北京地区某深基坑支护设计与监测数据对比分析

2023-08-23苗晓鹏吕圣岚刘天玚

岩土工程技术 2023年4期

金旭苗晓鹏吕圣岚刘天玚邵磊

（1.航天规划设计集团有限公司，北京 100162；2.中国航天建设集团有限公司，北京 100071；3.北京航天地基工程有限责任公司，北京 100070）

0 引言

城市建设用地日趋紧张，尤其在北京等一线城市，建筑地下空间开发利用已成为城市建设发展的重要趋势，因而出现了许多深基坑工程。城市深基坑工程周边环境复杂[1-2]，基坑事故时有发生，对基坑工程及周边建（构）筑物的安全评价和保护尤为重要。当基坑距离重点保护建（构）筑物（如地铁车站等）较近时，基坑设计必须要充分、全面地分析计算基坑开挖引起的周边建（构）筑物变形情况。传统的二维设计计算方法在这方面存在诸多弊端和局限，需要借助有限元软件进行三维建模来模拟基坑开挖对邻近建（构）筑物的影响，进而做出客观、全面的分析和评价。

数值模拟分析软件中土体本构模型参数较多，有些参数无法通过地勘报告直接获取。不同地区的同一类土、同一地区的不同类土，其参数取值不尽相同，因此要通过理论数据与实测数据的对比验证模型中各类土的参数取值范围，从而更好地为工程服务。

目前，许多学者对深基坑开挖安全评价与分析做出了深入的研究。宋宸[3]基于青岛地铁基坑开挖长期监测数据，对基坑开挖卸荷效应进行分析，建立了基坑开挖周边安全风险评价体系。张传虎[4]以西宁某深基坑工程为研究实例，分析基坑周围土体沉降、水平位移、土钉轴力以及坑底抗隆起等基坑变形和受力特点，验证了该工程选型思路的可行性以及关键参数确定的合理性。尹永明[5]以上海软土地区某地铁站深基坑开挖为例，分析开挖施工的风险因素、安全施工措施及成效，为后续工程提供参考。此外，MIDAS 等数值模拟软件广泛应用于深基坑计算分析。刘阳等[6]运用MIDAS GTS 软件对基坑和地铁区间隧道和车站主体进行数值模拟分析，通过与现场实际监测对比分析，研究基坑开挖对既有地铁的安全性。颜超[7]构建模型分析基坑被动区加固及结构底板回筑在基坑开挖全过程中对邻近筑物的影响，为实际工程提供参考。孙超等[8]基于MIDAS GTS 软件对长春市某基坑开挖施工过程进行模拟，分析得出桩顶水平位移、围护结构最大水平位移与监测数据基本吻合，为基坑监测提供参考依据。乔丽平等[9]通过对深圳某软土深基坑支护方案进行三维有限元建模和计算，并将计算结果与第三方监测结果进行对比分析，验证了理论计算的可靠性。

依托积水潭医院深基坑工程，利用MIDAS GTS软件建立基坑三维模型，通过三维模型模拟得到基坑变形数据，经与实际监测数据对比验证了MIDAS GTS 软件在工程应用的可靠性。

1 工程实例

1.1 工程概况

积水潭医院工程场地位于北京市昌平区，基坑深度约23 m，基坑东侧邻近3 栋既有建筑物。1#建筑物（污水处理站）地上1 层，地下2 层，基础埋深6.5 m，距离基坑约4～10 m；2#建筑物（埋地锅炉房）地下3 层，基础埋深10.5 m，距离基坑约10～14 m；3#建筑物地上5 层，无地下室，基础埋深2 m，距离基坑约18～21 m。

1.2 工程地质情况

根据勘察报告，拟建场地地层主要分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并按岩性及工程特性进一步划分为13 个大层及其亚层。人工堆积层厚度1.40～3.50 m，岩性为黏质粉土素填土、粉质黏土素填土①层及房渣土①1层；其下为第四纪沉积的黏质粉土、粉质黏土、砂质粉土及粉细砂、细中砂等。典型工程地质剖面图见图1。

图1 典型工程地质剖面图

地下水类型及实测地下水情况见表1。

表1 地下水情况

1.3 基坑支护体系及监测布置

基坑采用挡土砖墙与桩锚联合支护，地下水控制采用帷幕截水+坑内疏干方案。基坑上部2 m 采用37 挡土砖墙支护，下部采用桩锚支护。排桩桩径为1.0 m，桩间距为1.6 m，桩长为30 m，桩身及冠梁混凝土强度等级为C30，钢筋保护层厚度为50 mm；锚杆腰梁采用双28b 工字钢，锚索杆体采用4～5 束7φ5 钢铰线（1860 级），锚索长度为23.0～26.0 m；桩间土采用内置φ6.5@200×200 mm 钢筋网的喷射混凝土面层。基坑支护及监测点平面布置见图2。

图2 基坑支护及监测点平面布置图

2 三维基坑模型

2.1 三维有限元模型建立

采用MIDAS GTS 软件，按照1∶1 的比例建立深基坑模型。根据基坑的实际尺寸及基坑变形影响范围[10]，该模型总尺寸为363 m×290 m×65 m，基坑深23 m，护坡桩长30 m，嵌固深度9 m；1#、2#和3#建筑物的尺寸分别为22 m×9 m×12 m、32 m×23 m×13 m和33 m×14 m×17 m。

