合肥大学城基坑开挖对既有建筑物的影响分析

叶茂松, 黄雄飞, 肖建勇, 岳 阳, 李顺群

合肥大学城基坑开挖对既有建筑物的影响分析

叶茂松1, 黄雄飞1, 肖建勇1, 岳 阳2, 李顺群2

（1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 2306011；2.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

通过有限元软件建立合肥大学城深大基坑三道支撑开挖三维数值模型，研究了开挖过程中周边隧道和支撑的应力和变形演变规律，并给出相应的控制策略和工程建议。研究表明，随开挖深度的增大，附近隧道同时发生上浮和向基坑方向的侧移两种位移，且基坑中部对应的隧道总位移最大。随着开挖的进行，附近隧道会同时发生向上位移和向基坑侧向位移两种位移，且基坑中部对应的隧道总位移最大，为保护地铁隧道等重要地下工程，建议在开挖前设置地下连续墙和挡土桩。

三维数值模拟；基坑开挖；三道支撑；隧道

随着社会进步和城市化的深入，市政和交通建设进入发展高峰期[1-3]。为缓解交通压力和土地资源紧张局面，地下空间、地铁等地下工程逐渐取代地上建筑成为解决大城市病的有效措施。常见的基坑工程包括设计和施工等环节，它们与结构工程一起组成地下工程建设的主要方面。

基坑工程是一个复杂的系统工程，其关注内容不但包括支护结构的沉降和不均匀沉降、支护结构的位移和变形、坑底地基土变形及其稳定性分析、流砂和突涌等地下水问题，还包括开挖和回填对周边楼房等既有建筑物和隧道管线等地下工程的影响[4-7]。20世纪60年代以来，基坑工程重大事故和严重灾害时有发生，人们越来越关注勘察、设计、开挖、支护、监测等环节，尤其开挖和支护问题备受关注。为使基坑工程规范化和标准化，20世纪70年代制定了基坑工程建设规范并进行了多次更新和完善[8-10]。由于工程地质、水文地质、季节和施工时间以及开挖进程的差异性，基坑工程经常显现为复杂的区域性和鲜明的个性，因此规范化和标准化的应对措施难以解释和处置个性显著的基坑工程。随着计算技术的发展和完善，数学仿真技术在分析和判断基坑开挖及其对环境影响方面发挥着越来越大的作用，也深基坑开挖和支护技术的设计理念和施工工艺改进提供了强大支撑[11-12]。本文通过有限元软件建立了合肥某三道支撑基坑开挖的三维数值模型，分析了施工过程中的应力、变形和位移，为研究类似工程施工过程中的应力和变形提供了一条研究思路和研究方案[13]。

1 工程概况

本项目为合肥大学城地下工程项目，位于合肥经开区科研行政文化中心，如图1所示。经勘察，本工程场地宏观地貌单元属江淮丘陵、微地貌属岗地，拟建工程场地现为景观绿地。基坑形状为矩形，长宽比约3∶1，基坑开挖深度为14～15 m。基坑南侧为莲蕊路，北侧为石柱路，西侧为翡翠路，东侧为百鸟路。本基坑东侧围护桩外侧距离已建并正在运行的轨道交通3号线隧道净距15.4 m，研判后认为3号线隧道是本基坑工程的重大风险源。

图1 基坑卫星俯视图

2 三道支撑有限元分析

根据本工程的特点，通过Midas GTS有限元软件建立三维模型，采用修正摩尔-库伦本构模型分析基坑开挖过程中位移沉降、通过比对基坑顶部土体沉降量模拟值趋势线和实测值趋势线找到最大沉降量所在位置、支护结构的应力和变形和对隧道的影响。

建模中的基本假设：(1)忽略土体的流变；

(2)忽略地下连续墙施工对土体的扰动；

(3)基坑开挖过程按不排水情况分析。

模型的边界条件：(1)土体侧面设置x向约束；

(2)土体底面设置z向约束。

其建模过程分为以下4步。第一，设定土层材料及属性，如图2所示。第二，建立基坑外轮廓的三维模型如图3所示。第三，在基坑外轮廓的基础上加斜撑、冠梁还有水平撑的桁架结构和水平撑部分的冠梁如图4所示。第四，设置基坑影响范围，并对基坑划分网格如图5所示。

图2 土层材料和属性设定

图3 基坑外轮廓的三维模型

图4 坑内横撑和斜撑

图5 整体网格划分概览图

如果模型建立成功，则为空腔状态，没有单独线条或面的显示，则可以证明模型间没有重复线组、面组，可以进行后续的施工组织定制以及后处理运算。

3 基坑开挖三道支撑三维数值结果分析

3.1 基坑开挖过程变形分析

基坑开挖会引起坑底隆起，其位移变化如图6所示。由图6可得，在开挖过程中，坡顶的水平位移逐渐增大。本文的研究认为，在施工过程中可通过设置围护桩加以抑制，以增大开挖过程的安全系数。

