陳 立 敏

(中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

0 引言

基坑開(kāi)挖是半無(wú)限空間體內(nèi)的動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程，基坑開(kāi)挖卸荷會(huì)使得基坑周邊土體產(chǎn)生側(cè)向位移，坑底產(chǎn)生回彈，這些土體卸荷行為均會(huì)影響到周邊建筑物及既有地鐵隧道的安全，因此分析基坑開(kāi)挖對(duì)于周?chē)h(huán)境的影響成為一個(gè)亟待研究的重要課題。目前有不少學(xué)者展開(kāi)了多方面的研究并取得了豐碩的成果。韓健勇等[1]通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出了在不同工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與建筑物沉降之間的關(guān)系。范凡等[2]通過(guò)理論分析得出了基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響的分區(qū)特征，提出了坑外開(kāi)挖面深度以上土體沉降分布曲線(xiàn)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。陳陽(yáng)等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)位移和周邊土體沉降隨時(shí)間及開(kāi)挖深度的變化規(guī)律。

鑒于此，本文以沈陽(yáng)某基坑工程為背景，利用Midas GTS NX有限元軟件建立三維數(shù)值模型，研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中，鄰近建筑物以及既有地鐵隧道受基坑開(kāi)挖的影響規(guī)律，為后期類(lèi)似基坑工程的安全施工提供參考。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 模型建立

擬建基坑開(kāi)挖深度約為11.5 m，基坑北側(cè)有一地鐵風(fēng)亭，距基坑邊8.1 m，風(fēng)亭底板標(biāo)高25.71 m?；游鱾?cè)有一16層建筑，距基坑邊5.2 m，有2層地下室，埋深8 m?；?xùn)|側(cè)臨近地鐵線(xiàn)路，地鐵線(xiàn)距基坑邊4.2 m～16.9 m，并且有一豎井緊鄰擬建基坑，地鐵線(xiàn)軌頂標(biāo)高18.696 m，豎井底板標(biāo)高13.89 m。為保護(hù)既有區(qū)間隧道，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，采取如下支護(hù)設(shè)計(jì)方案：

1)北側(cè)：支護(hù)樁φ1 000@1 300+三層角支撐，旋挖成孔，全程護(hù)筒；

2)東側(cè)：支護(hù)樁φ1 000@1 300+三層錨索，旋挖成孔，上部4.0 m采用護(hù)筒(距離小于6.0 m的部位全程采用鋼護(hù)筒)。東側(cè)—靠近豎井：支護(hù)樁φ1 000@1 300，旋挖成孔，上部4.0 m采用護(hù)筒；

3)南側(cè)：支護(hù)樁φ600@1 200+二層錨索，長(zhǎng)螺旋成孔；

4)西側(cè)：支護(hù)樁φ800@1 300+一層錨索，長(zhǎng)螺旋成孔。

基坑開(kāi)挖影響寬度約為3倍～5倍的基坑開(kāi)挖深度，影響深度約為2倍～4倍的基坑開(kāi)挖深度，因此計(jì)算模型幾何尺寸X，Y，Z分別取211 m，211 m，35 m。模型底部固定，四周約束法向位移，上部為自由邊界，有限元模型如圖1所示，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型共有176 904個(gè)單元，計(jì)算模型施工步驟與實(shí)際施工一致。

1.2 模型本構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中土體采用實(shí)體單元建模，修正摩爾庫(kù)侖模型模擬；錨桿采用植入式桁架單元建模，彈性模型模擬；圍護(hù)樁和支撐結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?，彈性模型模擬；地鐵隧道襯砌采用板單元建模，彈性模型模擬。本次數(shù)值計(jì)算所采用的巖土力學(xué)計(jì)算參數(shù)依據(jù)該項(xiàng)目勘察報(bào)告確定，具體地層參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響

地鐵隧道最終水平和豎向位移計(jì)算云圖如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可知，由于基坑開(kāi)挖會(huì)引起周?chē)馏w擾動(dòng)，使基坑周?chē)馏w向基坑內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向位移，地鐵隧道結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生附加位移和附加變形。當(dāng)?shù)谝粚油练介_(kāi)挖結(jié)束后，該階段隧道結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到0.42 mm，占總水平位移的45%，隧道累計(jì)沉降量達(dá)到1.937 mm，累計(jì)上浮量達(dá)到1.871 mm；當(dāng)?shù)谄邔油练介_(kāi)挖結(jié)束，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最終水平位移為0.93 mm，指向基坑方向，最終累計(jì)沉降量為1.961 mm，累計(jì)上浮量為1.896 mm，根據(jù)《沈陽(yáng)地鐵三號(hào)線(xiàn)一期工程初步設(shè)計(jì)技術(shù)要求》，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計(jì)沉降量、累計(jì)上浮量均在預(yù)警值4.2 mm內(nèi)，基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后，左線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為1.961 mm，右線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.835 mm，高差為1.126 mm，在預(yù)警值2 mm內(nèi)。

2.2 基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響

本文通過(guò)分析建筑物地下室下角點(diǎn)位移量來(lái)判斷基坑

開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物沉降的影響，并規(guī)定豎向位移向上為正。圖5為基坑開(kāi)挖完成后鄰近建筑物地下室沉降云圖。

分析云圖可知，基坑開(kāi)挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢(shì)。地下室寬度方向兩個(gè)下角點(diǎn)的沉降分別為-5.69 mm和-5.26 mm，其沉降差為0.43 mm。根據(jù)現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，傾斜度為基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)沉降差與其距離的比值。本工程中，建筑物高48 m，因此建筑物的傾斜度為0.43/72=0.005 9，規(guī)范要求的限值為0.006，滿(mǎn)足規(guī)范要求，但接近規(guī)范臨界值，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需要采取合理手段減少建筑物的沉降。

3 結(jié)論與建議

本文通過(guò)有限元軟件數(shù)值分析，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，得出了以下結(jié)論：

1)基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計(jì)沉降量、累計(jì)上浮量均在預(yù)警值4.2 mm內(nèi)，且左線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)與右線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的高差為1.126 mm，在預(yù)警值2 mm內(nèi)。

2)基坑開(kāi)挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢(shì)，采用單排樁支護(hù)形式，建筑物的傾斜度達(dá)到規(guī)范臨界值。