深基坑開挖對支護結構及既有建筑物的影響分析

李忠爽 胡永健

(中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074)

1 概述

隨著城市的建設發展，深基坑工程項目的周邊環境日益復雜。深基坑土體開挖引起坑底土體的卸荷，周邊土層的位移場和應力場發生變化，對周邊環境既有建筑產生相應的附加應力和位移。如果附加應力及位移超過建筑物的允許值，常常造成建筑物的破壞，引起相應的工程事故。近些年來，在北京、廣州等城市均發生過由于基坑開挖引起臨近建筑物失效或破壞的事故，給社會造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，精確評估基坑開挖對周邊環境影響效應尤為重要。

前人對基坑開挖的研究成果較多，但大部分論文重點研究的是基坑自身的穩定性，支護結構的變形及其受力等方面;對臨近建筑物的影響分析更多的是依賴于數值模型而得到的結論，用實際監測驗證結果合理性的成果較少。

本文以武漢市某基坑工程為例，探討了深基坑開挖對支護結構及既有建筑物的影響規律。在施工期間對基坑和周邊環境進行了動態監測，并將監測結果與數值分析結果進行了對比分析，可為類似工程的設計和施工提供借鑒。

2 工程概況

2.1 項目簡介

擬建建筑物由1棟26層辦公樓、5層商業裙樓和外擴3層地下室組成?；訛樾螤畈灰巹t的4層地下室深基坑。該基坑開挖深度為20.42 m，主樓處開挖深度為21.37 m?；娱_挖面積約13 240 m2，基坑周長約511 m。

2.2 工程地質與水文地質條件

本場區地層自上而下土層分別為:第①層雜填土，全場地分布，層厚1.2 m ～8.4 m，平均層厚2.33 m;第②層粘土，局部相變為粉質粘土，層厚2.5 m ～5.6 m，平均層厚4.15 m;第③層粘土，含有薄層的粉土、薄層粉砂，局部為淤泥質粘土，全場地分布，層厚1.5 m～4.8 m，平均層厚3.44 m;第④層粉細砂與粘土互層，以粘土為主，層厚0.9 m ～7.4 m，平均層厚2.48 m;第⑤1層粉細砂，夾有薄層的粉土及塑性較好的粘土，層厚為7.6 m～18.8 m，平均層厚 14.04 m;第⑤1a層粘土，層厚 0.8 m ～2.6 m，平均層厚 1.16 m;第⑤2層粉細砂，局部夾有中粗砂，層厚17.1 m～23.6 m，平均層厚 20.12 m;第⑤2a層粘土，層厚 0.7 m ～3.2 m，平均層厚 2.07 m;第⑥層卵石，主要成分為石英砂巖、砂巖及灰巖等，層厚5.2 m～7.9 m，平均層厚6.95 m;第⑦1層志留系墳頭組(S2f)強風化粉砂質泥巖，層厚0.4 m～2.7 m，平均層厚1.49 m;第⑦2層中風化粉砂質泥巖，未見洞隙，層厚 1.7 m ～3.4 m，平均層厚2.42 m。

2.3 支護方案

經過分析計算和方案論證，最終確定支護方案為:鋼筋混凝土地下連續墻(兼作地下室外墻)+鋼筋混凝土內支撐梁(板)作為基坑支護體系及止水帷幕。地下連續墻厚度1 000 mm，地連墻內側擬設鋼筋混凝土內襯墻。在連續墻的槽段接縫處設置袖閥注漿管，內外側布置攪拌樁，接頭處設置高壓旋噴樁，并結合降水井作為降止水的綜合處理措施。

2.4 監測方案

按照設計要求，周邊環境監測內容包括:建筑物沉降及道路沉降。監測工作自地下連續墻施工到基坑內支撐的拆除。部分監測點布置如圖1所示。

圖1 部分監測點布置示意圖

按照GB 50497—2009建筑基坑工程監測技術規范規定以及監測合同要求，監測預警值如表1所示。

表1 監測預警值

3 監測數據分析

建筑物的沉降時程曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著基坑開挖周邊建筑物沉降累積量逐漸增加，最大沉降量為11.4mm，不均勻沉降較小，最大不均勻沉降為0.97 mm。沉降數據沒有達到預警值，表明采用地連墻+內支撐的支護形式可以很好地減少基坑開挖對周邊環境的影響。

