大型地下空间深基坑开挖对周边环境的影响分析*

李 艳 刘 东

(1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

大型地下空间深基坑开挖对周边环境的影响分析*

李 艳1刘 东2

(1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

某大型地下空间深基坑开挖会引起周边箱涵、铁路、桥墩等重要基础设施及房屋建筑物产生不同程度的水平位移及沉降，可能会影响结构正常使用或危及结构安全。采用大型有限元软件，模拟深基坑开挖过程及支撑施加过程，计算基坑周围土体变形，通过分析基坑周边建筑物及构筑物的水平位移、水平位移差值、沉降值及沉降差，综合评价深基坑在开挖的时候，是否需要对周边建筑物及构筑物进行重点监测或加固保护，确保结构安全。

地下空间；深基坑开挖；有限元模拟；影响分析

武汉某大型地下综合体兼有地铁车站、车库、商场、办公室、设备间等功能，其中，地铁车站部分的基坑现已施工完毕，基坑挖深27.5m；车站两侧的大型地下空间设计为两层钢筋混凝土结构，基坑挖深15m，拟采用明挖顺作方案施工，并采用“地连墙+内支撑”进行基坑围护。紧邻基坑西部有箱涵穿越；东部沿线有城市高架桥的桥墩；北部有铁路，距离基坑20m；西南角有2栋8层砖混结构房屋，距离基坑32m；西边有1栋11层的框架结构住宅楼，距离基坑35m。大面积的深基坑开挖会对周边重要的建筑物及构筑物产生水平位移及沉降影响，不均匀的沉降还会造成建筑物及构筑物倾斜。为确保结构安全，采用大型有限元软件Midas/GTS建立基坑围护结构和周边土层的有限元模型，通过“去除”坑内土体单元，添加模拟支撑等手段，模拟深基坑开挖过程及支撑施加过程；从有限元计算结果中提取建筑物或构筑物所在的各个观测点的位移计算值，据此分析建筑物或构筑物的水平位移及沉降是否位于规范规定的限制范围内，从而综合判断周边重要的建筑物或构筑物在深基坑开挖时是否需要加强监测或加固。

1 三维有限元模型

1.1 计算范围

有限元模型的水平边界取至深基坑地连墙外2.5倍挖深，且距离周边建筑、铁路、桥墩外不小于10m，水平计算域为329.360m*334.555m；竖向边界从坑外地表向下取约2倍车站挖深，计算域高度为55m；西侧铁道线及挡土墙比坑外地表高2m。模拟范围内已施工完毕的地铁车站基坑、两侧待挖基坑、箱涵、铁路、高架桥的桥墩(矩形桥墩j1-j12，正方形桥墩f1-f8)、房屋建筑等建(构)筑物的水平分布情况如图1所示，图中U1、U2为水平位移计算方向，U1与西侧的地连墙平行。

图1 模型的水平计算域(mm)

1.2 计算模型

模型中钢筋混凝土地连墙(墙厚800mm)及钢筋混凝土箱涵(方形筒体厚500mm)选用线弹性板单元，地连墙的环形钢构件支撑体系选用线弹性梁单元；基坑周围土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型。计算模型按1m进行网格划分，结构本身的异型导致在网格划分时出现较多尺寸很小的网格单元，整个模型共计4357735个单元，3545624个节点，在模型土体的周边及底部都设置垂直于边界表面的位移约束，上部为自由表面。

1.3 计算参数

模型的主要材料为土体、钢筋混凝土、钢材，依据该项目的岩土工程勘察报告，各土层的计算参数如表1所示，土体的弹性模量以压缩模量为基础，结合国内外经验确定[1]。

表1 各土层计算参数

地连墙采用C40混凝土，支撑采用钢结构杆件，混凝土和钢材的计算参数按照规范取值[2-3]，C40混凝土弹性模量为32.5GPa，泊松比为0.30，密度为2500kg/m3；钢材弹性模量为206GPa，泊松比为0.28，密度为7850kg/m3。

2 模拟方案

2.1 建筑物及桥墩模拟方案

深基坑开挖时，需综合评价建筑物的水平位移、沉降及倾斜率，综合评价桥墩的水平位移、沉降及相邻桥墩的水平位移差和沉降差等。地面建筑物和桥墩的刚度较大，综合评价时可不考虑自身变形，用等效均布荷载模拟，作用于相应部位土层表面。等效荷载按恒载和活载的准永久组合(准永久值系数为0.5)计算确定，取值如表2所示。

表2 建筑物及桥墩等效荷载

2.2 分层开挖及支撑施加模拟方案

待挖基坑分4层开挖，前3层都挖至支撑中心面处，每挖完一层土，设置一道支撑和立柱，第4层土挖至坑底。支撑体系采用环形支撑，3道支撑分别布置在地面以下1.176m、6.676m、11.676m，支撑布置如图2所示。土体开挖过程采用钝化土体单元进行模拟，环形支撑施加过程采用激活支撑梁单元进行模拟，作用在地连墙上。

图2 环形支撑布置示意图

2.3 降水渗流模拟方案

为研究基坑开挖造成的周边土层失水渗流对周边建筑沉降的影响，在模型中需对地下水的水压变化及渗流状况进行模拟。土体单元在采用摩尔-库仑弹塑性模型的同时，赋予土体单元透水性，按照当地长江水位的特点，假定模型的初始地下潜水面均在地表标高7.4m处。模拟开挖引起地下水渗流时，设远端(模型外边界处)的潜水面不下降，每开挖一层土后，坑底面水压降为0，形成坑内外土体的孔压场，引起坑外地表和建筑下面土体的孔隙水压下降。计算中不模拟其随时间变化的过程，只计算每挖一层土之后的总体降水效果。

