金 旭 苗曉鵬 呂圣嵐 劉天玚 邵 磊

（1.航天規(guī)劃設計集團有限公司，北京 100162；2.中國航天建設集團有限公司，北京 100071；3.北京航天地基工程有限責任公司，北京 100070）

0 引言

城市建設用地日趨緊張，尤其在北京等一線城市，建筑地下空間開發(fā)利用已成為城市建設發(fā)展的重要趨勢，因而出現(xiàn)了許多深基坑工程。城市深基坑工程周邊環(huán)境復雜[1-2]，基坑事故時有發(fā)生，對基坑工程及周邊建（構）筑物的安全評價和保護尤為重要。當基坑距離重點保護建（構）筑物（如地鐵車站等）較近時，基坑設計必須要充分、全面地分析計算基坑開挖引起的周邊建（構）筑物變形情況。傳統(tǒng)的二維設計計算方法在這方面存在諸多弊端和局限，需要借助有限元軟件進行三維建模來模擬基坑開挖對鄰近建（構）筑物的影響，進而做出客觀、全面的分析和評價。

數(shù)值模擬分析軟件中土體本構模型參數(shù)較多，有些參數(shù)無法通過地勘報告直接獲取。不同地區(qū)的同一類土、同一地區(qū)的不同類土，其參數(shù)取值不盡相同，因此要通過理論數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比驗證模型中各類土的參數(shù)取值范圍，從而更好地為工程服務。

目前，許多學者對深基坑開挖安全評價與分析做出了深入的研究。宋 宸[3]基于青島地鐵基坑開挖長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，對基坑開挖卸荷效應進行分析，建立了基坑開挖周邊安全風險評價體系。張傳虎[4]以西寧某深基坑工程為研究實例，分析基坑周圍土體沉降、水平位移、土釘軸力以及坑底抗隆起等基坑變形和受力特點，驗證了該工程選型思路的可行性以及關鍵參數(shù)確定的合理性。尹永明[5]以上海軟土地區(qū)某地鐵站深基坑開挖為例，分析開挖施工的風險因素、安全施工措施及成效，為后續(xù)工程提供參考。此外，MIDAS 等數(shù)值模擬軟件廣泛應用于深基坑計算分析。劉 陽等[6]運用MIDAS GTS 軟件對基坑和地鐵區(qū)間隧道和車站主體進行數(shù)值模擬分析，通過與現(xiàn)場實際監(jiān)測對比分析，研究基坑開挖對既有地鐵的安全性。顏 超[7]構建模型分析基坑被動區(qū)加固及結構底板回筑在基坑開挖全過程中對鄰近筑物的影響，為實際工程提供參考。孫 超等[8]基于MIDAS GTS 軟件對長春市某基坑開挖施工過程進行模擬，分析得出樁頂水平位移、圍護結構最大水平位移與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，為基坑監(jiān)測提供參考依據(jù)。喬麗平等[9]通過對深圳某軟土深基坑支護方案進行三維有限元建模和計算，并將計算結果與第三方監(jiān)測結果進行對比分析，驗證了理論計算的可靠性。

依托積水潭醫(yī)院深基坑工程，利用MIDAS GTS軟件建立基坑三維模型，通過三維模型模擬得到基坑變形數(shù)據(jù)，經(jīng)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗證了MIDAS GTS 軟件在工程應用的可靠性。

1 工程實例

1.1 工程概況

積水潭醫(yī)院工程場地位于北京市昌平區(qū)，基坑深度約23 m，基坑東側鄰近3 棟既有建筑物。1#建筑物（污水處理站）地上1 層，地下2 層，基礎埋深6.5 m，距離基坑約4～10 m；2#建筑物（埋地鍋爐房）地下3 層，基礎埋深10.5 m，距離基坑約10～14 m；3#建筑物地上5 層，無地下室，基礎埋深2 m，距離基坑約18～21 m。

1.2 工程地質情況

根據(jù)勘察報告，擬建場地地層主要分為人工堆積層和第四紀沉積層兩大類，并按巖性及工程特性進一步劃分為13 個大層及其亞層。人工堆積層厚度1.40～3.50 m，巖性為黏質粉土素填土、粉質黏土素填土①層及房渣土①1層；其下為第四紀沉積的黏質粉土、粉質黏土、砂質粉土及粉細砂、細中砂等。典型工程地質剖面圖見圖1。

