软土地区邻近既有建筑半盖挖深基坑变形特征

徐 健 周子涵 王林枫 周小涵

(1.南京地铁建设有限责任公司，210005，南京； 2.重庆大学土木工程学院，400045，重庆∥第一作者，高级工程师)

近年来，由于城市建设和经济发展的需要，特别是城市轨道交通建设的迅速发展，深基坑工程大量涌现。软土地区实施的深基坑工程往往容易产生较大的变形。目前，越来越多的学者开始关注基坑开挖与既有建(构)筑物的相互影响问题。文献[1]分析了与基坑边呈不同角度条件下的浅基础框架建筑受基坑开挖的影响。文献[2]结合深厚软黏土地区某地铁车站深基坑工程进行了系统性监测及结果分析，总结了基坑变形与开挖深度之间的关系。文献[3]基于某地铁车站深基坑工程现场监测数据，分析了自基坑开挖到主体结构施作不同阶段引发的邻近建筑沉降值比例关系。文献[4]通过数值模拟的方法，拟合了围护结构最大侧移值与地面最大沉降值之间的关系。文献[5-6]基于宁波地区轨道交通工程现场监测数据，提出了城市轨道交通深基坑周边建筑物安全评判方法与施工对周边建筑物影响的简化预测分析方法。

城市用地紧张、施工工期限制、变形控制要求及交通往来需求等因素使得兼顾明挖和盖挖优点的半盖挖基坑施作方法获得了广泛的应用[7-10]，因此有必要对半盖挖基坑变形特性及其环境效应进行深入研究。由于盖板和上方交通荷载，半盖挖深基坑往往承受较大的偏压，而同侧存在既有建筑的情况加剧了这种非对称偏压，此时基坑和支护结构变形与稳定情况尚不明了。本文以南京地铁5号线山西路站的软土地区半盖挖深基坑工程为例，采用数值模拟方法，将基础形式、支护形式等作为变量，设计了8组数值模拟工况进行分析研究。本研究旨在为相关工程提供一定的借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

南京地铁5号线山西路站为一座地下二层岛式车站，基坑位置及周边建筑物情况如图1所示。车站长为272.80 m，主体结构标准段宽为21.10 m，顶板覆土厚约3.08 m，标准段基坑深度为16.60 m。南端头井宽为25.30 m，顶板覆土厚约3.07 m，基坑深度约为17.93 m。北端头井宽为25.30 m，顶板覆土厚约为3.21 m，基坑深度约为18.13 m。基坑采用800 mm厚地下连续墙，标准段和端头井地连墙入土深度分别为13.50 m和14.50 m，地连墙底位于粉质黏土中。受场地限制，采用左线半幅铺盖疏解交通。坑内共设置4道支撑，其中第1道为混凝土支撑，截面尺寸为800 mm×1 000 mm，深度为0.5 m，第2道—第4道支撑为φ609 mm(厚度为16 mm)钢支撑，其深度分别为5.50 m、10.00 m、13.50 m。基坑开挖遵循先撑后挖的原则，开挖到对应支撑深度后立即施作支撑，再进行后续土体的开挖。半盖挖基坑支护体系示意图如图2所示。

图1 基坑位置及其周边建筑物情况

图2 半盖挖基坑支护体系示意图

1.2 工程及水文地质条件

基坑处于秦淮河漫滩平原区，软土、砂土发育，地层自上而下依次为：①杂填土；②素填土；③粉砂；④淤泥质粉质黏土；⑤粉质黏土；⑥强风化安山岩；⑦中风化安山岩。

基坑处于饱和弱透水层中，实测场地地下水位为1.2～2.6 m，年变化幅度约为1.0 m。浅部松散层中透水层主要为填土层，其余地层透水性弱，为相对不透水层。

1.3 周边环境

基坑周边主要建筑物概况如表1所示，深基坑周边建筑物位置关系平面图如图3所示。

表1 基坑周边主要建筑物概况Tab.1 Overview of main buildings around foundation pit

图3 深基坑周边建筑物位置关系

2 建立数值计算模型

2.1 确定模型参数

采用有限差分法软件FLAC3D 5.0进行建模计算。模型中淤泥质粉质黏土和粉质黏土采用修正剑桥模型进行计算，其余土层和岩层采用摩尔-库伦模型进行计算。地层物理力学参数如表2所示。支护结构采用弹性本构，其参数如表3所示。建筑参数与地连墙相同，桩基础尺寸及参数与混凝土立柱桩相同。接触面参数如表4所示。高层建筑地下室侧面接触面参数与地连墙侧面相同，底面接触面参数与地连墙底面相同。

