張 波，錢(qián)德玲，蔣玉敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著現(xiàn)代都市的發(fā)展，地面交通壓力不斷變大，為緩解交通壓力同時(shí)減少噪音、粉塵的污染，地下空間開(kāi)發(fā)成為當(dāng)今社會(huì)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行基坑開(kāi)挖，基坑變形控制以及對(duì)周邊建筑保護(hù)是亟待解決的又一大工程難題，基坑工程設(shè)計(jì)常常由強(qiáng)度控制演變?yōu)樽冃慰刂啤Ｉ罨油馏w開(kāi)挖必然導(dǎo)致周?chē)翆右苿?dòng)，位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，對(duì)基坑自身安全與周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。復(fù)雜城市環(huán)境下深基坑工程在設(shè)計(jì)階段就必須合理評(píng)估基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施以確保周邊環(huán)境的安全。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行基坑設(shè)計(jì)規(guī)范所采用的豎向彈性地基梁法尚無(wú)法合理預(yù)測(cè)基坑施工土體變形及對(duì)周邊環(huán)境的變形影響，不能適應(yīng)基坑變形控制設(shè)計(jì)與變形預(yù)測(cè)的需要。隨著計(jì)算機(jī)的仿真計(jì)算軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬成為基坑工程開(kāi)挖前變形預(yù)測(cè)的有效分析手段。

本文結(jié)合南京江東路某段基坑工程，利用MIDAS/GTS有限元軟件進(jìn)行彈塑性分析［1］，研究基坑支撐軸力和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)基坑設(shè)計(jì)和開(kāi)挖方案的合理性，同時(shí)，論證了深基坑施工對(duì)周邊建筑的變形影響及變形控制措施的有效性，為以后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某下穿通道是南京市江東路工程的一部分，主要穿某大街地段及路口。隧道起點(diǎn)樁號(hào)K2＋542，終點(diǎn)樁號(hào)K3＋010，隧道全長(zhǎng)468m。其中隧道暗埋段長(zhǎng)166m，北側(cè)敞開(kāi)段長(zhǎng)151m，南側(cè)敞開(kāi)段長(zhǎng)151m。隧道橫斷面為雙向6車(chē)道，采用單箱兩孔鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。隧道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度29.2m，高度7.7m。隧道基坑周長(zhǎng)約1 015m，基坑面積約14 392m2，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度29.2～33.6m，泵房管理用房位置基坑寬度35.1m，標(biāo)準(zhǔn)段最大開(kāi)挖深度約10.2m（泵坑位置局部開(kāi)挖深度約13.1m）。隧道采用明挖法施工，挖深小于2m采用重力式擋墻支護(hù)；挖深大于2m采用了SMW工法樁支護(hù)?；痈鶕?jù)開(kāi)挖深度不同設(shè)置1～3道支撐，第1道采用混凝土支撐，第2、3道采用φ609鋼管支撐。

由于江東路某段基坑較深且土層及周?chē)h(huán)境較復(fù)雜，因此選擇此段為研究對(duì)象。該段基坑?xùn)|側(cè)為10層高的銀城大廈，在基坑開(kāi)挖影響范圍之內(nèi)。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為排樁＋止水帷幕，支撐結(jié)構(gòu)為1道混凝土支撐＋2道鋼支撐［2］。開(kāi)挖步驟共分為4步，第1步開(kāi)挖至1m，第2步開(kāi)挖至5m，第3步開(kāi)挖至8m，第4步開(kāi)挖至10m。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

本段基坑最大挖深為10.2m，為二級(jí)基坑。為此，監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)考慮了本工程的周?chē)h(huán)境、基坑本身的特點(diǎn)及相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，按照安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則。本工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下：圍護(hù)樁頂部垂直、水平位移監(jiān)測(cè)，土體深層水平位移監(jiān)測(cè)，支撐軸力監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)頻率：開(kāi)挖期間1～4次/d，主體施工及回填期間1次/3d。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

2 基坑開(kāi)挖數(shù)值計(jì)算

2.1 模型的建立

計(jì)算采用巖土工程有限差分程序MIDAS/GTS?；?/2三維計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 基坑1/2三維計(jì)算模型

由于基坑南北2段對(duì)稱(chēng)，因此選擇1/2段基坑作為數(shù)值模擬研究對(duì)象，并且考慮到基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，計(jì)算模型尺寸選擇為140m×126m×34m（X×Y×Z）。地表為自由面，底面全約束，各側(cè)面限制法向位移。土體及加固體采用實(shí)體單元［3］；圍護(hù)樁按等剛度原則換算成為板單元計(jì)算；冠梁、混凝土支撐、鋼支撐、鋼圍檁及立柱按梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算；銀城大廈換算成面荷載作用在土層上。計(jì)算模型中實(shí)體單元數(shù)為58 824，網(wǎng)格點(diǎn)為62 422。

