代 濤,顏 升,曾 琪

(1.武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430205； 2.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，湖北 武漢 430073)

我國(guó)城市化建設(shè)已開(kāi)始進(jìn)入新一輪的發(fā)展期。為提升老城區(qū)城市品質(zhì)、改善排水條件，越來(lái)越多的既有建筑面臨著周邊配套管網(wǎng)改造問(wèn)題。由于施工場(chǎng)地緊湊、環(huán)境復(fù)雜，使得所需要開(kāi)挖的基坑深度不斷增加，施工和監(jiān)測(cè)的難度也不斷提高[1-4]。同時(shí)，這也加劇了基坑工程的安全風(fēng)險(xiǎn)和監(jiān)測(cè)成本?；庸こ讨谐Ｒ?jiàn)的事故類(lèi)型包括：支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形或破壞、基坑降水所引起的沉降以及由支護(hù)結(jié)構(gòu)施工而引起的坑周地基或鄰近建筑物的變形或破壞[5-7]。因此，如何降低成本、合理監(jiān)測(cè)深基坑施工過(guò)程中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近建(構(gòu))筑物的影響，及時(shí)制止事故的發(fā)生成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

數(shù)值模擬分析常被用來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周?chē)貙?、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建(構(gòu))筑物的影響。丁士龍[8]采用PLAXIS3D研究了風(fēng)井深基坑工程開(kāi)挖對(duì)坑角外淺基礎(chǔ)建筑的影響，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了模擬結(jié)果的有效性；徐建寧[9]基于PLAXIS研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)條形基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)的多層框架建筑物的影響，并通過(guò)SAP2000分析了不同框架結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及重力二階效應(yīng)的影響規(guī)律；劉剛[10]基于MIDAS GTS NX對(duì)采用地下連續(xù)墻及內(nèi)支撐支護(hù)形式的深基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了不同開(kāi)挖階段周?chē)貙雍椭ёo(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性；朱純[11]采用有限差分程序FLAC分析了非對(duì)稱基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地層和鄰近既有建筑變形的影響，并綜合考慮施工條件，確定了最優(yōu)開(kāi)挖方案；汪智慧[12]采用ABAQUS研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)既有混凝土橋梁樁基的影響，討論了旋噴樁加固方式對(duì)減小深基坑開(kāi)挖不利影響的有效性。上述數(shù)值仿真分析能夠直觀并預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物變形的影響趨勢(shì)以及各結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展的過(guò)程，有助于預(yù)先篩選出危險(xiǎn)截面，從而提前部署工程實(shí)測(cè)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的施工具有良好的指導(dǎo)性。

本文以武漢市東湖開(kāi)發(fā)區(qū)兩湖泵站配套管網(wǎng)工程Y4工作井的深基坑開(kāi)挖為研究對(duì)象，使用ABAQUS有限元分析軟件建立施工影響區(qū)域內(nèi)各結(jié)構(gòu)和地層的實(shí)體單元模型，通過(guò)觀察截面控制點(diǎn)位移和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展情況，研究深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近76號(hào)居民住宅樓和圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能造成的不利影響，提出相應(yīng)的防護(hù)措施，保證鄰近建筑物的安全以及管網(wǎng)工程的正常施作。

1 工程概況

武漢東湖開(kāi)發(fā)區(qū)擬改造兩湖泵站及周邊配套管網(wǎng)工程，其中Y4工作井基坑鄰近錦繡龍城D區(qū)住宅樓，與既有76號(hào)居民住宅樓接近，工程平面關(guān)系如圖1所示。

76號(hào)居民住宅樓上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，平面尺寸31.8 m×17.5 m，地面以上總高33.6 m,基礎(chǔ)形式為C30鋼筋混凝土柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深2.1 m～2.3 m，長(zhǎng)800 mm～2 800 mm，寬800 mm～2 800 mm，高300 mm～700 mm不等，基礎(chǔ)持力層為黏土層。Y4工作井基坑深11 m，設(shè)計(jì)使用年限按1.5 a考慮，工程重要性等級(jí)為一級(jí)。管網(wǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用C30鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐方案，樁長(zhǎng)18 m。鉆孔灌注樁樁頂設(shè)置C30鋼筋混凝土冠梁，第一道設(shè)鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×800 mm，距離基坑頂1.5 m處；第二道設(shè)Q235鋼支撐，φ609 mm壁厚6 mm，距離基坑頂約7 m處，腰梁為2145c型鋼腰梁。結(jié)合勘探結(jié)果及武漢市區(qū)域地質(zhì)資料，在勘探孔所揭穿的深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層自上而下劃分為：素填土、硬塑黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖，各土層基本力學(xué)參數(shù)如表1所示，施工區(qū)域立面關(guān)系圖如圖2所示。

表1 基坑施工區(qū)域各土層基本力學(xué)參數(shù)