表2 地层物理力学参数Tab.2 Stratum physical mechanics parameters

表3 支护结构参数Tab.3 Supporting structure parameters

表4 接触面参数Tab.4 Contact surface parameters

2.2 确定盖板荷载

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》及场地实际情况，围挡外侧5 m范围、地连墙外4 m范围用于交通行车，按照普通行车荷载施加20 kPa的均布荷载。围挡外侧5 m范围内行走渣土车，按照集中荷载的形式施加在盖板上。根据CJJ 77—1998《城市桥梁设计荷载标准》以及山西路地铁车站设计文件，临时路面铺盖系统荷载采用城-A级车辆荷载标准。车辆荷载的冲击力计算方法为自重荷载乘以(1+μ)，其中μ为冲击系数，其值最大不得超过0.4。冲击系数计算公式为：

μ=0.668 6-0.303 21 lgL

(1)

式中：

L——上部构造的跨径，m。

上部盖板的跨径为10 m，可以计算得出μ=0.365 39，取μ=0.37进行计算。计算模型中的盖板荷载分布示意图如图4所示。

图4 计算模型中的盖板荷载分布示意图

2.3 数值计算模型

考虑边界效应，确定模型尺寸为171.0 m(长)×154.0 m(宽)×50.0 m(高)。建筑D位于基坑盖板侧距离基坑边缘10.8 m处，距基坑最远距离为30.8 m；建筑C位于基坑盖板侧距离基坑边缘15.8 m处，距基坑最远距离为45.8 m。数值计算模型如图5所示。模型四周约束法向变形，底部约束各向变形，顶部不施加约束。盖板及地连墙外4.0 m范围内施加盖板荷载。在钢支撑与地连墙连接处施加向基坑外的集中力以模拟钢支撑预加轴力，其大小为：第1道钢支撑施加800 kN预加轴力，第2道和第3道钢支撑施加600 kN预加轴力。

图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

模拟过程中考虑基坑的分步开挖与支护，支撑采用梁单元模拟，中立柱及抗拔桩采用桩单元模拟，盖板采用实体单元模拟，并与地连墙刚接。模型地应力平衡且位移清零后，施作地连墙及中柱，然后开挖至第1道支撑底面，施作第1道混凝土支撑及盖板，随后依次开挖至第2道、第3道、第4道支撑底并施作支撑，最后开挖至基坑底。

3 计算结果与现场监测数据对比

3.1 建筑D的位移

开挖完成后，对比地连墙侧移与建筑D的竖向位移数值模拟结果与实际监测值，如图6所示。由图6可知，数值模拟结果与实际监测值较为吻合，受建筑荷载和盖板及行车荷载的影响，两侧地连墙顶部有向基坑无建筑侧移动的趋势，顶部侧移量约为5～10 mm。建筑侧地连墙最大侧移达到了25 mm左右，无建筑侧最大侧移不超过20 mm，最大侧移位置在开挖面附近。由于地连墙未嵌岩，底部发生了一定向基坑内的侧移。在位移方面，建筑D的第二部分建筑物位移模拟值与监测值吻合得较好，第一部分建筑物位移模拟值要小于监测值(见图6 b))，原因在于建筑D呈L型，分为两段施工，第一部分平行于基坑方向且处于基坑开挖主要影响区，受基坑开挖影响较大，模拟中未考虑建筑D的实际施工分段，建筑沉降结果较为均匀。受建筑刚度影响，距离基坑越近，建筑物沉降越大，沉降值与距离呈明显的线性关系。建筑远端由于建筑物的整体偏转发生向上的隆起。

图6 地连墙侧移与建筑D竖向位移数值模拟结果与实际监测值对比Fig.6 Comparison between numerical simulation and field monitoring results of diaphragm wall lateral displacement and building D vertical displacement

3.2 建筑C的沉降

开挖完成后，对比地连墙侧移与建筑C的沉降数值模拟结果与实际监测值，如图7所示。由图7可知，建筑和盖板荷载导致地连墙顶部向无建筑侧移动，但其地连墙侧移量要大于建筑D。由于建筑体量大导致荷载较大，两侧地连墙变形差异更为显著。在沉降方面，数值模拟与监测结果吻合得较好。与建筑D相比，由于地下室和桩基的作用，基坑开挖引起的建筑C沉降较小。此外，由于建筑C体量大、结构复杂，其沉降表现出更明显的空间效应。

图7 地连墙侧移与建筑C沉降数值模拟结果与实际监测值对比

4 变形影响因素分析

4.1 计算工况

在前文数值模拟基础上，进一步研究盖板、地连墙深度等因素对软土地区邻近既有建筑情况下深基坑开挖变形的影响。各工况具体计算数值如表5所示。为了便于对比，建筑均布置在基坑盖板侧(或无盖板组同样位置)距离基坑边缘10.0 m处，距离基坑最远处距离为30.0 m。

