深基坑开挖对临近建筑影响研究

冯世开,李大路，王 飞

（中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050200）

基坑工程是传统的涉及广泛的岩土工程课题，不仅涉及到土力学的相关知识，还涉及到了结构力学和机械工程等学科的相关技术。基坑开挖不但对自身的变形和应力场有影响，还对周围环境具有较大影响[1-3]。对于基坑工程的变形规律，霍润科[4]通过分析基坑监测数据，得出了基坑墙体最大侧向位移与隆起安全系数有关；刘念武[5]通过分析基坑监测数据后得出了支护结构的侧向位移发展规律；祝文化[6]通过分析基坑建设，提出坑外荷载对沉降影响大而对侧向位移影响小的结论。基坑开挖会改变地基土中应力场分布和渗流坡度，从而改变地基土的变形，间接影响临近建筑物基础的变形，严重时会使临近基础发生倾斜甚至建筑倒塌[7-9]。周沈华[10]通过分析影响基坑变形的主要因素和周边地表的影响范围，提出了地表沉降的计算式；应宏伟[11]等对软土基坑工程进行了二维有限元分析，并把土体的固结效应加以讨论；陈昆等[12]通过数值模拟提出了基于强度折减法的基坑周围环境的安全系数实用计算方法。本文基于实际工程监测数据进行分析，采用三维数值计算和监测数据相结合的方式，分析了基坑工程对邻近建筑物安全影响的主要影响因素，为基坑工程安全开挖提供参考。

1 工程概况

拟建长沙市某隧道工程，分为南北双线，南北线各设置一座接收井，分为4条匝道，本文基于D匝道基坑工程及邻近房屋变形进行监测、分析及研究。该基坑工程宽10.8m，深16.6m。基坑主体施工方式为明挖法，采用分段分层的方式进行开挖，基坑范围内降水采用基内降水法，支护结构采用转孔灌注桩及钢板桩和内支撑的结构支护。

根据地质勘探报告，施工及影响范围内地层主要由人工堆积物、粉质粘土、粉质砂土和粉质粘土组成。该工程范围内地貌为典型的河流侵蚀地貌，工程地质和水文地质复杂。该工程范围内地层分布自上而下如表1所示。

表1 基坑范围地层分布

2 基坑工程临近建筑物沉降、倾斜监测

为研究基坑工程对周围环境的变形影响，在临近建筑物相应位置设置变形监测点以监测临近基坑的建筑物在施工期间的沉降及倾斜，共设置监测点6个，如图1所示。

图1 临近建筑物监测点布置图

3 深基坑工程临近建筑物变形分析

依据监测点所得数据，以时间为横坐标，累计沉降量为纵坐标绘出临近基坑建筑物沉降发展曲线如图2和图3所示。根据沉降发展曲线，1号建筑的最大沉降为5mm，最小累计沉降为3.8mm，日最大沉降为2.5mm。2号建筑物的最大沉降为4mm，最小累计沉降为2.5mm，其中日最大沉降量为2.48mm。

图2 测点S1-S3沉降发展曲线

图3 测点S4-S6沉降发展曲线

对比两个建筑物的沉降量，可知在其他施工变量一致时，离基坑较远的2号建筑的最大沉降显然小于距基坑较近的1号建筑，这是因为建筑物自重的作用，使建筑物受到自基坑工程影响时其扰动将会放大，使基坑工程的影响范围内，建筑物沉降和与基坑的距离呈现出负相关的特性。

从1号建筑各个监测点沉降发展曲线可知，在施工前几天，建筑的沉降发展模式基本符合整体沉降，然而随后1号建筑物表现出与基坑方向相反的倾斜趋势，然后这种倾斜趋势进一步发展，最后趋于平缓。不同建筑物的沉降曲线在监测的后期产生明显波动，这是因为基坑回填土过程中拆除了支撑结构所导致的。

4 深基坑工程对临近建筑物变形数值模拟分析

为分析基坑变形及与周边环境关键控制因素，利用有限元软件FLAC3D，建立基坑工程、支护结构及周边环境的数值模型，对砂卵石基坑整体工程变形及其对临近建筑物变形影响进行分析计算。