擬建場(chǎng)地勘察期間地表水主要為武漢市三環(huán)線南側(cè)水塘水，水深1.20 m～1.40 m，水面高程25.12 m(85國(guó)家高程系統(tǒng))；地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水地表水。地表水和地下水均對(duì)擬建工程影響不大。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型

Y4工作井作為盾構(gòu)的接收井，其盾構(gòu)區(qū)間線路與既有錦繡龍城76號(hào)樓軸向并不平行，符合立體模型的特點(diǎn)，通過(guò)分析Y4工作井基坑開(kāi)挖與76號(hào)住宅樓結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系，使用ABAQUS有限元軟件建立三維仿真模型，模擬分析Y4工作井基坑開(kāi)挖支護(hù)對(duì)76號(hào)住宅樓的影響。以Y4井基坑和錦繡龍城76號(hào)住宅樓為主要計(jì)算對(duì)象，模型計(jì)算尺寸為120 m×105 m×30 m，建筑物與基坑按實(shí)際位置和結(jié)構(gòu)方案建立實(shí)體模型。建筑物基礎(chǔ)深度3 m，高度為33 m，基坑圍護(hù)樁深度18 m，基坑深11 m。數(shù)值計(jì)算模型采用C3D8/C3D8R實(shí)體單元模擬，如圖3,圖4所示。模型前后左右邊界固定法向位移，底部邊界固定水平豎向位移，上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度。

2.2 計(jì)算參數(shù)

土體和混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，材料參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告及相應(yīng)規(guī)范選?。恍弯撝ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用完全彈塑性本構(gòu)模型，材料參數(shù)按照工程設(shè)計(jì)方案中構(gòu)件實(shí)際截面特性對(duì)比規(guī)范進(jìn)行等效計(jì)算確定。各材料計(jì)算參數(shù)最終取值見(jiàn)表2。

表2 各結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.3 施工步設(shè)置

數(shù)值模擬按照以下步驟進(jìn)行分析：先地應(yīng)力平衡，然后進(jìn)行錦繡龍城76號(hào)住宅樓施作，最后開(kāi)挖基坑，比較基坑開(kāi)挖過(guò)程中及完工后對(duì)錦繡龍城76號(hào)住宅樓的整體影響。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為11個(gè)施工步進(jìn)行，如表3所示。

表3 施工步設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到各工況下整體模型各結(jié)構(gòu)位移情況，選取其中不同位置處的控制點(diǎn)分析位移變化。選取的控制點(diǎn)位置如圖5所示。經(jīng)過(guò)初始地應(yīng)力平衡、基礎(chǔ)施作及主體建筑施作等施工步后，形成圖6,圖7所示的基坑施工前位移場(chǎng)，之后的基坑開(kāi)挖變形分析基于此位移場(chǎng)。

將處在數(shù)值模型中不同結(jié)構(gòu)截面的控制點(diǎn)進(jìn)行劃分。其中，位于住宅樓主體結(jié)構(gòu)同側(cè)的控制點(diǎn)所在截面為截面A；位于住宅樓主體結(jié)構(gòu)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的控制點(diǎn)所在截面為截面B；位于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)同側(cè)的控制點(diǎn)所在截面為截面C。各截面控制點(diǎn)在后續(xù)開(kāi)挖步序下的位移變化曲線如圖8所示，由于A截面建筑物上的控制點(diǎn)1和2的豎向位移幾乎一致，因此在圖8(a)中略去控制點(diǎn)2的豎向位移變化曲線。

由圖中可看出，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作的過(guò)程中，數(shù)值模型中各截面控制點(diǎn)的豎向位移變化趨勢(shì)相近，各控制點(diǎn)均在鉆孔灌注樁施作時(shí)產(chǎn)生最大豎向位移并在后續(xù)施工步中有所回彈，隨后在底板施作過(guò)程中又產(chǎn)生少量豎向變形。其中，鉆孔灌注樁施作對(duì)截面B處的各控制點(diǎn)產(chǎn)生的影響最大，最終豎向位移在-0.335 mm～0.042 mm之內(nèi)；對(duì)截面A處的各控制點(diǎn)產(chǎn)生的影響最小，最終豎向位移在-0.066 mm～-0.02 mm之內(nèi)。

在位于截面A建筑物上的控制點(diǎn)1和2中，橫向位移最大值出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖至11 m深時(shí)，為-0.119 mm(背離基坑方向)，且在該施工步下建筑物產(chǎn)生了最大傾角，為3.84×10-6，小于2/1 000。在后續(xù)施工步中，建筑物的傾角逐漸減小，直至底板開(kāi)始施作，此時(shí)傾角又有所增大并最終穩(wěn)定在1.97×10-6。該截面的其他控制點(diǎn)5,8,11均在腰梁支撐施作時(shí)產(chǎn)生最大橫向位移，且以位于強(qiáng)風(fēng)化泥巖中的控制點(diǎn)8位移最顯著，為-0.368 mm。