2.4 分步计算方案

根据基坑开挖工序确定软件分步计算步骤：(1)初始渗流；(2)初始位移；(3)设地连墙；(4)挖基坑第一层土，设基坑第一道支撑和立柱；(5)挖基坑第二层土，设基坑第二道支撑和立柱；(6)抽水头1；(7)计算抽水头1变形；(8)挖基坑第三层土，设基坑第三道支撑和立柱；(9)抽水头2；(10)计算抽水头2变形；(11)挖基坑第四层土。

3 深基坑开挖对周边建(构)筑物的影响分析

3.1 坑外土体的水平位移及沉降值

U1、U2两个方向的位移合量为观测点的水平位移，U3方向位移为竖向位移，向上为正，向下为负。分析有限元计算结果可知，随着基坑逐层开挖，坑外土体的水平位移及竖向位移都呈递增趋势，基坑第四层土开挖后，周边土体的水平位移及竖向位移云图如图3所示。

基坑平面为异型多边形，有4个长度较大的主要边界，东北走向的边界最长。由图3可知，靠近基坑4个长边的土体水平位移和沉降都较大，水平位移和沉降最大值都发生在基坑东北走向边界(最长边界)的中部位置，离地连墙往基坑外约10m～20m的f1、f2、f3、j1桥墩区域，最大水平位移达到17.610mm，最大沉降达到6.134mm；基坑边角处土体水平位移和沉降都很小。可见，深基坑开挖时，周边土体的水平位移和沉降是正相关的，基坑的边界长度是影响周边土体位移的重要因素，边界越长，水平位移及沉降越大。

3.2 基坑开挖对铁路的影响分析

南线和北线最大水平位移分别为3.321mm和1.384mm，最大沉降值分别为1.321mm和0.439mm。按照规范要求[4]，有砟轨道沉降≤50mm，无砟轨道沉降≤15mm，铁路沉降处于安全指标以内。

3.3 基坑开挖对桥墩的影响分析

计算结果表明，部分桥墩区域可能出现较明显的沉降和水平偏移，特别是离基坑最近的桥墩j1沉降6.134mm，f3沉降5.130mm，相邻桥墩j1与j2沉降差值最大达1.750mm；顺桥向相邻桥墩j1与j2水平位移差值最大达3.929mm，j1与f1水平位移差值为3.133mm，f3与f4水平位移差值为3.613mm。

目前，尚没有形成有关地下结构基坑开挖时邻近高架桥桥墩变形的控制标准，按照文献建议[5]：考虑到桥墩在运营期内已经产生了一定程度的变形，后期基坑开挖导致桥墩的沉降量应控制在10mm，相邻墩台沉降差取沉降量的1/2，即5mm；相邻桥墩水平位移差控制值建议取为5mm。可见，j1、f3桥墩部位的沉降计算值，j1与j2、j1与f1、f3与f4等相邻桥墩的水平位移差计算值已接近安全控制指标，基坑开挖时应重点监控。桥墩的基础为深基础，

图3 坑外土体位移云图

实际位移还与基础形式及基础埋深等有关，桥墩的实际沉降值比计算值偏小，用桥墩区域土体的位移评价桥墩实际位移是安全的。

3.4 基坑开挖对箱涵的影响分析

箱涵南段的最大水平偏移达到6.090mm，箱涵南段的最大沉降位移达3.890mm，远小于箱涵总沉降量≤300mm，相邻管节间沉降差≤50mm的变形限值，箱涵是安全的。

3.5 基坑开挖对房屋建筑的影响分析

地面建筑为多层和小高层，基础埋深不大，可认为建筑物随土体一起产生位移。离基坑较近的8层砖混结构房屋的各向位移都比11层的框架结构房屋大，砖混结构的最大水平位移值为4.770mm，沉降值为2.160mm、倾斜率为0.3‰。《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中5.3.4规定[6]，建筑物主要应控制倾斜率，限值为0.004～0.002，可见，深基坑周边的3栋房屋都是安全的。

4 结 论

由有限元模拟分析可知，周边铁路、箱涵、房屋建筑物等都在安全距离以外，该大型地下空间结构的深基坑开挖对周边铁路、箱涵、房屋建筑物等不会造成安全影响。但临近深基坑的j1与f3的沉降值较大，相邻桥墩j1与j2的沉降差较大、顺桥向的相邻桥墩j1与j2、j1与f1、f3与f4的水平位移差较大。因此，深基坑开挖时，应对j1、j2、f1、f3、f4桥墩进行重点监控，结合现场监测情况做好加固保护，确保施工安全。

[1]于丽鹏. 基于FLAC3D模拟的土体弹性模量取值分析[J]. 水利与建筑工程学报，2014,12(2): 162-166.

[2]GB50010-2010(2015年版)，混凝土结构设计规范[S].

[3]GB50017-2014，钢结构设计规范[S].

[4]TB10020-2009，高速铁路设计规范[S].

[5]姚虎成，郭振坤，刘观仕. 地下通道施工临近高架桥桥墩变形控制标准探讨[J]. 土工基础，2015,29(1): 70-72.

[6]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

2017-01-01

湖北省教育科学规划课题“高职建筑类专业教师信息化职业能力提升对策研究”(编号：2016GB276)。

李 艳(1983-)，女，湖北公安人，武汉交通职业学院讲师，主要从事结构计算分析、高职教育教学研究。刘 东(1986-)，男，湖北武汉人，长江勘测规划设计研究有限责任公司工程师，主要从事结构设计研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.01.018

TU753

A

1672-9846(2017)01-0075-04