張 軍，趙少飛，張志科，黃 剛

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

深大基坑開挖對(duì)鄰近建筑物及隧道的變形影響

張 軍1，趙少飛2，張志科1，黃 剛1

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

以天津地鐵鄰近的某廣場深基坑工程為背景，基坑?xùn)|西兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鄰近建筑物的地下室連續(xù)墻，基坑下部有地鐵隧道穿越。基坑開挖對(duì)鄰近既有建筑物和地鐵隧道產(chǎn)生變形影響，采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬。 計(jì)算結(jié)果表明，采用既有建筑地下室側(cè)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖對(duì)該建筑沉降量和傾斜影響較小;開挖對(duì)隧道側(cè)向位移影響較大，而對(duì)隧道軸向位移影響可以不計(jì)，隧道總位移量不影響正常使用。合理利用周圍既有建筑物，地下室永久結(jié)構(gòu)作為基坑臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約資源和降低成本。

基坑開挖；建筑物變形；數(shù)值模擬；節(jié)約資源

0 引言

在深基坑工程中，保證基坑開挖的整體穩(wěn)定性并降低對(duì)周圍鄰近建筑物/構(gòu)筑物的影響至關(guān)重要，因此它的環(huán)境效應(yīng)不容忽視?；娱_挖期間導(dǎo)致地表不均勻沉降，不僅改變工作環(huán)境，甚至可能會(huì)造成基坑塌陷，造成周圍建筑物/構(gòu)筑物變形、開裂和倒塌[1-3]。有效減小基坑的變形可以降低周圍土體的不均勻沉降，降低相鄰建筑安全風(fēng)險(xiǎn)。天津地鐵工程建設(shè)已經(jīng)處于快速發(fā)展階段，深大基坑工程不僅對(duì)基坑周圍既有建筑物有影響，而且還會(huì)對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道的變形造成危害。

理論分析不適合解決愈加復(fù)雜的實(shí)際工程問題，三維有限元分析方法能更符合基坑工程實(shí)際工況，較好的模擬基坑、相鄰建筑物和隧道， 能夠分析基坑開挖過程中相鄰建筑物和隧道的動(dòng)態(tài)變化過程[4]。本文以天津地鐵鄰近的某廣場深基坑工程為背景，基坑?xùn)|西兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鄰近建筑物的地下室連續(xù)墻，基坑下部有地鐵隧道穿越。采用有限元軟件MIDAS/GTS模擬基坑開挖過程對(duì)鄰近的高層建筑物及地下隧道變形影響，評(píng)價(jià)建筑物和隧道的安全。

1 修正摩爾-庫倫模型及參數(shù)取值

深基坑工程數(shù)值分析中，常采用彈塑性本構(gòu)，其中屈服破壞準(zhǔn)則多為經(jīng)典摩爾庫倫準(zhǔn)則，參數(shù)容易獲取且能夠滿足基坑開挖的分析需要。但對(duì)于深大基坑，基坑開挖引起的計(jì)算變形值與實(shí)際值偏差較大，為此在有限元MIDAS/GTS 軟件中，提供了修正-摩爾庫倫模型[5]，修正-摩爾庫倫涉及11個(gè)參數(shù)，各參數(shù)含義及取值如表1。本文根據(jù)各土層行為特性，采用修正摩爾庫倫模型來模擬。

表1 修正摩爾庫倫模型參數(shù)

2 工程概況

基坑長71.25 m，寬62.5 m，面積約為4000 m2，基坑開挖深度15 m，如圖1?；游髂相徑扔薪ㄖ橛^井樓，下設(shè)2層地下室，埋深9.2 m，上設(shè)局部為28層；東北鄰近建筑為觀海樓，下設(shè)2層地下室，埋深9.2 m，上設(shè)局部為10層如表2，樁基礎(chǔ)的承臺(tái)埋置深度為0.80 m。由于基坑?xùn)|、西兩側(cè)靠著觀井樓、觀海樓兩幢建筑的地下室。因此在開挖到9.3 m前在這兩個(gè)方向上不設(shè)基坑臨時(shí)維護(hù)結(jié)構(gòu)，直接采用現(xiàn)有地下室的側(cè)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在基坑北側(cè)采用Φ800@1000的鉆孔灌注樁加Φ800的旋噴樁進(jìn)行柱間止水；南側(cè)采用放坡開挖，采用錨桿加固。開挖到15 m時(shí)，四周均采用地下連續(xù)墻圍護(hù)。

