隧道基坑开挖对邻近建筑物影响分析

马 强

（四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610015）

0 引言

一般来说，深基坑工程多位于城市中心，城市高度密集的建筑给深基坑工程带来一定的挑战，基坑工程的施工很大程度上会对周边环境产生一定的影响，周边浅基础建筑由于基础深度较浅且土层条件较差，受基坑开挖的影响较明显。基坑施工过程中很多因素都有可能造成周边建筑的开裂、倾斜甚至破坏，一些老旧建筑尤其是浅基础建筑的安全受到比较大的挑战。因此，研究基坑开挖对建筑物影响具有一定的实际意义。基于基坑开挖与建筑物变形的关系建立浅基础建筑物沉降预测能一定程度上帮助施工人员预判可能发生的问题并规避风险[1]。

基坑的开挖使基坑内的土体卸载，进而引起基坑周围土体的变形和损坏，这就会造成基坑邻近建筑物的变形，建筑物变形过大会影响建筑物的正常使用[2]；基坑降水的过程中，地下水会渗流，这样会导致土体的固结压缩，从而导致地面的不均匀沉降，进而引起建筑物的变形。基坑的开挖和降水都会使建筑物产生变形，严重时会导致建筑物的破坏，给建筑物的正常使用带来影响。基坑开挖会导致基坑周围土体变形，土体变形会导致建筑物的变形，建筑物变形过大会影响建筑物的正常使用，从而对建筑物的使用安全构成一定的威胁[3]。国内外众多学者对基坑开挖引起建筑物的变形进行了深入的研究。朱大鹏等[4]基于广州某深基坑工程，分析了深基坑开挖引发邻近建筑物的变形机理。郑翔等[5]依托实际工程，探究了基坑施工对邻近建筑物的影响。温淑荔[6]通过数值模拟的方法，研究了深基坑加固措施对既有建筑物的影响规律。韩健勇等[7]采用有限元分析软件，探讨了基坑开挖对邻近建筑物的影响。施有志等[8]通过数值模拟的方式探究了深基坑开挖对不同基础型式建筑物的影响。谢康和等[9]研究了成层土中基坑开挖降水引起的土体应力以及周围地表沉降的变化。

隧道基坑的开挖会引起邻近建筑物的变形，因此探究隧道施工对邻近建筑的影响至关重要，而数值模拟是常用的手段[10-11]。本文通过数值模拟的方法，分析隧道明挖段及盾构始发井施工对邻近小区建筑物的影响。

1 工程概况

某隧道明挖段及盾构井侧穿小区，与小区最小水平净距约16 m。此区间地层依次为人工填土、粉质黏土、粗圆砾土，半岛小区房屋为6+1层砖混结构，基础采用ф300～ф350摩擦桩作基础，桩基长8～10 m，基础位于黏土（膨胀土）内。隧道与半岛小区房屋基础位置关系如图1所示。

图1 隧道与小区位置关系Fig.1 Location relationship between tunnel and community

2 基坑开挖及支护方法

（1）明挖段

明挖部分采用φ1200mm@2200mm的围护桩，桩顶设置1200mmÍ800mm冠梁；其中除了明挖区间上跨地铁区间及下穿机场高速高架桥区段围护桩采用人工挖孔桩以外，其余区段围护桩采用旋挖桩成孔；围护桩顶设置1500mmÍ800mm和1200mmÍ800mm冠梁；沿冠梁顶外侧设置1.5 m 高、0.25 m 厚的钢筋砼挡墙。明挖区间基坑竖向采用三道/两道支撑+一道倒撑，支撑为φ609 mm、t=14 mm的钢支撑，钢材型号Q235B，钢支撑水平间距为 3 m。第一道支撑顶在围护桩的冠梁上，第二～四道支撑顶在钢围囹上，倒撑顶在主体结构侧墙预埋钢板上，在基坑开挖至钢支撑设计高程下0.5 m时，停止开挖并立即架设钢支撑，严禁超挖[12]。钢支撑布置平面图如图2所示。

图2 明挖段钢支撑布置平面图Fig.2 Layout plan of steel support in open cut section

钢支撑纵断面图如图3所示。

图3 明挖段钢支撑布置纵断面图Fig.3 Longitudinal section of steel support layout in open cut section