場(chǎng)地50m深度范圍內(nèi)地基土呈層分布，自上而下一共分為6層，各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 計(jì)算采用的土層參數(shù)

2.2 分析步驟

開(kāi)挖考慮初始應(yīng)力，其具體開(kāi)挖分析步驟如下：① 初始應(yīng)力分析；② 結(jié)構(gòu)施工及修建排樁；③ 第1步開(kāi)挖；④ 設(shè)置第1道支撐；⑤ 第2步開(kāi)挖；⑥ 設(shè)置第2道支撐；⑦ 第3步開(kāi)挖；⑧ 設(shè)置第3道支撐；⑨ 第4步開(kāi)挖；⑩ 底板施工；○11 主體施工。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)支撐軸力的分析

基坑內(nèi)支撐直接約束圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移，支撐軸力的大小也能直接反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。由于其監(jiān)測(cè)方式方便、快捷且精度高，內(nèi)支撐軸力通常是研究基坑安全的重要指標(biāo)之一。本基坑工程第1道混凝土支撐最大軸力2 018.8kN，小于報(bào)警值2 880kN；最大鋼支撐軸力出現(xiàn)在第2道支撐上，最大單根支撐軸力模擬值為2 818.7kN，超出報(bào)警值1 280kN。其內(nèi)力云圖如圖3所示。

圖3 第1道鋼支撐X方向軸力圖

由分析以上結(jié)果可知，隨著基坑開(kāi)挖深度的加深，內(nèi)支撐軸力呈不斷增大的趨勢(shì)。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對(duì)比：第1道混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)TZC3在第3步開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，實(shí)測(cè)值為1 922.7kN，有限元模型對(duì)應(yīng)相同坐標(biāo)的60 175號(hào)計(jì)算單元模擬值1 894.6kN，實(shí)測(cè)值在第4步開(kāi)挖結(jié)束時(shí)出現(xiàn)了整個(gè)前期開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)最大值2 107.3kN，模擬值為2 018.8kN；第1道鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)GZC3在第3步開(kāi)挖后，實(shí)測(cè)值為1 986.5kN，有限元模型對(duì)應(yīng)相同坐標(biāo)的60 366號(hào)計(jì)算單元模擬值為1 924.8kN。鋼支撐軸力實(shí)測(cè)值在第4步開(kāi)挖結(jié)束后出現(xiàn)了整個(gè)前期開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)最大值2 933.2kN，模擬值2 818.7kN。

綜上對(duì)比可知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值基本一致，支撐軸力隨土體開(kāi)挖不斷增大，在底板施工完畢到主體結(jié)構(gòu)施工期間，混凝土支撐軸力會(huì)有一定程度的減小［4］。TZC3測(cè)點(diǎn)支撐軸力隨施工步驟變化的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 TZC3測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的分析

3.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力是評(píng)價(jià)基坑安全的另一個(gè)重要指標(biāo)，本基坑開(kāi)挖至坑底后圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩云圖如圖5所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩出現(xiàn)正、負(fù)2個(gè)峰值，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，到第4步開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，繞Y方向出現(xiàn)最大正彎矩為1 308.6kN·m/m，最大負(fù)彎矩模擬值為－1 142.3kN·m/m。由于基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)樁受建筑物荷重的影響，彎矩大于西側(cè)的圍護(hù)樁。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分析

基坑開(kāi)挖至坑底后圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體X側(cè)向位移如圖6所示?；游鱾?cè)圍護(hù)樁最大側(cè)向位移為31.5mm，東側(cè)圍護(hù)樁最大側(cè)向位移為41.2mm。由于計(jì)算模型考慮了基坑?xùn)|側(cè)銀城大廈的重力及超載作用，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向變形稍大于西側(cè)圍護(hù)樁。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向水平位移

基坑圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)東側(cè)WY2和西側(cè)WY4在不同的開(kāi)挖階段側(cè)向位移也在隨之變化。第1層土體為無(wú)支撐開(kāi)挖，圍護(hù)樁側(cè)向位移和懸臂梁相似，樁頂位移較小。后續(xù)開(kāi)挖階段圍護(hù)樁側(cè)向位移隨開(kāi)挖深度的增加而不斷變大，與此同時(shí)，圍護(hù)樁的側(cè)向位移最大值逐漸從樁頂處下移至樁體腹部，符合普遍規(guī)律［5］。東、西側(cè)2測(cè)點(diǎn)墻體最大側(cè)向位移分別為40.8、31.4mm，未超出報(bào)警值。

基坑開(kāi)挖至坑底后監(jiān)測(cè)點(diǎn)東側(cè)WY2和西側(cè)WY4側(cè)向位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯觯?jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線(xiàn)形態(tài)也基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算方案的可行性和計(jì)算結(jié)果的可靠性，表明三維計(jì)算模型能準(zhǔn)確合理地反應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變形趨勢(shì)，因此，進(jìn)一步分析基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物沉降影響是可行的。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