圖1 場地平面圖

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，場地土層別為雜填土、淤泥、殘積粘性土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖

等組成，各土層物理學(xué)參數(shù)見表3。

基坑下已有隧道區(qū)間段距基坑地面垂直距離為13.8～14.5 m，隧道采用防水鋼筋混凝土二次襯砌，混凝土為C35、P10；仰拱填充材料為C35混凝土；鋼筋采用HPB300和HRB335兩類。

表2鄰近建筑物

備注：(1)備注：Hg為自室外地面算起的建筑物高度。(2)地面整平標(biāo)高為羅零標(biāo)高。

3 土-隧道-結(jié)構(gòu)三維有限元模型

3.1 模型簡化

為了方便分析，有限元數(shù)值建模需要進(jìn)行以下簡化：(1)地表面和各土層界面為水平面；(2)地下水影響忽略不計(jì)；(3)各土層強(qiáng)度符合修正M-C準(zhǔn)則；(4)施工前地面自重固結(jié)沉降已完成；(5)地下室側(cè)墻在計(jì)算時(shí)可將其等價(jià)成地下連續(xù)墻。

3.2 模型建立

根據(jù)工程實(shí)際情況，土-隧道-結(jié)構(gòu)的三維模型建立步驟如下：(1)模擬土層生成，模型地表計(jì)算范圍取基坑面積4倍以上，坑底影響范圍取基坑深度的2～2.5倍，考慮隧道位置，所以模型地基長度為180 m，區(qū)間寬度和深度分別為180 m和55 m。考慮土體自重固結(jié)完成，土自重相應(yīng)沉降為零，僅保留自重應(yīng)力場；(2)建立兩側(cè)建筑物模型，結(jié)構(gòu)自重荷載通過樁底部加集中力體現(xiàn)；(3)模擬隧道生成，隧道位置如圖2；(4)側(cè)面及底面施加邊界約束，側(cè)面法向位移設(shè)為零，底面三個(gè)方向全為零。

圖2 土-隧道-結(jié)構(gòu)有限元模型

4 有限元模擬結(jié)果分析

在此范圍內(nèi)基坑開挖分兩步進(jìn)行，第一步開挖至9.3 m，在沒有建筑物的兩側(cè)分別進(jìn)行放坡和錨桿支護(hù);第二步開挖深度5.7 m到15 m深，基坑四周均采用連續(xù)墻。

4.1 基坑開挖對(duì)建筑物的影響

有限元MIDAS/GTS軟件模擬兩次開挖過程及支護(hù)方式對(duì)建筑物和隧道的影響，結(jié)果分析如下。

基坑鄰近建筑物的安全評(píng)價(jià)[6,7]應(yīng)根據(jù)建筑物高度、結(jié)構(gòu)、型式等因素而定，本項(xiàng)目以建筑物沉降量及建筑整體傾斜值的雙重標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證，以保證結(jié)果的安全可靠性。

由圖3計(jì)算結(jié)果可知：觀海樓最大沉降量為31 mm,觀井樓最大沉降量為14 mm。

圖3 基坑開挖至9.3 m時(shí)，建筑物的位移云圖

建筑整體傾斜為基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值確定。觀海樓基礎(chǔ)邊緣沉降量最小為8 mm,最大值為31 mm,由此整體傾斜值為0.172‰，同理觀井樓的整體傾斜值為0.282‰。

由圖4計(jì)算結(jié)果可知：開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，即地面下15 m，觀海樓最大基礎(chǔ)沉降量為43 mm,觀井樓最大基礎(chǔ)沉降量為25 mm。