（2）盾构井

盾构始发井段采用φ1500mm@1800mm、φ1200mm@2000mm的围护桩，围护桩顶设置1500mmÍ800mm 和 1200mmÍ800mm 冠 梁；沿 冠梁顶外侧设置1.5 m高，0.25 m 厚的钢筋砼挡墙。明挖盾构始发井基坑竖向采用四道支撑。支撑为φ609mm、t=16 mm的钢支撑，钢材型号Q235B。

始发井钢支撑布置平面图如图4所示。

图4 始发井钢支撑布置平面图Fig.4 Layout plan of steel support of departure shaft

始发井钢支撑纵断面图如图5所示。

图5 始发井钢支撑布置纵断面图Fig.5 Longitudinal section of steel support layout of departure shaft

3 数值模拟

FLAC3D对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理[13]。另外即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。这使得FLAC3D非常适合基坑开挖的模拟，但是前处理功能较弱，复杂三维模型的建立比较困难。因此选择通过Midas GTS建立模型，然后将网格导入到FLAC 3D中的方法进行数值模拟[14]。

3.1 模型建立

在Midas GTS 中建立模型[15]，模型宽145 m，长166 m，高40 m，明挖部分土体根据每次开挖高度进行分组，高度分别为第一次开挖 0.9 m、第二次开挖 4.1 m，第三次开挖 6.8 m，第四次开挖 1.5 m，第五次开挖 5.7 m，明挖部分底板 1.2 m；始发井部分第一次开挖 0.9 m，第二次开挖 5.6 m，第三次开挖 5.5 m，第四次开挖 4.5 m，第五次开挖 5 m。盾构井底板 1.6 m。最终模型有单元 251 045个，节点263 368个，模型如图6所示。

图6 模型分组示意图Fig.6 Schematic diagram of model grouping

3.2 基坑开挖过程模拟

（1）初始应力场平衡

在FLAC3D中对不同地层进行分组，分组结果如图7所示。

图7 地层划分示意图Fig.7 Stratigraphic division diagram

由于小区地下部分桩基较密集，建模和网格划分困难，所以将桩基作为一个整体考虑，将刚度和密度进行相应折减，地上部分按施工经验，密度取为 433 kg/m3。对各地层进行参数赋值，施加z向重力加速度g=9.8m/s2，形成自重应力场，如图8所示。

图8 自重应力场Fig.8 Self weight stress field

（2）基坑开挖

第一步开挖 0.9 m，之后进行求解，开挖求解完成后添加钢支撑，因为基坑中钢支撑数量较多且截面较小，因此用FLAC 3D中的beam单元进行模拟，beam单元的材料为Q235钢，明挖区间beam单元的截面面积为0.0265m2，盾构井区间beam单元的截面面积为0.0303m2。添加钢支撑后再进行一次求解，至此第一步开挖模拟结束，之后进行下一步开挖，之后的开挖与第一步开挖过程一致因此不再赘述。第一步开挖以及第一道钢支撑如图9、10所示。

图9 第一步开挖Fig.9 Step 1 excavation

图10 第一道钢支撑Fig.10 First steel support

开挖至最后一道钢支撑后，进行最后一次开挖，开挖至底板底面位置，激活底板分组并赋予参数，至此基坑开挖模拟结束。最后一步开挖如图11所示。

图11 最后一步开挖Fig.11 Final excavation

3.3 结果分析

基坑开挖完成后，小区最大沉降值为 2.05 mm，发生在南方小区远离基坑一侧，靠近基坑一侧隆起0.81 mm，小区左右侧沉降差值为 2.86 mm，有向左侧倾斜的倾向，如图12所示，但形变值较小，无倾覆风险。

图12 南方小区Z向位移云图Fig.12 Z-direction displacement cloud map of South Community

开挖完成后小区桩基处有向基坑方向的位移，最大位移值为 3.88 mm。楼顶处有向远离基坑方向的位移，位移值为 0.026 mm，小区桩基与楼顶位移差值为3.906 mm，如图13所示，相差较小，无倾覆风险。

图13 南方小区X向位移云图Fig.13 X-direction displacement cloud map of South Community

4 结语

本文通过FLAC3D有限差分软件研究了隧道明挖段及盾构始发井施工对建筑物的影响，分析了基坑施工对邻近建筑物的影响规律。数值计算结果表明本基坑开挖对邻近建筑物沉降、位移及受力影响非常小，保证了邻近建筑物的安全，基坑开挖的施工方案安全可靠。