深基坑开挖对邻近既有住宅楼的影响分析

代 涛,颜 升,曾 琪

(1.武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉 430205； 2.中南财经政法大学，湖北 武汉 430073)

我国城市化建设已开始进入新一轮的发展期。为提升老城区城市品质、改善排水条件，越来越多的既有建筑面临着周边配套管网改造问题。由于施工场地紧凑、环境复杂，使得所需要开挖的基坑深度不断增加，施工和监测的难度也不断提高[1-4]。同时，这也加剧了基坑工程的安全风险和监测成本。基坑工程中常见的事故类型包括：支护结构的变形或破坏、基坑降水所引起的沉降以及由支护结构施工而引起的坑周地基或邻近建筑物的变形或破坏[5-7]。因此，如何降低成本、合理监测深基坑施工过程中对围护结构和邻近建(构)筑物的影响，及时制止事故的发生成为了当下研究的热点问题之一。

数值模拟分析常被用来预测和评价基坑在开挖过程中对周围地层、围护结构及邻近建(构)筑物的影响。丁士龙[8]采用PLAXIS3D研究了风井深基坑工程开挖对坑角外浅基础建筑的影响，并通过与现场监测数据的对比验证了模拟结果的有效性；徐建宁[9]基于PLAXIS研究了深基坑开挖对条形基础、箱型基础及桩基础的多层框架建筑物的影响，并通过SAP2000分析了不同框架结构层数对结构内力及重力二阶效应的影响规律；刘刚[10]基于MIDAS GTS NX对采用地下连续墙及内支撑支护形式的深基坑开挖过程进行了模拟，分析了不同开挖阶段周围地层和支护结构的变形特性；朱纯[11]采用有限差分程序FLAC分析了非对称基坑开挖对周边地层和邻近既有建筑变形的影响，并综合考虑施工条件，确定了最优开挖方案；汪智慧[12]采用ABAQUS研究了深基坑开挖对既有混凝土桥梁桩基的影响，讨论了旋喷桩加固方式对减小深基坑开挖不利影响的有效性。上述数值仿真分析能够直观并预测基坑开挖对邻近建筑物变形的影响趋势以及各结构应力发展的过程，有助于预先筛选出危险截面，从而提前部署工程实测，对于现场的施工具有良好的指导性。

本文以武汉市东湖开发区两湖泵站配套管网工程Y4工作井的深基坑开挖为研究对象，使用ABAQUS有限元分析软件建立施工影响区域内各结构和地层的实体单元模型，通过观察截面控制点位移和基坑围护结构应力发展情况，研究深基坑开挖对邻近76号居民住宅楼和围护结构可能造成的不利影响，提出相应的防护措施，保证邻近建筑物的安全以及管网工程的正常施作。

1 工程概况

武汉东湖开发区拟改造两湖泵站及周边配套管网工程，其中Y4工作井基坑邻近锦绣龙城D区住宅楼，与既有76号居民住宅楼接近，工程平面关系如图1所示。

76号居民住宅楼上部采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，平面尺寸31.8 m×17.5 m，地面以上总高33.6 m,基础形式为C30钢筋混凝土柱下独立基础，埋深2.1 m～2.3 m，长800 mm～2 800 mm，宽800 mm～2 800 mm，高300 mm～700 mm不等，基础持力层为黏土层。Y4工作井基坑深11 m，设计使用年限按1.5 a考虑，工程重要性等级为一级。管网基坑围护结构采用C30钻孔灌注桩加内支撑方案，桩长18 m。钻孔灌注桩桩顶设置C30钢筋混凝土冠梁，第一道设钢筋混凝土支撑，截面尺寸为800 mm×800 mm，距离基坑顶1.5 m处；第二道设Q235钢支撑，φ609 mm壁厚6 mm，距离基坑顶约7 m处，腰梁为2145c型钢腰梁。结合勘探结果及武汉市区域地质资料，在勘探孔所揭穿的深度范围内，场地地层自上而下划分为：素填土、硬塑黏土、强风化泥岩、中风化泥岩，各土层基本力学参数如表1所示，施工区域立面关系图如图2所示。

表1 基坑施工区域各土层基本力学参数

拟建场地勘察期间地表水主要为武汉市三环线南侧水塘水，水深1.20 m～1.40 m，水面高程25.12 m(85国家高程系统)；地下水主要为上层滞水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水地表水。地表水和地下水均对拟建工程影响不大。

2 数值模型建立

2.1 数值模型

Y4工作井作为盾构的接收井，其盾构区间线路与既有锦绣龙城76号楼轴向并不平行，符合立体模型的特点，通过分析Y4工作井基坑开挖与76号住宅楼结构的平面关系，使用ABAQUS有限元软件建立三维仿真模型，模拟分析Y4工作井基坑开挖支护对76号住宅楼的影响。以Y4井基坑和锦绣龙城76号住宅楼为主要计算对象，模型计算尺寸为120 m×105 m×30 m，建筑物与基坑按实际位置和结构方案建立实体模型。建筑物基础深度3 m，高度为33 m，基坑围护桩深度18 m，基坑深11 m。数值计算模型采用C3D8/C3D8R实体单元模拟，如图3,图4所示。模型前后左右边界固定法向位移，底部边界固定水平竖向位移，上部边界为地表自由面，自重荷载取重力加速度。

2.2 计算参数

土体和混凝土支护结构采用Mohr-Coulomb本构模型，材料参数根据勘察报告及相应规范选取；型钢支护结构采用完全弹塑性本构模型，材料参数按照工程设计方案中构件实际截面特性对比规范进行等效计算确定。各材料计算参数最终取值见表2。