觀海樓基礎(chǔ)邊緣沉降量最小為14 mm,最大值為43 mm,由此整體傾斜值為0.163‰，同理觀井樓的整體傾斜值為0.262‰。

基坑施工過程中鄰近建筑物的地基基礎(chǔ)變形標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[8]確定，變形允許值如表4，由此可獲得觀海樓和觀井樓的變形控制標(biāo)準(zhǔn)及允許值?；娱_挖引起地基變形的累積變形量必須小于地基變形允許值。

圖4 基坑開挖至15 m時(shí)，建筑物的位移云圖

整體傾斜沉降量/mm允許值計(jì)算值允許值計(jì)算值觀海樓000250001620043觀井樓00030002620025

利用有限元方法計(jì)算兩步開挖過程中建筑沉降量及整體傾斜值與表4規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，可以得出：

對(duì)于采用地下室連續(xù)墻作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑開挖中對(duì)地面及建筑的沉降量和傾斜程度均滿足規(guī)范要求?？梢?，這種施工方式對(duì)于節(jié)省資源、降低成本有很好的作用，可以為以后類似施工提供借鑒。

4.2 基坑開挖對(duì)隧道變形的影響

基坑開挖后，隧道各位置位移量如圖5，計(jì)算結(jié)果表明隧道側(cè)向總位移最大為2.84 mm，在X方向位移最大值為0.5 mm， Z方向位移最大值為2.8 mm。由于隧道位于基坑開挖的下方，基坑的開挖卸荷主要引起隧道豎向位移。最大位移出現(xiàn)在近似中間位置，如果隧道嚴(yán)格水平，上部土層厚度均勻，區(qū)間隧道最大位移應(yīng)在中部，但本工程中隧道上層土層厚度變化13.8～14.5 m，因此基坑開挖引起的隧道偏移的最大值發(fā)生偏移中心。運(yùn)營線路軌道豎向最大變形在±4 mm范圍內(nèi)和隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量≤20 mm[9-12]，從圖中的數(shù)據(jù)可以得出隧道的沉降和位移值均滿足規(guī)定。基坑開挖引起隧道軸向位移量為0.001 mm，所以不考慮其影響。

5 結(jié)論

利用有限元MIDAS/GTS軟件建立土-隧道-結(jié)構(gòu)有限元模擬，對(duì)天津某基坑開挖所引起鄰近建筑物及隧道變形影響進(jìn)行了數(shù)值分析，可得出以下結(jié)論：

圖5 開挖完成后雙線隧道各點(diǎn)的位移

(1) 開挖過程中和開挖結(jié)束后地鐵隧道產(chǎn)生的側(cè)向位移較大，其中主要是開挖卸荷引起的豎向位移，而軸向位移很小可以不計(jì)，隧道可以正常運(yùn)行。

(2) 有限元計(jì)算表明，通過利用既有建筑物地下室圍墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑物產(chǎn)生影響在安全范圍內(nèi)，對(duì)于基坑工程應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，從而保證鄰近建筑物在工程施工期間的安全。

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Influenceofdeepfoundationpitexcavationonadjacentbuildingsandtunnels

ZHANG Jun1,ZHAO Shao-fei2,ZHANG Zhi-ke1,HUANG Gang1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

Based on the construction of the deep foundation pit of a square adjacent to Tianjin subway,the enclosure structures on both sides of the foundation pit employ exterior basement walls of the adjacent buildings,and the subway tunnels cross under it. Finite element software MIDAS/GTS is used to simulate the influence of excavation foundation pit on the deformation of existing buildings and subway tunnels. The simulated results show: (1) The excavation of the foundation has little effect on the settlement and tilt of the adjacent buildings which basement continuous walls used the enclosure structures. (2) The excavation has a great influence on the lateral displacement of the tunnels in which the z-direction displacement is dominant,while the axial displacement of the tunnel is little. The total displacement of the tunnels does not affect their routine work. Resources are greatly reduced when exterior basement walls of adjacent buildings used the temporary support structures of deep foundation pits.

foundation excavation;building deformation;numerical simulation;saving resources

2017-06-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017042)

張軍(1992-)，男，河北衡水人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：建筑安全。E-mail:zj15032223883@163.com

TU753

A

1672-7169(2017)04-0069-06