2.2 计算基本假定

（1）土层厚度分布较均匀，故模型中各土层厚度按照该层的平均厚度考虑。

（2）模型中土体本构模型采用修正莫尔-库仑本构模型（MMC）[11]，单元类型为六面体单元。模型参数取值见表2。

表2 MMC 模型土层参数

（3）支护构件及临近建筑物则采用线弹性本构模型。

（4）预应力锚索则采用植入式桁架单元模拟；冠梁及钢腰梁采用梁单元模拟。

（5）为了减少单元数量，本模型采用刚度等效法[10]将护坡桩体等效为地下连续墙，并采用板单元模拟。

（6）忽略土体与围护结构之间的相对位移，结构与土体节点耦合。

（7）收敛标准采用位移收敛准则。

（8）依据该工程的实际边界条件、受力情况及分析工况，对完成网格划分后的模型施加自重荷载及位移边界约束条件。

建成的三维基坑模型见图3（a）和图3（b）。

图3 深基坑三维模型及各个构件标识图

2.3 定义施工阶段

利用钝化和激活功能，根据具体的施工步骤，依次在每一步工况时钝化该工况开挖的土体和激活该工况下的支护结构。具体施工工况见表3。

表3 基坑施工工况

3 计算结果与实测数据对比分析

本项目在施工过程中对支护结构水平位移、周边建筑物沉降进行了监测，为了验证模型的可靠性，结合拟建场地施工布置，在拟建基坑的东侧选取三个点位进行土压力监测。

3.1 土压力数据对比

土压力监测采用钻孔法进行监测，孔深均为30 m，沿着钻孔深度方向，每隔4 m 安装1 个振弦式土压力计，每个钻孔共安装7 个土压力计。通过对基坑从开挖到底板浇筑阶段基坑周围土压力监测，获得基坑外一定范围内土压力随开挖深度不同土压力的变化情况，如图4 所示。

图4 计算土压力与实测土压力数据对比

从图4 可看出，随着深度增加，实测及计算土压力曲线均呈线性增加，曲线基本呈斜直线形[12]。在GTS 模型计算得到的土压力曲线中，B 点和C 点受地上建筑物荷载的影响，其土压力值比A 点的要大。在自地表以下8 m 深度的范围内，理正深基坑设计软件（7.5 版）及GTS 模型对A 点计算的土压力值与实测值较为接近，随着深度的增加，理正深基坑设计软件计算值与实测值偏差越来越大，最大偏差约为80%，而GTS 模型计算结果与实测值相对较接近。

3.2 周边建筑物沉降变形分析

GTS 模型计算得出的周边建筑沉降曲线及云图见图5 和图6，从GTS 模型计算结果来看，1#建筑物和2#建筑物距离基坑较近一侧的两个角点（a1、a2和a5、a6 点）出现轻微隆起现象，这主要是因为1#建筑物和2#建筑物基础埋置较深，此处土压力较小，而第2-5 步预应力锚索的预加力偏大。

图5 周边建筑物沉降变形曲线

图6 周边建筑物沉降云图

在监测最后阶段建筑物沉降最大值出现在3#建筑物的a9 角点处，约为6.4 mm。在整个基坑开挖过程中，1#和2#建筑物均向坑外倾斜，在基坑完成第6步开挖后，建筑物倾斜达到最大值，1#建筑物最大倾斜率为0.03%，2#建筑物最大倾斜率为0.01%；3#建筑物在基坑开挖初期，向坑内倾斜，当基坑完成最后一步开挖后，则发生向2#建筑物方向倾斜的现象，即围绕建筑物的中心呈转动趋势。3#建筑物最大倾斜率为0.08%。上述三个建筑物的倾斜率均小于设计允许倾斜率（0.2%）。3#建筑物的长宽比最大，故其对抵抗基坑开挖的影响最不利，测得其最大沉降值、最大差异沉降也最大[12]。

基坑自2020 年6 月开挖，至12 月第4 步开挖完成，期间1#、2#及3#建筑物的沉降监测值都很小，在1～3 mm。当基坑开挖完成后，各建筑物沉降值达到最大，最大值发生在3#建筑物的西北角，沉降值为5 mm。

3.3 支护结构最大水平位移对比

从2020 年6 月至2021 年10 月（基坑开挖至第八步开挖完成）的桩顶及深层水平位移监测结果看（见图7、图8），最大变形发生在南侧基坑中间部位，即T15 点位附近。

图7 支护结构最大水平位移云图

图8 支护结构最大水平位移变化曲线

从图8 中可以看出，三种方式反映的基坑开挖过程中支护结构水平位移的变化趋势基本相同，随着基坑的开挖，支护结构最大水平位移逐渐加大。对于同一工况，三种方式得到的最大水平位移值是不同的。如开挖第一步时，实测最大水平位移值大于GTS 模型计算的最大水平位移值，这主要是由于南侧施工道路活荷载及堆载引起的。对于其他工况，理正软件模型和GTS 模型计算的最大水平位移结果都大于实测最大水平位移值，且理正软件模型计算结果偏差更大。分析其原因，勘察报告中给出的土层参数相对较保守，且规范中的计算公式存在一定的安全系数，故计算结果偏大。