地铁深基坑开挖对紧邻建筑影响的有限元模拟与监测研究

杨卓　吴剑波　赵一臻　李兵　都建昌　谭潮永

摘要：以临近北京地铁朝阳门站深基坑某高层建筑为背景，采用有限元分析软件PLAXIS建立了考虑位移场、渗流场情况下的深基坑开挖对临近高层建筑影响的三维数值模型，对工程降水、基坑开挖引起的高层建筑变形与沉降进行了分析计算，并结合实测数据探讨了基坑和高层建筑相对位置与开挖深度对地基基础的卸载或加载作用。结果表明：数值计算结果与实测结果比较接近，可为深基坑开挖对周边环境的影响分析及类似工程提供参考。

关键词：基坑开挖；地铁车站；数值模拟；影响分析；监测分析

中图分类号：TU375.4文献标志码：A

Abstract： Taking a highrise building of deep foundation pit surrounding Chaoyangmen subway station in Beijing as background，a threedimension numerical model with considering displacement field and seepage field was established using finite element software PLAXIS to simulate the influence of deep foundation pit excavation on adjacent highrise building. The deformation and settlement of highrise buildings caused by dewatering and foundation pit excavation were analyzed and calculated. Combined with the actual data， the loading and unloading effects caused by the relative location of pit and highrise buildings and excavation depth were discussed. The results show that numerical simulation results are close to actual data， which provides a reference to analysis of surrounding environment change caused by deep foundation pit excavation and similar engineering.

Key words： foundation pit excavation； subway station； numerical simulation； influence analysis； monitoring analysis

0引言

随着中国地下空间的开发利用及快速轨道交通的高速发展，在城市中心密集区遇到越来越多的深基坑工程，因为地铁车站深基坑的开挖容易引起周围地表的沉降，因此针对地铁深基坑开挖与紧邻既有建筑之间相互影响的研究越来越多[12]。在地铁车站施工过程中保证紧邻高层建筑安全具有十分重大的实践意义。

由于地铁车站深基坑与紧邻高层建筑相互影响的复杂性，一般很难通过解析解求得由地铁开挖引起的结构变形量。因此，本文以临近北京地铁朝阳门站深基坑某高层建筑为背景，基于有限元分析软件PLAXIS建立了考虑位移场、渗流场情况下的深基坑开挖对临近高层建筑结构影响的三维数值模型[3]，深入研究了基坑开挖引起临近高层建筑结构变形、沉降、稳定性等问题，并将动态监测结果与数值分析结果进行了对比，探讨不同工况下的高层建筑地基基础的受力特性，为地铁基坑开挖对临近既有高层建筑的影响分析提供参考。

1工程介绍

1.1工程概况

高层建筑位于北京市朝阳区朝阳门立交桥西北角，东邻东二环路，南邻朝内大街。该大楼总建筑面积约为96 340 m2，总高度为80 m，其中塔楼18层，裙楼3层，设3层地下室，基础埋深-16.5 m。大楼平面形状近似为三角形，结构采用单跨框架剪力墙体系，基础为筏板基础。

拟建北京地铁6号线朝阳门站临近高层建筑，其1号换乘厅位于高层建筑东侧的绿地内，拟采用明挖法施工，基坑长度为53 m，宽度为23 m，深度为31 m，基坑支护采用护坡桩内支撑体系。基坑边缘距离高层建筑地下室结构外墙最近处仅为4.7 m。地下水控制拟采用管井降水方案，降水运行时间长达3年。由于1号换乘厅基坑距离高层建筑结构外墙近，开挖深度远低于高层建筑基础底面，特别是降水深度深，运行时间长，对高层建筑形成潜在的风险。

1.2工程地质与水文条件

高层建筑所在场地位于北京城区东部平原地区，地面自然标高在42 m左右，为永定河冲洪积扇的轴部，所处地貌类型主要为古金沟河故道。按地层沉积年代、成因类型，本工程场地可划分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层三大层。场地内第四纪冲洪积覆盖层厚度为200～300 m，场地地层岩性构成由碎石类土、砂类土渐变至以粘性土、粉土为主的交互地层。各土层主要物理力学参数如表1所示。

根据地勘报告，场地内从上到下分布有上层滞水层、潜水层和承压水层。上层滞水层的埋深为2.9～5.9 m，潜水层的埋深为12.3～15.8 m，承压水层的埋深约为22.3 m，其水头埋深约为19.3 m。场地上层滞水层主要受大气降水及场地地下管道漏水的影响，因此不同季节、不同部位的水位起伏变化明显。潜水层由于上覆土层隔水性较差，能接受一定的大气降水补给，但主要接受水平方向地下水的径流补给，水位变化幅度不大。