圖2 建筑物沉降—時程曲線

4 數值模擬成果分析

利用ABAQUS有限元軟件模擬基坑開挖全過程施工，探討土體卸荷對基坑支護結構及周邊環境的影響規律。

4.1 計算參數

考慮到深基坑平面面積廣大以及形狀的不規則性，三維建模不易實現，采用最不利基坑剖面以及最不利地層剖面的組合建立數值模型。深基坑的尺寸為136 m×80 m，基坑開挖深度為20.42 m;地下連續墻寬度為1m，總長度為56m，插入基坑開挖面以下 35.6 m;坑內設4 道支撐，分別距地表3 m，7.7 m，12.4 m 和17.1 m。建立如圖3所示的有限元模型。選用多孔彈性模型(Porous Elasticity)和臨界狀態塑性模型(Clay Plasticity)聯合使用模擬粘土的受力變形特點;其余土層選用摩爾庫侖模型。

圖3 有限元模型示意圖

土體、地連墻及建筑物用CPE4平面應變單元模擬;支撐的主要作用是限制土體向基坑內部位移，故假設支撐是剛性的，采用位移約束的條件來實現。模型左右邊界選用位移/轉角約束，限制水平方向上的位移;模型底部約束水平及豎直兩個方向上的位移。土體開挖分10個分析步，每步開挖深度依次為3 m，4.7 m，4.7 m，4.7 m和3.32 m。數值模擬中不考慮坑外地表有超載存在。計算參數如表2所示。

表2 計算參數

4.2 有限元模型的檢驗

ABAQUS軟件中可以采用用戶子程序自定義土體初始孔隙比的變化規律。土體的初始孔隙比隨深度變化如圖4所示，與室內壓縮試驗結果規律相一致。證明了ABAQUS嵌入子程序的合理性。

圖4 初始孔隙比隨深度的變化

在有限元模型中，提取監測點處沉降時程曲線如圖5所示。由圖5可知，模擬的建筑物最大沉降為11.79 mm，與實際監測結果相差不大?；娱_挖過程(“kw”代表開挖過程)，建筑物沉降變化較大;添加內支撐過程中(“zc”代表支撐)，建筑物沉降有所增加，但增加量較小。證明數值模擬成果是符合基坑實際變形過程的。

4.3 基坑開挖對支護結構影響分析

圖6給出了地連墻的水平位移隨開挖過程的變化。kw1～kw5對應于基坑的5個開挖步，這里規定墻體向基坑內側移動時水平位移為正。深層水平位移最大值為22.57 mm，小于預警值，對應于地面以下26.3 m處。由圖6可以發現，隨著開挖的進行，地連墻的水平位移呈現墻底和墻頂變形較小，墻身變形較大的趨勢。隨著開挖的進行，最大水平位移點逐漸下移，這是由于開挖引起地下連續墻兩側的土壓力差增大，坑底沒有支撐約束，因而最大水平位移點下移。

圖5 監測點沉降—時程圖

圖6 地連墻深層水平位移隨深度的變化

圖7 給出了地連墻的軸力隨開挖過程的變化曲線。圖7中，kw1～kw5對應于基坑的5個開挖步，以拉為正。墻身軸力沿墻身自上而下先增大后減小，這是由于墻頂一定范圍內地基土較疏松，導致墻土接觸面法向應力較小，側摩阻力無法發揮，墻身中性點處與土體相對位移接近于零，軸力最大，中性點以下為負摩阻力，又削弱了樁身軸力。

圖7 地連墻墻身軸力隨時間變化圖

圖8 中給出了基坑開挖過程中地連墻墻身彎矩的分布情況。由于墻身彎矩主要受土體側向位移的控制，因此隨著開挖過程的進行，土體側向位移逐漸增大，墻身彎矩逐漸增加。

圖8 地連墻墻身彎矩隨時間變化圖

4.4 基坑開挖對建筑物的影響分析

圖9 中給出了基坑開挖過程中墻后地表位移的變化規律。由圖9可知，基坑周圍地表總體呈沉降趨勢，最大值為7.75 mm。墻后地表出現較明顯的沉降槽，在距墻體0 m～20 m范圍內。開挖影響墻后地表的最大范圍約為2倍的開挖深度。

圖9 墻后地表沉降示意圖

5 結語

本基坑開始土方開挖至基礎底板澆筑完成，整個基坑支護體系未發生破壞，保證了基坑的支護結構及坑外周邊環境的安全。

1)ABAQUS數值模擬結果與現場實際監測數據較為吻合，表明ABAQUS軟件可以較好模擬深基坑開挖全過程;多孔彈性模型(Porous Elasticity)和臨界狀態塑性模型(Clay Plasticity)聯合使用可以較合理地模擬粘土的受力變形特點。

2)深基坑開挖過程中，地連墻的最大水平位移為22.57 mm，小于預警值，對應于地面以下26.3 m處;基坑周圍地表總體呈沉降趨勢，最大值為7.75 mm。表明地連墻+內支撐的支護形式可以很好地控制支護結構以及周邊地表土體的變形，保證施工及既有建筑物的安全。