表5 各工况计算数值Tab.5 Calculation value of each working condition

4.2 地连墙侧移

8种计算工况下，建筑侧地连墙侧移曲线如图8所示。不同建筑基础形式下，盖板和地连墙深度对地连墙侧移的影响规律相同。盖板通过与地连墙间的刚性连接显著影响地连墙顶部以下8 m内的变形曲线，使顶部发生向基坑外的挠曲。地连墙嵌岩能极大地限制底部侧移，但其下半段的整体变形略有增大。由于桩基础建筑层数高、建筑荷载大，导致其地连墙侧移量明显大于浅基础建筑。一方面其地连墙最大侧移量达到了32～35 mm，大于浅基础建筑下的地连墙最大侧移量25～27 mm；另一方面其顶部侧移量达到了16～22 mm，大于浅基础建筑下的顶部侧移量2～9 mm。此外，桩基础建筑下的地连墙最大侧移位置也稍有上升。

图8 8种计算工况下建筑侧地连墙侧移曲线

综上所述，既有建筑使基坑侧产生偏压，并使地连墙侧移曲线整体发生向基坑内的移动；盖板主要影响地连墙顶变形，通过与地连墙的刚性连接使顶部发生翘曲；地连墙嵌入岩层可以限制自身底部侧移量，从而改变地连墙下端侧移曲线形状。既有建筑、盖板和地连墙嵌岩对地连墙侧移曲线影响示意图如图9所示。由图9可知：既有建筑使基坑侧产生偏压，并使地连墙侧移曲线整体发生向基坑内的移动；盖板主要影响地连墙顶变形，通过与地连墙的刚性连接使顶部发生翘曲；地连墙嵌入岩层可以限制自身底部侧移量，从而改变地连墙下端侧移曲线形状。若同时存在2个因素甚至3个因素，其对地连墙侧移曲线的影响可叠加。该结论可推广到一般情况。

图9 既有建筑、盖板和地连墙嵌岩对地连墙侧移曲线影响示意图

4.3 地面沉降

8种计算工况下，建筑侧坑外地面沉降如图10所示。由图10可知：坑外地面沉降受建筑基础形式影响显著，浅基础建筑下坑外地面沉降曲线呈典型“凹槽形”；最大沉降位置约为距离基坑0.6倍开挖深度处，最大沉降量相差不大，约为16～18 mm；距离基坑2倍开挖深度后，地面沉降接近于0;盖板会增大墙后约0～4 m内的土体沉降；地连墙嵌入岩层(地连墙深度为35 m)后，坑外地面沉降比未嵌入岩层的地表沉降(地连墙深度为31 m)稍大。与浅基础建筑相比，由于桩基础建筑刚度大，协调变形能力强，所以建筑位置的沉降变化趋近于直线。超高层建筑中，常采用箱型基础以取得较好的地面变形控制效果。桩基础建筑下，靠近基坑边缘的地面沉降要大于浅基础建筑，原因在于高层建筑荷载导致地连墙侧移更大，加剧了附近的土体沉降。

图10 8组计算工况下建筑侧坑外地面沉降

两种建筑形式下，有盖板且地连墙深度为31 m时的坑外土体沉降云图如图11所示。由图11可知:基坑开挖主要影响墙后2倍开挖深度以内三角形区域的土体沉降;当既有建筑有地下室时，最大地面沉降发生在建筑靠近基坑一侧(与图10结论相符)，此时建筑有向内倾倒的趋势。对比图11 a)和图11 b)可知；坑外存在浅基础建筑时，坑外土体沉降影响范围较大；而采用地下室和桩基础的建筑，尽管建筑层数更多，但地面沉降影响范围却大大缩小。图11进一步证明了既有建筑地下室具有协调变形能力，可以有效减小土体沉降，控制沉降范围。当桩基础较长时，可通过其与周围土体的摩擦及桩端承载力控制建筑与周围土体的沉降。

图11 两种建筑形式下有盖板且地连墙深度为31 m时坑外土体沉降云图Fig.11 Settlement nephogram of soil outside the pit with cover plates and diaphragm wall depth of 31 m under two building forms

5 结语

本文以实际工程为例，采用数值模拟方法，针对浅基础建筑和桩基础建筑两种建筑形式，根据有无盖板、地连墙不同深度等因素，设计了8种计算工况，探讨了邻近既有建筑下半盖挖基坑开挖变形特征。主要获得以下结论：

1) 既有建筑与盖板偏压使地连墙顶向基坑内移动，其中盖板通过与地连墙间的刚性连接使顶部发生翘曲，导致顶部侧移增大约6 mm。地连墙嵌入岩层限制了底部侧移，改变了地连墙下端侧移曲线形状，但对地连墙最大侧移量作用不大。由于桩基础建筑荷载较大，地连墙整体侧向变形更大。

2) 浅基础建筑附近的坑外地面沉降曲线呈典型“凹槽形”；桩基础建筑由于基础刚度大，坑外地面沉降呈直线，且其沉降量小于浅基础建筑。盖板显著影响地连墙外侧土体沉降，地连墙嵌固深度对地面沉降影响不大。

3) 基坑开挖主要影响墙后2倍开挖深度以内三角形区域的土体沉降。既有建筑地下室和桩基础的刚度较大，因此最大地面沉降发生在建筑靠近基坑一侧，二者能有效控制土体沉降大小以及沉降范围。