独立基础、条形基础、筏板基础，埋深4 m；②建筑物基础埋深分别为2 m和4 m，基础形式为条形基础、独立基础；③桩径分别为0.6，0.8，1.0，1.2和1.4 m；④桩间距分别为2.2，2.5，3.0，3.5和4.0 m；⑤锚索长度分别为16，18，20，22，24和26 m。

2.2 建立模型

基坑开挖对周围土层的影响范围一般为3～5倍开挖深度，因此，所建立的模型最大的计算尺寸为220 m×60 m×90 m，共划分39 500个单元，节点47 850个。模型边界条件为顶部自由，底面固定，侧面位移约束。所分析的建筑物平行布置基坑侧，建筑物长25 m，宽10 m，相关计算参数见表2。计算中结构采用弹性模型，土体采用摩尔库伦本构模型，计算模型如图2所示。

表2 结构计算参数

图2 计算模型

2.3 模拟步骤

数值模拟工况应与实际施工步骤一致，具体过程如下：①建立基坑与邻近建筑物基础的三维模型，进行初始地应力平衡，保留应力场，位移清零；②基坑开挖至4.5 m，施加第1道锚索(4 m)和预应力，进行平衡计算；③开挖至7.5 m，施加第2道锚索(7 m)和预应力，进行平衡计算；④开挖至10.5 m，施加第3道锚索(10 m)和预应力，进行平衡计算；⑤开挖至13.5 m，施加第4道锚索(13 m)和预应力，进行平衡计算；⑥开挖至16.5 m，施加第5道锚索(16 m)和预应力，进行平衡计算；⑦开挖至19.5 m，施加第6道锚索(19 m)和预应力，进行平衡计算；⑧开挖至22.5 m，施加第7道锚索(22 m)和预应力，进行平衡计算；⑨开挖至坑底26.9 m，进行平衡计算。

2.4 布置监测点

(1)为了研究不同基础形式和基础埋深等因素对邻近建筑物的影响，现选取建筑物基础角部和中部等6个监测点作为研究对象，如图3(a)所示。因篇幅所限，本文只分析建筑物中线即CD剖面处的沉降变形情况。

图3 监测点布设

(2)为研究不同桩径、桩间距、锚索排数、锚索长度、锚索预加力、基坑开挖宽度和建筑物距基坑的远近等因素对建筑物的影响，以条形基础的建筑物作为研究对象。其监测点布置见图3(b)，因篇幅所限，本文只分析建筑物中线即CD、EF剖面处的沉降变形情况。

2.5 模型正确性验证

在现场选取第2排锚索埋设锚索计传感器以监测锚索内力，根据实际的监测来反演确定模型的计算参数和分析计算的准确性。对比分析结果见图4所示。

图4 锚索施工监测对比曲线

从图4可见，模型建立及参数选取较为准确。

3 支护结构对周围建筑物影响

3.1 桩径的影响

开挖完成后，桩径影响的计算结果如图5所示。

图5 桩径的影响

由图5可以看出，桩径对邻近建筑物的影响较大，当桩径为0.6 m和0.8 m时，建筑物最大沉降量分别为91 mm和50 mm，最大差异沉降分别为91.2 mm和58 mm，倾斜值都大于0.004，大于建筑物的控制标准，建筑物处于不安全状态。当桩径为1.0，1.2和1.4 m时，建筑物最大沉降量分别为25.2，22.7和21.6 mm，差异沉降分别为36.4，33.8和31.8 mm，其倾斜值均小于0.004，此时，建筑物处于安全状态。综合考虑安全和经济等因素，在砂卵石进行深基坑支护设计时，选取1.2 m左右的支护桩是比较合适的。

3.2 桩间距的影响

桩间距影响计算结果如图6所示。

图6 桩间距的影响

由图6可以看出，基坑临近建筑物沉降变形量与桩间距成正比。桩间距从2.2 m增大到4.0 m，建筑物最大沉降量分别为22.7，23.2，24.8，30.4和47.6 mm，最大差异沉降为33.8，34.0，36.0，42.0和55.0 mm。由计算结果可知，当桩间距大于3.0 m时，将使建筑物产生过大的沉降，导致建筑物发生破坏。因此在基坑设计时，对于周边有建筑物的情况，当桩间距小于3 m时，基坑和建筑物的安全均可以得到保证，但是同时需要满足小于2倍桩径的规范要求。

3.3 锚索长度的影响

锚索长度影响计算结果见图7所示。

图7 锚索长度的影响

由图7可知，基坑临近建筑物沉降变形量与桩间距成反比。当锚索长度为16，18，20，22和26 m时，建筑物变形分别为22.4，22.3，22.1，21.8和21.6 mm。另外，进一步可知，当锚索长度从16 m增加到26 m时，最大沉降量仅减少0.9 mm，由此可见，过长的锚索并不会增加基坑的安全性，亦不会减少建筑物的沉降变形。故，砂卵石深基坑采用锚索支护时锚索长度仅需满足规范要求即可。

4 建筑物基础对周围建筑物影响

4.1 基础形式的影响

基础形式影响计算结果见图8所示。

图8 基础形式的影响

图8可以看出，采用不同结构形式的基础，对建筑物的变形影响程度差异很大。由计算结果可知，当采用条形基础时，建筑物最大沉降为22.7 mm，差异沉降为33.8 mm；当采用独立基础时最大沉降为11.8 mm，差异沉降为8.5 mm。当采用筏板基础时，建筑物有一定的上浮，上浮最大值为3 mm，这是由于基坑开挖卸荷导致建筑物上部荷载小于上浮力，所以导致建筑物上浮。由以上分析可知，在砂卵石地区，采用筏板基础对建筑物的影响最小，其次为独立基础，条形基础对建筑物的影响最大。

此外，计算结果分析可知，对采用不同基础形式的建筑物纵向(沿基坑开挖面方向)的沉降量均小于建筑物横向沉降量。由此可见，基坑开挖对建筑物横向的影响大于纵向。

4.2 基础埋深的影响

基础埋深影响计算结果见图9所示。

图9 基础埋深的影响

由图9可以看出，基础埋深不同对建筑物的影响很大。对于独立基础，当基础埋深为4 m时，建筑物最大沉降为11.8 mm，差异沉降为8.5 mm；当基础埋深为2 m时，建筑物最大沉降为41.2 mm，差异沉降为31 mm。对于条形基础，当基础埋深为4 m时，建筑物最大沉降为22.7 mm，差异沉降为33.8 mm；当基础埋深为2 m时，建筑物最大沉降为47.4 mm，差异沉降为65.6 mm，倾斜值大于建筑物的变形控制标准，将导致建筑物破坏。因此，由计算结果分析可知，为保证建筑物的安全，在满足规范要求和经济的条件下，基础应尽量加大埋深。

5 结论

(1)建筑物基础形式对建筑物变形的影响程度差异很大。在砂卵石地区，采用筏板基础对建筑物的影响最小，其次为独立基础，条形基础对建筑物的影响最大。

(2)基础埋深不同对建筑物的影响很大。埋深越大，沉降越小，为保证建筑物的安全，在满足规范要求和经济的条件下，基础应尽量加大埋深。

(3)桩径越小、桩间距越大时，邻近建筑物差异沉降也越大。砂卵石地层基坑设计时，对于周边有建筑物的情况，当桩间距小于3 m时，基坑和建筑物的安全均可以得到保证，但是同时需要满足小于2倍桩径的规范要求。

(4)过长的锚索并不会增加基坑的安全性，亦不会减少建筑物的沉降变形。故，砂卵石深基坑采用锚索支护时锚索长度仅需满足规范要求即可。