表2 各结构计算参数

2.3 施工步设置

数值模拟按照以下步骤进行分析：先地应力平衡，然后进行锦绣龙城76号住宅楼施作，最后开挖基坑，比较基坑开挖过程中及完工后对锦绣龙城76号住宅楼的整体影响。整个计算过程分为11个施工步进行，如表3所示。

表3 施工步设置

3 模拟结果分析

3.1 位移结果分析

通过数值计算，得到各工况下整体模型各结构位移情况，选取其中不同位置处的控制点分析位移变化。选取的控制点位置如图5所示。经过初始地应力平衡、基础施作及主体建筑施作等施工步后，形成图6,图7所示的基坑施工前位移场，之后的基坑开挖变形分析基于此位移场。

将处在数值模型中不同结构截面的控制点进行划分。其中，位于住宅楼主体结构同侧的控制点所在截面为截面A；位于住宅楼主体结构与基坑围护结构之间的控制点所在截面为截面B；位于基坑围护结构同侧的控制点所在截面为截面C。各截面控制点在后续开挖步序下的位移变化曲线如图8所示，由于A截面建筑物上的控制点1和2的竖向位移几乎一致，因此在图8(a)中略去控制点2的竖向位移变化曲线。

由图中可看出，在基坑围护结构施作的过程中，数值模型中各截面控制点的竖向位移变化趋势相近，各控制点均在钻孔灌注桩施作时产生最大竖向位移并在后续施工步中有所回弹，随后在底板施作过程中又产生少量竖向变形。其中，钻孔灌注桩施作对截面B处的各控制点产生的影响最大，最终竖向位移在-0.335 mm～0.042 mm之内；对截面A处的各控制点产生的影响最小，最终竖向位移在-0.066 mm～-0.02 mm之内。

在位于截面A建筑物上的控制点1和2中，横向位移最大值出现在基坑开挖至11 m深时，为-0.119 mm(背离基坑方向)，且在该施工步下建筑物产生了最大倾角，为3.84×10-6，小于2/1 000。在后续施工步中，建筑物的倾角逐渐减小，直至底板开始施作，此时倾角又有所增大并最终稳定在1.97×10-6。该截面的其他控制点5,8,11均在腰梁支撑施作时产生最大横向位移，且以位于强风化泥岩中的控制点8位移最显著，为-0.368 mm。

位于基坑围护结构截面C上的控制点4在基坑开挖至-1 m时产生了最大横向位移，为0.641 mm，且在冠梁支撑施作完成后降低至0.240 mm；控制点7和10均在底板施作的过程中产生了最大横向位移，分别为0.45 mm和0.372 mm；控制点13在钻孔灌注桩施作过程中产生最大横向位移，此时的围护结构横向位移图如图9(a)所示，桩体的横向变形呈现出“鼓肚子”形态，在腰梁和底板施作完成后该控制点横向位移显著减小，如图9(b)所示。

位于中间土层截面B上的各控制点横向位移情况分别受到截面A和截面C的影响，除了灌注桩施作和底板施作对各控制点的较大影响外，基坑的初始开挖也对控制点3和6产生了较大的影响，但对其余两个控制点几乎不产生影响。该截面内控制点的最终横向位移在-0.363 mm～0.226 mm之间。

3.2 围护结构应力分析

围护结构在基坑开挖和支护施作过程中的应力发展情况如图10所示，从基坑施工开始至土体刚开始开挖时灌注桩在土压力作用下桩身应力自上而下逐渐增大，各部分应力分布均匀。随着基坑开挖的深入，开挖处土压力逐渐释放，坑外土体压力全部作用在围护结构上，桩身外侧应力开始明显大于内侧应力并呈现出条纹状向下延伸。在支撑结构施作完成后，桩身应力被重新分配并主要集中于腰梁支撑，各部分应力均未超过支撑结构80%的屈服强度，能够满足规范规定的标准限值，但在施工过程中应加强其变化速率的监测。

4 结论与建议

4.1 结论

1)Y4工作井基坑围护结构采用围护桩+两道横向支撑的支护形式，地下水处理措施为双管旋喷桩桩间止水。根据勘察提供的地质条件，施工场地水主要为地表上层滞水。考虑到上层滞水对本项目的影响较小，且设计对下部基岩裂隙水采取了双管旋喷桩桩间止水措施，Y4井实施中不会存在大范围降水，因此不考虑基坑降水条件下的影响。

2)Y4工作井基坑内边线距锦绣龙城76号住宅楼结构边线最近，为17 m。基坑主体结构与评估建筑物主体结构在空间位置上不存在冲突，根据两者的建设时序，锦绣龙城76号住宅楼已完工数年，沉降变形基本稳定。依据数值模拟结果，Y4工作井基坑开挖施工可能引起的既有76号住宅楼总体结构变形在相关规范规定的限值范围内。

3)基坑围护结构应力集中多产生在冠梁与腰梁及其支撑部位，各部分应力均未超过80%的屈服强度，能够满足规范规定的强度要求。而基坑工程的安全性由监控项目的累积限值和变化速率限值共同控制，因有限元技术尚无法实现对监测项目的变化速率进行仿真分析，因此还需要将工程实际实施中的各量变化速率严格控制在规范规定的限值范围内。

4.2 建议

1)基坑施工期间须遵循先监测后施工的原则，加强靠近建筑物侧的基坑变形、水位监测，监测数据需要及时反馈。对于可能影响到的住宅小区围墙采取保护措施，并对围墙坍塌可能对基坑开挖工程造成的安全风险采取预先防护措施。

2)基坑开挖施工时，应遵循分区、分块、分层、对称、限时的原则，及时反馈现场地质情况，进行信息化施工。当基坑开挖至坑底设计高程后，应及时施作垫层和井室底板结构，避免因坑底长时间暴露，增加影响基坑安全的风险。必要时在基坑内预留反压土，减小基坑土方开挖卸载产生的不利影响。