基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析

聂晓琛

中联西北工程设计研究院有限公司 陕西 西安 710000

引言

随着经济与城市建设的不断发展，城市市区内邻近建筑物的深基坑开挖工程越来越多，深基坑开挖工程对邻近建筑物的影响研究也成为了学者和工程师们的研究热点。例如，宋兴海[1]以深圳市建科大楼基础工程为研究对象，采用FLAC3D软件对实际工况和不同支护参数进行了数值模拟，分析了支护结构的施工对既有建筑基础沉降的影响；陈滋雄[2]利用FLAC3D软件对基坑开挖进行模拟，判定在特定条件下邻近建筑物的安全性；李明瑛[3]等在运用Midas-GTS软件对深基坑支护进行数值模拟分析，对比了支护结构实测值与变形值之后，分析了基坑中土体的最大沉降量、桩身最大水平位移，为基坑变形监测提供了依据。

本文结合某紧邻地铁车站的深基坑工程，运用Midas-GTS三维数值分析软件模拟分析了基坑开挖对既有地铁车站的影响，论证了开挖方案的合理性和地铁车站运行的安全性，并且提出相应的施工保证措施。

1 工程概况

拟建基坑位于既有地铁车站两侧，共分为4期。基坑设计长度约330m，宽度约230m，深度17m，基坑支护采用连续墙和灌注桩加内支撑体系，基坑平面位置关系图见图1所示。

2 有限元计算模型

2.1 模型建立

建立整体三维有限元模型，包括地铁车站主体结构、隧道上方结构、盾构隧道、本工程基础结构、各层楼板、基坑支护结构及周围土体。

模型中以水平方向垂直于地铁站方向为X轴，以沿地铁站轴向方向为Y轴，竖向方向为Z轴建立三维模型。为消除边界效应的影响，模型X轴方向取为428m，Y轴方向取为469m，以保证模型各边距离基坑最近距离均大于70m；对于竖向边界，考虑支护结构以及工程桩埋深等因素和模型规模，取70m深，模型底部约束对基坑以及站体的影响可以忽略。计算模型共计657952个节点，168665个单元。模型整体网格见图2所示。

图2 模型整体网格示意图

2.2 模型计算参数

土体本构采用修正剑桥模型。为便于建模，将土性、物理力学参数相近的土层进行合并，参数取值为各层土的厚度加权平均值。土体计算参数见表1所示。

表1 土体计算参数

3 数值计算结果

3.1 工况一（开挖至1期基坑底）

1期基坑开完完成后地铁车站的变形如图3所示。可以看出在施工1期基坑过程中，基坑开挖对地铁车站影响较小，地体车站南端朝向1期基坑方向变形，其中站体外墙最大水平位移0.5mm。

图3 工况一地铁车站位移云图

3.2 工况二（开挖至2期基坑底）

2A及2B期基坑位于站体南端两侧，基坑开完完成后地铁车站的变形如图4所示。可以看出在施工2A及2B 区基坑过程中，地体车站受邻近基坑开挖的影响呈现上抬的趋势，站体南端最大竖向变形4.7mm。

图4 工况二地铁车站位移云图

3.3 工况三（开挖至3期基坑底）

3A及3B期基坑位于站体中部及北端两侧，基坑开挖完成后地铁车站的变形如图5所示。可以看出在施工3A及3B区基坑过程中，与其相邻的地铁车站区域受基坑开挖影响更明显。由于3B区域坑深较深，该侧站体上抬量更大，最大值7.6mm；其对侧站体侧墙最大上抬量为5.3mm，相对较小。

图5 工况三地铁车站位移云图

3.4 工况四（开挖至4期基坑底）

4期基坑距离站体较远，基坑开挖完成后地铁车站的变形如图6所示。在3A及3B期基坑施作地下结构过程中，受基础底板及结构的自重作用的影响基坑回弹有所减小，从而导致车站的竖向隆起也相应减小。而4期基坑距离较远，对站体的影响比较小。从工况四的竖向位移云图可以看出，当4期基坑开挖完成后站体的最大隆起量减小至6.5mm。

图6 工况四地铁车站位移云图

4 结论与建议

本工程紧邻地铁车站，车站变形控制要求较高。基坑开挖引起周围土体的卸载变形，地铁车站将会产生相应的竖向和水平向位移。地铁站主体结构呈现上浮趋势。主要结论和建议如下：

第一，本项目基坑工程施工会对既有地铁车站的变形造成一定的影响。但其引起的地铁主体结构产生的变形量均在控制标准要求的范围以内。

第二，分仓开挖可以有效控制地铁站体的变形，基坑施工过程中要保证站体两侧对称开挖，降低由于基坑不对称开挖对地铁站体产生的影响。