3.3 建筑物沉降分析

因基坑附近的銀城大廈下部基礎(chǔ)尚無(wú)法確定，計(jì)算模型暫不考慮建筑物下部基礎(chǔ)，只對(duì)建筑物做沉降研究［6］?；娱_(kāi)挖至坑底，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，建筑物西側(cè)靠近基坑一邊沉降大于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)，最大沉降為11.2mm，位于建筑物西北角的CJ1，實(shí)測(cè)沉降為10.5mm，模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合。最小沉降是建筑物東南角CJ4，下沉7.2mm，與實(shí)測(cè)的6.6mm亦吻合。由于建筑物南側(cè)開(kāi)挖范圍不大，北側(cè)沉降普遍大于南側(cè)，這也說(shuō)明建筑物沉降受基坑開(kāi)挖的影響較為明顯，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。建筑物沉降計(jì)算值隨施工步驟變化如圖8所示。

圖8 建筑物沉降計(jì)算值

因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ1比CJ3和CJ4離基坑更近，建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ1在第2步開(kāi)挖后沉降為5.9mm，第3步開(kāi)挖后增加到8.6mm，第4步開(kāi)挖后達(dá)到最終的11.2mm，是建筑物沉降變化最快的一部分。CJ2在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，雖然變化得也很快，但其更加接近于基坑的邊緣，受到的擾動(dòng)較小，所以沉降變化的速率還是小于CJ1。而CJ4離基坑最遠(yuǎn)，沉降變化速率也最小。根據(jù)建筑物沉降和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析［6］可知，建筑物的不均勻沉降是由開(kāi)挖引起的，離基坑較近一側(cè)沉降略大，而且沉降變化的速率也要快于遠(yuǎn)離基坑的一側(cè)。

建筑物基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的部分圍護(hù)樁側(cè)向位移和內(nèi)支撐軸力與建筑物沉降有一定的關(guān)聯(lián)性，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的增大必然導(dǎo)致建筑物沉降增大。由于基坑支撐軸力和圍護(hù)樁側(cè)向位移的監(jiān)測(cè)精度較高，監(jiān)測(cè)的結(jié)果能在一定的程度上反映基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響大小［7］，因此在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出報(bào)警值，必須提前做好防護(hù)措施。

4 結(jié)論

本文結(jié)合江東路某段基坑工程，基于 MIDAS/GTS建立三維計(jì)算模型，分析基坑施工的變形及其對(duì)周邊建筑的影響，主要研究結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)該基坑工程的數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)大致相同，這說(shuō)明三維模型的建立、參數(shù)的選取以及等效的替代是基本正確的。因此，數(shù)值模擬手段能夠有效地預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中變形以及受力狀態(tài)，做到信息化指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明基坑的設(shè)計(jì)是基本安全的。

（3）建筑物的不均勻沉降主要是由開(kāi)挖引起的，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的沉降較小，靠近基坑一側(cè)的沉降較大，并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。因此，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，建筑物向著基坑一側(cè)傾斜必然越來(lái)越大［8］。

（4）當(dāng)支撐軸力超出工程設(shè)計(jì)規(guī)定的報(bào)警值，或者圍護(hù)樁側(cè)向變形過(guò)大，建筑物沉降也會(huì)隨之增大。因此，在基坑開(kāi)挖時(shí)，為保護(hù)周邊建筑物，要根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，按時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)軸力或位移報(bào)警，就應(yīng)加強(qiáng)對(duì)建筑物沉降的監(jiān)測(cè)，如變形過(guò)大，必要時(shí)，采取回填基坑或小導(dǎo)管注漿等加固措施。

［1］王 強(qiáng).敏感環(huán)境下深大基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)分析及數(shù)值模擬［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（Z1）：98－101.

［2］王衛(wèi)東，李進(jìn)軍，徐中華.敏感環(huán)境條件下深基坑工程的設(shè)計(jì)方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（10）：349－354.

［3］劉 杰，姚海林，任建喜.地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2010，31（Z2）：456－461.

［4］劉 勇，馮 志，黃國(guó)超，等.北京地鐵工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（2）：329－335.

［5］陳生東，簡(jiǎn)文彬.復(fù)雜環(huán)境下基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)與分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27（Z2）：1188－1191.

［6］丁勇春，程澤坤，王建華.深基坑施工對(duì)歷史建筑的變形影響及控制研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（Z1）：644－648.

［7］陳 震，王希勇，呂小軍，等.基坑開(kāi)挖卸載對(duì)下部地鐵的作用分析［J］，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35（4）：508－512.

［8］趙永勝，王炳龍，周順華.基坑開(kāi)挖施工對(duì)鄰近建筑影響的監(jiān)測(cè)分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2000，（1）：51－53.