位于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面C上的控制點(diǎn)4在基坑開(kāi)挖至-1 m時(shí)產(chǎn)生了最大橫向位移，為0.641 mm，且在冠梁支撐施作完成后降低至0.240 mm；控制點(diǎn)7和10均在底板施作的過(guò)程中產(chǎn)生了最大橫向位移，分別為0.45 mm和0.372 mm；控制點(diǎn)13在鉆孔灌注樁施作過(guò)程中產(chǎn)生最大橫向位移，此時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移圖如圖9(a)所示，樁體的橫向變形呈現(xiàn)出“鼓肚子”形態(tài)，在腰梁和底板施作完成后該控制點(diǎn)橫向位移顯著減小，如圖9(b)所示。

位于中間土層截面B上的各控制點(diǎn)橫向位移情況分別受到截面A和截面C的影響，除了灌注樁施作和底板施作對(duì)各控制點(diǎn)的較大影響外，基坑的初始開(kāi)挖也對(duì)控制點(diǎn)3和6產(chǎn)生了較大的影響，但對(duì)其余兩個(gè)控制點(diǎn)幾乎不產(chǎn)生影響。該截面內(nèi)控制點(diǎn)的最終橫向位移在-0.363 mm～0.226 mm之間。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖和支護(hù)施作過(guò)程中的應(yīng)力發(fā)展情況如圖10所示，從基坑施工開(kāi)始至土體剛開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)灌注樁在土壓力作用下樁身應(yīng)力自上而下逐漸增大，各部分應(yīng)力分布均勻。隨著基坑開(kāi)挖的深入，開(kāi)挖處土壓力逐漸釋放，坑外土體壓力全部作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，樁身外側(cè)應(yīng)力開(kāi)始明顯大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力并呈現(xiàn)出條紋狀向下延伸。在支撐結(jié)構(gòu)施作完成后，樁身應(yīng)力被重新分配并主要集中于腰梁支撐，各部分應(yīng)力均未超過(guò)支撐結(jié)構(gòu)80%的屈服強(qiáng)度，能夠滿足規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值，但在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)其變化速率的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)Y4工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+兩道橫向支撐的支護(hù)形式，地下水處理措施為雙管旋噴樁樁間止水。根據(jù)勘察提供的地質(zhì)條件，施工場(chǎng)地水主要為地表上層滯水。考慮到上層滯水對(duì)本項(xiàng)目的影響較小，且設(shè)計(jì)對(duì)下部基巖裂隙水采取了雙管旋噴樁樁間止水措施，Y4井實(shí)施中不會(huì)存在大范圍降水，因此不考慮基坑降水條件下的影響。

2)Y4工作井基坑內(nèi)邊線距錦繡龍城76號(hào)住宅樓結(jié)構(gòu)邊線最近，為17 m?；又黧w結(jié)構(gòu)與評(píng)估建筑物主體結(jié)構(gòu)在空間位置上不存在沖突，根據(jù)兩者的建設(shè)時(shí)序，錦繡龍城76號(hào)住宅樓已完工數(shù)年，沉降變形基本穩(wěn)定。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，Y4工作井基坑開(kāi)挖施工可能引起的既有76號(hào)住宅樓總體結(jié)構(gòu)變形在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值范圍內(nèi)。

3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中多產(chǎn)生在冠梁與腰梁及其支撐部位，各部分應(yīng)力均未超過(guò)80%的屈服強(qiáng)度，能夠滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求。而基坑工程的安全性由監(jiān)控項(xiàng)目的累積限值和變化速率限值共同控制，因有限元技術(shù)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化速率進(jìn)行仿真分析，因此還需要將工程實(shí)際實(shí)施中的各量變化速率嚴(yán)格控制在規(guī)范規(guī)定的限值范圍內(nèi)。

4.2 建議

1)基坑施工期間須遵循先監(jiān)測(cè)后施工的原則，加強(qiáng)靠近建筑物側(cè)的基坑變形、水位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)反饋。對(duì)于可能影響到的住宅小區(qū)圍墻采取保護(hù)措施，并對(duì)圍墻坍塌可能對(duì)基坑開(kāi)挖工程造成的安全風(fēng)險(xiǎn)采取預(yù)先防護(hù)措施。

2)基坑開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、對(duì)稱、限時(shí)的原則，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，進(jìn)行信息化施工。當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底設(shè)計(jì)高程后，應(yīng)及時(shí)施作墊層和井室底板結(jié)構(gòu)，避免因坑底長(zhǎng)時(shí)間暴露，增加影響基坑安全的風(fēng)險(xiǎn)。必要時(shí)在基坑內(nèi)預(yù)留反壓土，減小基坑土方開(kāi)挖卸載產(chǎn)生的不利影響。