建筑密集区深基坑开挖施工中数值模拟分析的应用

□文/王 黎

建筑密集区深基坑开挖施工中数值模拟分析的应用

□文/王 黎

某深基坑工程施工场地狭小，周边紧邻主要街道和居民区，工程难度非常大。文章运用了数值模拟分析方法，在基坑西侧预留了土台，合理地利用了土体本身在开挖过程中控制变形的潜力，保证了深基坑开挖的安全。该工程表明，数学模拟分析方法可有效应用于深基坑开挖中。

深基坑；数值；模拟；建筑；密集

1 工程概况

1.1 项目概况

项目位于天津市河北区，占地面积16 162 m2；总建筑面积87700.13m2，其中地上建筑面积61 945.47 m2，地下建筑面积25 754.66 m2。基坑平面呈不规则形状，东西最宽处约为95 m，南北长约134 m，开挖面积约为1.06万m2，开挖深度为10.18 m；挖运土方约13万m3。地块北端为一栋21层高度＜100 m的办公楼及3层商业裙房，中部及南端为2栋35层高度＜100 m的高层住宅，东南角为一栋14层高度为40 m的高层住宅，场地建筑物之间为2层整体地下车库。

场地周边环境复杂，北侧紧邻城市主干道，东侧地下结构外边线距用地红线最近处为2.97 m，用地红线距城市次干道中心线仅7.7 m，地上有10 kV高压电线，地下有燃气管、给水管线、排水管、DN400 mm管道及电缆等众多管线；南侧一单位附属用房已贴近基坑外围水泥搅拌桩且该附属用房基础埋深不足30 cm；沿基坑西侧为5栋小区住宅楼，据基坑约7～10 m，均为20世纪90年代砌体结构建筑，高5～7层，基础埋深浅，约为2～3 m且房屋本身的自重偏心，其中A建筑已存在严重不均匀沉降变形，距基坑边仅6.9 m，周边建筑保护要求极高。

1.2 地质情况

建设场地属冲积、海积低平原。经场平后的标高约为大沽高程1.70 m（建筑相对标高-0.50 m），对基坑工程影响较大的土层分布在上部约20 m内。地层编号③2层粉质粘土为新近冲积层，仅局部分布，根据③2层粉质粘土的分布变化情况，全场地分为I、II两个区，Ⅰ区为正常沉积区，Ⅱ区为古河道分布区。

初见水位埋深2.50～2.90 m，标高-0.68～-1.06 m。静止水位埋深1.20～1.60 m，标高 0.35～0.25 m。表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。一般年变幅在0.50～1.00 m左右。该场地建筑物抗浮设防水位为大沽标高1.50 m。

⑧2层粉土为弱透水层，具有一定的承压性，根据地区经验，其承压水的水头高度约为大沽标高0.00 m。

正常沉积Ⅰ区上部④2、⑥3两层均为粉土层，透水性好，这两层粉土中水的渗漏，很容易给相邻砖混结构建筑物造成严重后果。

2 基坑支护及开挖设计

2.1 地下水控制设计

采用三轴搅拌桩止水帷幕隔水，规格为φ650 mm@900 mm，有效桩长14.50 m。基坑内部设φ500 mm无砂混凝土管大口井降水32眼，采用正循环工艺成孔，帷幕外观测井13眼，井深均15.0 m，在基坑西侧建筑密集区域补加观测井3眼。观测井采用φ100 mm铁管。

2.2 支护工程设计

围护桩的规格为 φ750 mm@1 000 mm，有效桩长16.80 m，嵌固深度8.40 m；主筋根数22φ22 mm。针对基坑周边建筑密集区域，围护桩采用φ800 mm@1 000 mm，有效桩长18.80 m，嵌固深度10.40 m；主筋根数28φ22 mm。采用一道水平环形混凝土内支撑系统，环梁截面为1 000（1 400）mm×800 mm，强度等级 C35 混凝土支撑。配合72根钢格构立柱，规格为460 mm×460 mm×12 mm。

在底板、地下二层楼板处分别设置换撑传力带，以便地下车库-5.00 m楼板完成后可以拆除环形内支撑。

由于周边一些建筑物对于沉降极为敏感，为合理利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力，以达到控制坑周地层位移以及保护周边环境的目的，在基坑西侧对应沉降敏感的A建筑处预留土台，土台上部宽度5.00 m，自-5.00 m向下放坡1∶1.2至基底标高。土台表面设60 mm厚强度等级C20喷射混凝土挂网护面，钢筋网为φ6 mm@200 mm双向，见图1。

图1 西侧预留土台方案

3 基坑开挖过程模拟分析

3.1 基坑水平位移计算

为确保施工的合理性，采用启明星软件对是否预留土台2种工况下环形钢筋混凝土内支撑体系的水平位移进行计算，见图2和图3（仅列出位移＞8 mm的数据）。

图2 西侧无土台开挖至基底标高水平位移

图3 西侧预留土台开挖至基底标高水平位移

由图2和图3可以看出，在无土台的情况下，基坑西侧平均位移约为14 mm，而东侧位移则不足8 mm；预留土台后，基坑西侧位移不足8 mm，而东侧平均位移则有明显的增加，大致为16 mm。这说明预留土台可以有效地限制支护结构水平位移的发展，减少基坑开挖对西侧既有建筑物基础的变形，降低施工对其的不利影响。