为减小边界效应对模型的影响，模型底部边界与上边界距离为60m，三维计算模型中取基坑尺寸为100m×11m×17m，模型的整体尺寸为250m×120m×60m。模型中的土层采用8节点六面体单元模拟，为减小计算时间，对靠近基坑的土体采用网格密集化处理，而靠近边界的网格则更为疏散。

4.1 本构模型及工况设置

本模型计算旨在对基坑开挖引起的临近建筑物变形进行初步探究，结合前人研究，选取土体的本构模型为摩尔—库伦本构模型，该模型也是经常用于模拟实际土体变形及受力情况的土体本构模型，土体的变形包括剪切变形、拉伸准则以及弹塑性理论等。

为分析基坑加固情况对临近建筑物的变形影响，结合实际基坑工程，共设置了两种工况，分别为基坑围护墙与建筑物之间的土体不进行加固和进行加固处理，基坑采取转孔灌注桩地连墙支护，在实际工程中土体具有加固措施。

4.2 测点布置

为研究匝道基坑开挖对临近建筑物的影响，本计算模型的监测点以基坑工程实际监测点布置为准，如图1所示，共有6个数值模型监测点。

4.3 建筑物倾斜分析

未采取土体加固措施的情况下，基坑监测点侧向位移曲线如图4所示。在基坑开挖前期，监测建筑物并无发生明显的倾斜现象，当基坑开挖到一定阶段后，最大倾斜量发展到11mm，而在基坑开挖后期，建筑物的倾斜进一步发展，达到了25mm，该值已经接近建筑物警报值。

当土体采取加固措施时，基坑开挖所引起的临近建筑物监测点倾斜曲线如图4所示。在基坑刚开始开挖的前期，建筑物并无明显倾斜发生，当基坑开挖进行到一定阶段后，建筑物发生了反方向的倾斜现象，最大倾斜量在1.0mm左右，而在基坑开挖后期，建筑物倾斜量进一步发展，达到了20mm。对比基坑加固或不加固两种工况，可知当土体具有加固措施时，建筑物的倾斜有明显的减小趋势，倾斜量得到了有效的控制。

图4 不同工况下测点S1倾斜发展曲线

4.4 建筑物沉降分析

当土体采取加固措施时，基坑开挖引起的临近建筑物沉降曲线如图5所示。在基坑开挖的前期，建筑物的沉降值出现较大波动，测点最大沉降为2mm，当基坑开挖进行到一定阶段后，测点最大沉降为12mm，当基坑开挖进行到后期时，最大沉降量高达52mm。

当土体未采取加固措施时，基坑开挖引起的临近建筑物沉降曲线如图5所示。可以看出在基坑刚开始开挖的前期，建筑物的差异沉降就开始出现，最大沉降量为1.2mm，当基坑开挖进行到一定阶段后，最大沉降量为8mm，当基坑开挖进行到后期时，最大沉降为45mm，曲线为平缓型，建筑物沉降最大值在安全范围内。

图5 不同工况下测点S1沉降发展曲线

根据两种工况的对比分析，可知土体加固均有利于建筑物的倾斜和沉降控制，而且在基坑开挖的过程中，土体加固也使临近建筑物的变形发展更趋于平缓。

5 结论

本文为分析深基坑开挖对临近建筑物的影响，结合实际工程，采用监测数据分析和有限元模拟等方法，得到以下结论：

（1）对比两个距离不同的相邻建筑物沉降曲线，可知距离较近的建筑物比较远者的沉降发展要更明显，这是由于桩的施工、基坑开挖和支护拆除等对施工工序对距离较为敏感的缘故；

（2）当土体未加固时，基坑开挖会引起相邻建筑物的倾斜和沉降等变形影响，且随着开挖不断进行，这种变形趋势愈加严重；

（3）对比土体加固和未加固两种工况，可知土体加固可以提高土体的局部稳定性，有利于土体和临建建筑物的变形控制。