深基坑开挖变形控制及对周边建筑物影响的研究

2015-03-30钱德玲蒋玉敏

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年11期

张波，钱德玲，蒋玉敏

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

随着现代都市的发展，地面交通压力不断变大，为缓解交通压力同时减少噪音、粉尘的污染，地下空间开发成为当今社会不可逆转的发展趋势，因此，在复杂地质条件下进行基坑开挖，基坑变形控制以及对周边建筑保护是亟待解决的又一大工程难题，基坑工程设计常常由强度控制演变为变形控制。深基坑土体开挖必然导致周围土层移动，位移场与应力场的重新分布，导致基坑围护结构产生变形，对基坑自身安全与周边环境产生不利影响。复杂城市环境下深基坑工程在设计阶段就必须合理评估基坑施工对周边环境的影响，进而采取适当的技术措施以确保周边环境的安全。国内现行基坑设计规范所采用的竖向弹性地基梁法尚无法合理预测基坑施工土体变形及对周边环境的变形影响，不能适应基坑变形控制设计与变形预测的需要。随着计算机的仿真计算软件的发展，数值模拟成为基坑工程开挖前变形预测的有效分析手段。

本文结合南京江东路某段基坑工程，利用MIDAS/GTS有限元软件进行弹塑性分析［1］，研究基坑支撑轴力和围护结构的变形，并将模拟结果与现场监测数据进行对比分析，评价基坑设计和开挖方案的合理性，同时，论证了深基坑施工对周边建筑的变形影响及变形控制措施的有效性，为以后相关工程的设计与施工提供依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

某下穿通道是南京市江东路工程的一部分，主要穿某大街地段及路口。隧道起点桩号K2＋542，终点桩号K3＋010，隧道全长468m。其中隧道暗埋段长166m，北侧敞开段长151m，南侧敞开段长151m。隧道横断面为双向6车道，采用单箱两孔钢筋混凝土结构形式。隧道结构标准横断面宽度29.2m，高度7.7m。隧道基坑周长约1 015m，基坑面积约14 392m2，标准段基坑宽度29.2～33.6m，泵房管理用房位置基坑宽度35.1m，标准段最大开挖深度约10.2m（泵坑位置局部开挖深度约13.1m）。隧道采用明挖法施工，挖深小于2m采用重力式挡墙支护；挖深大于2m采用了SMW工法桩支护。基坑根据开挖深度不同设置1～3道支撑，第1道采用混凝土支撑，第2、3道采用φ609钢管支撑。

由于江东路某段基坑较深且土层及周围环境较复杂，因此选择此段为研究对象。该段基坑东侧为10层高的银城大厦，在基坑开挖影响范围之内。基坑围护结构为排桩＋止水帷幕，支撑结构为1道混凝土支撑＋2道钢支撑［2］。开挖步骤共分为4步，第1步开挖至1m，第2步开挖至5m，第3步开挖至8m，第4步开挖至10m。

1.2 监测方案

本段基坑最大挖深为10.2m，为二级基坑。为此，监测方案设计考虑了本工程的周围环境、基坑本身的特点及相关工程的经验，按照安全、经济、合理的原则。本工程监测项目如下：围护桩顶部垂直、水平位移监测，土体深层水平位移监测，支撑轴力监测等。监测频率：开挖期间1～4次/d，主体施工及回填期间1次/3d。监测点平面布置如图1所示。

图1 基坑监测点平面布置图

2 基坑开挖数值计算

2.1 模型的建立

计算采用岩土工程有限差分程序MIDAS/GTS。基坑1/2三维计算模型如图2所示。

图2 基坑1/2三维计算模型

由于基坑南北2段对称，因此选择1/2段基坑作为数值模拟研究对象，并且考虑到基坑开挖对周围土体的扰动，计算模型尺寸选择为140m×126m×34m（X×Y×Z）。地表为自由面，底面全约束，各侧面限制法向位移。土体及加固体采用实体单元［3］；围护桩按等刚度原则换算成为板单元计算；冠梁、混凝土支撑、钢支撑、钢围檩及立柱按梁单元进行计算；银城大厦换算成面荷载作用在土层上。计算模型中实体单元数为58 824，网格点为62 422。

场地50m深度范围内地基土呈层分布，自上而下一共分为6层，各土层物理力学性质指标见表1所列。

表1 计算采用的土层参数

2.2 分析步骤

开挖考虑初始应力，其具体开挖分析步骤如下：① 初始应力分析；② 结构施工及修建排桩；③ 第1步开挖；④ 设置第1道支撑；⑤ 第2步开挖；⑥ 设置第2道支撑；⑦ 第3步开挖；⑧ 设置第3道支撑；⑨ 第4步开挖；⑩ 底板施工；○11 主体施工。

3 计算结果及分析

3.1 内支撑轴力的分析

基坑内支撑直接约束围护结构的侧向水平位移，支撑轴力的大小也能直接反映围护结构的变形。由于其监测方式方便、快捷且精度高，内支撑轴力通常是研究基坑安全的重要指标之一。本基坑工程第1道混凝土支撑最大轴力2 018.8kN，小于报警值2 880kN；最大钢支撑轴力出现在第2道支撑上，最大单根支撑轴力模拟值为2 818.7kN，超出报警值1 280kN。其内力云图如图3所示。