1.3基坑支护方案

主要设计参数：

（1）基坑长53 m，宽23 m，换乘厅浅基坑深约16.7 m，深基坑深约31.2 m。

（2）换乘厅西侧结构外皮距离中海油大厦地下结构外墙最近处约为4.7 m。东侧和南侧临近多条表1各土层物理力学参数

Tab.1Soil Mechanical Parameters土层编号底面标高/m土层名称重度/（kN·m-3）粘聚力c/kPa内摩擦角φ/（°）渗透系数/（mm·d-1）140.06粘质粉土17.088.00.052139.32粉质粘土20.31515.00.05335.66砂质粉土20.51532.00.50433.62砂质粉土、粘质粉土20.2931.10.50528.99细砂、粉砂20.5032.05.006127.82细砂、中砂20.0035.010.00623.79卵石、圆砾21.5040.0100.00716.09粉质粘土、粘质粉土20.52416.00.05810.06卵石21.5045.0120.0096.45粘土、重粉质粘土18.53015.00.05101.50卵石21.5045.0150.00111-2.11砂质粉土、粘质粉土21.41126.50.5012-7.11重粉质粘土、粘土19.63015.0大管径雨水、污水等管线。

（3）基坑支护采用护坡桩内支撑体系，浅基坑护坡桩直径800 mm，间距1.4 m，嵌固深度10 m，深基坑护坡桩直径1 000 mm，间距1.5 m，嵌固深度8.0 m；内支撑共6道，换撑1道，除第1、第2道支撑采用Φ609X16钢管外，其余均采用Φ720X16钢管，支撑间距一般为2.7 m。

（4）基坑开挖前，需对基坑与高层建筑间的土体进行注浆加固，开挖至第3道支撑位置前对浅基坑基底下土体进行注浆加固，加固后土体无侧限抗压强度需大于0.8 MPa。

基坑支护桩型主要有3种：A型桩、B型桩与C型桩。A型桩临近高层建筑，支护深度从自然地面起，至-16.73 m。B型桩基坑开挖深度从-16.73 m起，至-31.18 m，护坡桩桩顶高接近中海油大厦基地位置，水平距离最近距离中海油大厦地下结构外墙9 m。C型桩基坑开挖深度从自然地面起，至-31.18 m，位于远离中海油大厦的基坑东侧。2地铁基坑开挖对高层建筑影响的数值分析2.1分析方法与模型的建立

根据地铁基坑支护方案、场地地质条件、高层建筑资料，采用有限元分析软件对地铁基坑和临近高层建筑进行精细模拟计算，分别模拟了基坑开挖、工程降水引起的高层建筑变形与沉降。考虑到实际工程的复杂性，数值分析中对该问题进行了合理简化，即采用二维平面应变模型在高层建筑与基坑绝对距离最小处选取单位宽度截面按照平面应变条件进行分析计算。计算工具用荷兰Delft大学研制开发的PLAXIS数值计算软件，该软件是土工类专用有限元数值分析软件，能较好地模拟土体的力学行为。

2.2本构模型与施工工况

计算中土体采用HardingSoil本构模型[4]，它是以经典的塑性理论为基础的屈服面模型。它的弹性部分采用了合理的双刚度，即加卸载模量分别定义，且考虑了土体的压硬性。塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，可以较好地描述双曲线形式的应力应变关系和土体的剪胀性，其中混凝土支撑采用Beam单元模拟[5]，地下连续墙采用Plate单元模拟，锚杆自由段采用NodeToNode Anchor单元模拟，锚固段采用Embedded Pile单元模拟[6]。高层建筑沉降有限元模型见图1。

3.2高层建筑水平方向监测结果

地铁开挖期间对高层建筑地下室外墙水平和垂直变形进行了自动化监测，图12为高层建筑地下室外墙水平位移实测结果。从图12可知：地铁深基坑的初期支护桩施工对高层建筑地下室具有加载效果，使得外墙墙体发生远离基坑开挖方向的位移，但是位移很小，最大位移为0.45 mm；随着基坑开挖深度的增大，施工对开挖面以下土体产生垂直方向卸载作用并对侧向土体产生水平方向卸载作用，水平卸载作用随深度的增加而加大，卸载引起土体回弹，使地下室外墙向支护方向产生位移，当基坑开挖至第3道支撑时，发生最大位移，最大位移为-2.75 mm；继续施工后，位移变化趋于平稳，分析主要是由于桩加支撑的支护体系支撑刚度大，控制变形效果好。

4结语

（1）本工程按原设计施工，正常情况下支护强度满足要求；地铁深基坑降水沉降影响不容忽视，沉降引起的地表土体沉降最大值约为15 mm。

（2）从模拟结果看，高层建筑一侧由于采用了上下两排的护坡桩，并且建筑基地距离B型桩相对较远，加之支撑刚度大，基坑开挖引起的B型桩变形不足10 mm，因而高层建筑基础的沉降相对较小，相比B型桩，C型桩的水平变形较大，中下部向基坑内侧最大位移达到28 mm，且桩后地表最大沉降16 mm。

（3）根据高层建筑监测结构外墙监测表明，深基坑开挖不仅会产生卸载影响，还会产生一定的围压，主要与基坑的开挖深度及两者相对距离有关，还受施工工序及方法影响。因此，应结合具体的应力路径分析是否增卸荷载。

（4）通过实测数据与模拟分析的对比可知，有限元模拟方法是研究和分析复杂岩土工程问题的有效方法之一，边界条件赋值及参数取值符合实际情况，往往能得出较好的定性和定量结果，从而指导实际设计及施工。

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