3.2 基坑开挖数值模拟

为更清楚地了解基坑开挖过程对周边建筑物基础的影响，采用岩土有限元软件PLAXIS对拟开挖基坑的2种工况进行分析，主要选择了最不利位置A建筑进行分析，计算时采用的是二维模型，见图4。

图4 有限元模型

图5是不留土台情况下，基坑挖至-10.18 m深度时的变形，为便于观看，将其变形放大100倍。A建筑物发生较大的倾斜，其基础底部及右侧的土体发生较大的变形，挤压基坑的支护桩，使桩身发生较大的弯曲变形。

图5 无土台开挖至-10.18 m时的基坑变形

图6是预留土台后，基坑挖至-10.18 m深度时的变形。A建筑的沉降较小，没有发生严重的倾斜，其基础底部和右侧的土体变形较小，而由于支护桩的右侧有土台的作用，桩身发生的弯曲变形较小。

图6 预留土台开挖至-10.18 m时的基坑变形

另外，由图5可以看出，无土台情况下，A建筑最大沉降为18.00 mm，最大水平位移为4.44 mm；由图6可以看出，有土台情况下，A建筑最大沉降为6.32 mm，最大水平位移为2.55mm。由此可见，有无土台的存在，对A建筑的基础变形影响极大。

图7是2种基坑开挖方案支护桩的水平位移对比。预留土台时，桩身的最大水平位移为11.6 mm，而直接开挖桩身的最大水平位移为26.1 mm，这表明预留土台的方法可以极大减小桩身水平位移，从而减小对所支护土体的变形和沉降的影响。

图8是2种方案下A建筑墙后地表的沉降对比。直接开挖时，墙后地表最大沉降量为18 mm，而预留土台开挖的最大沉降量为6.2 mm，表明预留土台可以有效控制A建筑物墙后地表的沉降，从而防止A建筑在开挖过程中出现较大的倾斜。

4 施工要点与控制措施

4.1 挖土施工

由于基坑面积较大，形状不规则，水平支撑体系以两大环梁为主要支撑构件，整体刚度不太大，基坑开挖对支撑内力、变形影响较大。因此，开挖前对施工现场平面布置、开挖施工技术路线、环境保护措施等进行了反复分析论证并加强对开挖过程中监测数据的及时分析，适时调整开挖进行和顺序，保证基坑开挖过程中支撑体系的均衡受力和变形。

第一步，土方开挖施工中。为确保西侧居民住宅楼的安全，在对称、平衡开挖原则下，采取先开挖东侧、北侧土方，再开挖南侧、西侧土方的挖运顺序，利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力，有效减少了西侧、南侧冠梁顶部的位移。待其他区域基础底板施工完毕后，组织专家对土方开挖过程中的监测数据进行分析评估后，再对西侧预留土台进行开挖，通过南侧大门将土方运出场外。

第二步，开挖基坑西侧预留土台。为有效控制因基坑地基土卸载坑底原始应力状态改变，土体的弹性效应使基坑底面产生一定的回弹变形(隆起)，经计算分析，将该区域基础混凝土垫层厚度增加到通常做法的3倍且坑底支撑混凝土挡墙与基础混凝土垫层一同浇筑施工，形成一整体。

4.2 基坑及周边环境变形监测控制

从基坑降水施工开始到土方挖运完毕，加强基坑支撑体系、周边道路、地下管线、周边建筑物的变形情况监测，建立信息共享平台，每天及时上传监测数据。密切注意帷幕渗漏情况及坑外水位的变化情况，遇有异常情况立即采取措施。

1）支撑体系水平位移监测。在支撑环梁（共布设18个观测点）及冠梁（布设28个观测点）上分别布设水平位移监测点，在基坑开挖过程中每天监测1次，雨后加测1次。

2）支撑体系垂直位移监测。利用高程监测方法对支撑环梁及冠梁上的观测点进行监测，监测频率为每天1次。

3)周边建筑物沉降变形监测。对基坑开挖深度1.5倍距离范围内的建筑物进行沉降变形监测。从基坑土方开挖到全部土方挖运完毕（含基坑西侧预留土台），西侧预留土台处周边对应A住宅楼监测数据。

各个测点的沉降量较小，平均沉降量在7 mm左右，满足施工要求。

5 结语

经近4月的开挖，基坑土方挖运施工完毕，其周边住宅小区预留土台处对应A建筑物的平均沉降量在7 mm左右，累计最大沉降量仅为13.24 mm；冠梁水平位移累计最大值为29.3 mm，均在设计及规范要求的警戒值范围内，完全达到预期效果，实现了预期目标。通过数值方法对基坑工程的施工工况进行模拟分析，通过预留土台，利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力，同时，密切加强施工过程中的基坑支撑体系及其周边环境监测，适时调整开挖进程和顺序，进而采取相应的施工控制措施，可有效降低基坑开挖施工风险值，对软土深基坑开挖有较好的借鉴意义。

TU473.2

C

1008-3197（2013）05-10-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.004

2013-06-04

王 黎/男，1960年出生，高级工程师，天津市河北区建设工程质量安全监督管理支队，从事工程质量监督管理工作。