图3 第1道钢支撑X方向轴力图

由分析以上结果可知，随着基坑开挖深度的加深，内支撑轴力呈不断增大的趋势。将监测数据和模拟结果对比：第1道混凝土支撑轴力监测点TZC3在第3步开挖结束时，实测值为1 922.7kN，有限元模型对应相同坐标的60 175号计算单元模拟值1 894.6kN，实测值在第4步开挖结束时出现了整个前期开挖过程中实测最大值2 107.3kN，模拟值为2 018.8kN；第1道钢支撑轴力监测点GZC3在第3步开挖后，实测值为1 986.5kN，有限元模型对应相同坐标的60 366号计算单元模拟值为1 924.8kN。钢支撑轴力实测值在第4步开挖结束后出现了整个前期开挖过程中实测最大值2 933.2kN，模拟值2 818.7kN。

综上对比可知监测数据与模拟值基本一致，支撑轴力随土体开挖不断增大，在底板施工完毕到主体结构施工期间，混凝土支撑轴力会有一定程度的减小［4］。TZC3测点支撑轴力随施工步骤变化的计算值与监测值对比曲线如图4所示。

图4 TZC3测点计算值与监测值对比

3.2 围护结构的分析

3.2.1 围护结构内力分析

围护结构内力是评价基坑安全的另一个重要指标，本基坑开挖至坑底后围护结构弯矩云图如图5所示，基坑围护结构弯矩出现正、负2个峰值，随着开挖的进行，到第4步开挖结束时，绕Y方向出现最大正弯矩为1 308.6kN·m/m，最大负弯矩模拟值为－1 142.3kN·m/m。由于基坑东侧围护桩受建筑物荷重的影响，弯矩大于西侧的围护桩。

图5 围护结构弯矩图

3.2.2 围护结构侧向位移分析

基坑开挖至坑底后围护结构整体X侧向位移如图6所示。基坑西侧围护桩最大侧向位移为31.5mm，东侧围护桩最大侧向位移为41.2mm。由于计算模型考虑了基坑东侧银城大厦的重力及超载作用，基坑东侧围护桩侧向变形稍大于西侧围护桩。

图6 围护结构X方向水平位移

基坑围护桩水平位移监测点东侧WY2和西侧WY4在不同的开挖阶段侧向位移也在随之变化。第1层土体为无支撑开挖，围护桩侧向位移和悬臂梁相似，桩顶位移较小。后续开挖阶段围护桩侧向位移随开挖深度的增加而不断变大，与此同时，围护桩的侧向位移最大值逐渐从桩顶处下移至桩体腹部，符合普遍规律［5］。东、西侧2测点墙体最大侧向位移分别为40.8、31.4mm，未超出报警值。

基坑开挖至坑底后监测点东侧WY2和西侧WY4侧向位移计算值与监测值对比如图7所示。可以看出，计算值与实测值较为吻合，围护结构侧向位移曲线形态也基本一致，验证了数值模拟计算方案的可行性和计算结果的可靠性，表明三维计算模型能准确合理地反应围护结构侧向位移的变形趋势，因此，进一步分析基坑开挖对周边建筑物沉降影响是可行的。

图7 围护结构侧向位移监测值和计算值对比

3.3 建筑物沉降分析

因基坑附近的银城大厦下部基础尚无法确定，计算模型暂不考虑建筑物下部基础，只对建筑物做沉降研究［6］。基坑开挖至坑底，从数值模拟结果可以看出，建筑物西侧靠近基坑一边沉降大于远离基坑一侧，最大沉降为11.2mm，位于建筑物西北角的CJ1，实测沉降为10.5mm，模拟值与实测值基本吻合。最小沉降是建筑物东南角CJ4，下沉7.2mm，与实测的6.6mm亦吻合。由于建筑物南侧开挖范围不大，北侧沉降普遍大于南侧，这也说明建筑物沉降受基坑开挖的影响较为明显，并呈现一定的规律性。建筑物沉降计算值随施工步骤变化如图8所示。

图8 建筑物沉降计算值

因为监测点CJ1比CJ3和CJ4离基坑更近，建筑物沉降监测点CJ1在第2步开挖后沉降为5.9mm，第3步开挖后增加到8.6mm，第4步开挖后达到最终的11.2mm，是建筑物沉降变化最快的一部分。CJ2在基坑开挖的过程中，虽然变化得也很快，但其更加接近于基坑的边缘，受到的扰动较小，所以沉降变化的速率还是小于CJ1。而CJ4离基坑最远，沉降变化速率也最小。根据建筑物沉降和监测数据分析［6］可知，建筑物的不均匀沉降是由开挖引起的，离基坑较近一侧沉降略大，而且沉降变化的速率也要快于远离基坑的一侧。

建筑物基础对应的部分围护桩侧向位移和内支撑轴力与建筑物沉降有一定的关联性，支护结构内力和位移的增大必然导致建筑物沉降增大。由于基坑支撑轴力和围护桩侧向位移的监测精度较高，监测的结果能在一定的程度上反映基坑开挖对周边环境的影响大小［7］，因此在基坑开挖的过程中要加强监测，一旦发现监测数据超出报警值，必须提前做好防护措施。