基坑开挖也会对周边既有建筑物产生影响，如图7所示。

图7 周边既有建筑物地表位移图

为防止开挖过程坑内产生较大沉降和对既有建筑物的影响，可通过采取预防措施降低影响，其主要包括源头控制、传播途径控制、基础自身控制以及设置隔断墙。

3.2 开挖后竖向地表位移分析

通过有限元分析可得，基坑开挖过程中，荷载中心位置处地表竖向位移变化最大，图8为荷载中心位置在不同深度的地表竖向位移随地表距基坑边线距离的变化曲线。

图8 荷载中心位置的地表竖向位移曲线

由图8可得，在深度为零时，竖向地表位移在距基坑边线0～20 m范围内波动较大，位移由负值增大到正值；在20～70 m范围内变化相对平稳其数值趋近于零。可知距离荷载作用线距离越近，其影响越大，随着距离增加，能量在逐渐消减，其影响趋于稳定。建议在基坑开挖的同时对20 m范围内的土体进行加固避免引发工程事故。

3.3 斜撑受力变化分析

在斜撑下的反压土可以减小围护桩的水平位移，对围护桩的不均匀沉降位移也有所改善，起到了很好的支护作用。图9为斜撑轴力变化云图。由图9可得，第一道斜撑最长其中下部受应力和弯矩比上部大，且与弧形部分连接处的斜撑应力变化幅值最大。由于第三道斜撑最短嵌入土层长度相对较大，其所受的应力和弯矩变化值相对较大，其应力和弯矩的最大值出现在的斜撑中下部。

图9 斜撑轴力变化云图

随着在斜撑支护间距不断减少的情况下，其必要承受的轴力也随之逐渐减小，而且围护桩的变形和内力幅值也相应降低。在一定范围内适当增加地铁车站深基坑斜撑的刚度，也可有效控制围护桩的变形，但是斜撑的截面尺寸达到一定程度后，此方法的效果就变化不如开始时显著。

3.4 隧道位移变化分析

基坑开挖过程中会引起既有隧道的位移和应力变化，图10为隧道总位移云图。

图10 隧道总位移云图

通过图10可得，随着基坑开挖，隧道的总位移逐渐增大，其变化为中部最大向两端逐渐减小，靠近基坑一侧的隧道位移变化相对较大，其位移最大值出现在隧道中部。由于开挖过程对隧道中部影响最为明显，故应对隧道中部采取支护措施，避免开挖过程土体塌陷。

4 结论

为保证基坑的安全，减少施工对既有建筑物和地下工程内力和变形的影响，某基坑在开挖过程中设置了三道斜撑。数值分析表明，在施工过程中基坑坡顶的水平位移逐渐增大，建议设置围护桩对位移加以抑制。在开挖深度为零时，竖向地表位移在距基坑边线0～20 m范围内波动较大，在20～70 m范围内变化相对平稳且其数值趋近于零。随着开挖深度的增大，竖向位移的最大变化量将出现在距离基坑边线35～45 m范围内。在距离基坑边线≥70 m时，其竖向位移趋近于零。随着基坑开挖，隧道的总位移逐渐增大，且其变化为中部最大两端最小，建议建议对隧道中部采取支护措施。

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Analysis of Influence of Foundation Pit Excavation on Existing Buildings in Hefei University

YE Mao-song1, HUANG Xiong-fei1, XIAO Jian-yong1, YUE Yang2, LI Shun-qun2

（1. Anhui Shui-an Construction Group Co., Ltd., Hefei 230601, China; 2. School of Civil Engineering, Tianjin Cheng-jian University, Tianjin 300384, China）

On the finite element software, the three-dimensional numerical model of the excavation of three supports in the chengshen large foundation pit of Hefei University is established, and the stress and deformation evolution law of surrounding tunnels and supports in the excavation process is studied, and the corresponding control strategies and engineering suggestions are given. The results show that the horizontal displacement and settlement of the existing buildings around the foundation pit increase with the excavation depth. In order to protect the important underground engineering such as subway tunnel, the diaphragm wall can be set up before excavation. In the process of excavation, the horizontal displacement and settlement of the pit top will gradually increase, so it is suggested to set up the retaining pile to balance and restrain. With the progress of excavation, two kinds of displacements will occur simultaneously in the nearby tunnel: upward displacement and lateral displacement towards the foundation pit, and the total displacement of the tunnel corresponding to the middle part of the foundation pit is the largest. In order to protect the subway tunnel and other important underground projects, it is suggested that the underground diaphragm wall and retaining piles should be set up before excavation.

three-dimensional numerical simulation; foundation pit excavation; three supports; tunnel

10.15916/j.issn1674-3261.2022.02.010

TU753

A

1674-3261(2022)02-0118-04

2021-09-02

国家自然科学基金项目(41877251)；天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSF00820)

叶茂松(1977-)，男，安徽合肥人，一级建造师。

责任编辑：刘亚兵