圖1 典型工程地質剖面圖

地下水類型及實測地下水情況見表1。

表1 地下水情況

1.3 基坑支護體系及監(jiān)測布置

基坑采用擋土磚墻與樁錨聯(lián)合支護，地下水控制采用帷幕截水+坑內疏干方案?；由喜? m 采用37 擋土磚墻支護，下部采用樁錨支護。排樁樁徑為1.0 m，樁間距為1.6 m，樁長為30 m，樁身及冠梁混凝土強度等級為C30，鋼筋保護層厚度為50 mm；錨桿腰梁采用雙28b 工字鋼，錨索桿體采用4～5 束7φ5 鋼鉸線（1860 級），錨索長度為23.0～26.0 m；樁間土采用內置φ6.5@200×200 mm 鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土面層?；又ёo及監(jiān)測點平面布置見圖2。

圖2 基坑支護及監(jiān)測點平面布置圖

2 三維基坑模型

2.1 三維有限元模型建立

采用MIDAS GTS 軟件，按照1∶1 的比例建立深基坑模型。根據(jù)基坑的實際尺寸及基坑變形影響范圍[10]，該模型總尺寸為363 m×290 m×65 m，基坑深23 m，護坡樁長30 m，嵌固深度9 m；1#、2#和3#建筑物的尺寸分別為22 m×9 m×12 m、32 m×23 m×13 m和33 m×14 m×17 m。

2.2 計算基本假定

（1）土層厚度分布較均勻，故模型中各土層厚度按照該層的平均厚度考慮。

（2）模型中土體本構模型采用修正莫爾-庫侖本構模型（MMC）[11]，單元類型為六面體單元。模型參數(shù)取值見表2。

表2 MMC 模型土層參數(shù)

（3）支護構件及臨近建筑物則采用線彈性本構模型。

（4）預應力錨索則采用植入式桁架單元模擬；冠梁及鋼腰梁采用梁單元模擬。

（5）為了減少單元數(shù)量，本模型采用剛度等效法[10]將護坡樁體等效為地下連續(xù)墻，并采用板單元模擬。

（6）忽略土體與圍護結構之間的相對位移，結構與土體節(jié)點耦合。

（7）收斂標準采用位移收斂準則。

（8）依據(jù)該工程的實際邊界條件、受力情況及分析工況，對完成網(wǎng)格劃分后的模型施加自重荷載及位移邊界約束條件。

建成的三維基坑模型見圖3（a）和圖3（b）。

圖3 深基坑三維模型及各個構件標識圖

2.3 定義施工階段

利用鈍化和激活功能，根據(jù)具體的施工步驟，依次在每一步工況時鈍化該工況開挖的土體和激活該工況下的支護結構。具體施工工況見表3。

表3 基坑施工工況

3 計算結果與實測數(shù)據(jù)對比分析

本項目在施工過程中對支護結構水平位移、周邊建筑物沉降進行了監(jiān)測，為了驗證模型的可靠性，結合擬建場地施工布置，在擬建基坑的東側選取三個點位進行土壓力監(jiān)測。

3.1 土壓力數(shù)據(jù)對比

土壓力監(jiān)測采用鉆孔法進行監(jiān)測，孔深均為30 m，沿著鉆孔深度方向，每隔4 m 安裝1 個振弦式土壓力計，每個鉆孔共安裝7 個土壓力計。通過對基坑從開挖到底板澆筑階段基坑周圍土壓力監(jiān)測，獲得基坑外一定范圍內土壓力隨開挖深度不同土壓力的變化情況，如圖4 所示。

圖4 計算土壓力與實測土壓力數(shù)據(jù)對比

從圖4 可看出，隨著深度增加，實測及計算土壓力曲線均呈線性增加，曲線基本呈斜直線形[12]。在GTS 模型計算得到的土壓力曲線中，B 點和C 點受地上建筑物荷載的影響，其土壓力值比A 點的要大。在自地表以下8 m 深度的范圍內，理正深基坑設計軟件（7.5 版）及GTS 模型對A 點計算的土壓力值與實測值較為接近，隨著深度的增加，理正深基坑設計軟件計算值與實測值偏差越來越大，最大偏差約為80%，而GTS 模型計算結果與實測值相對較接近。

3.2 周邊建筑物沉降變形分析

GTS 模型計算得出的周邊建筑沉降曲線及云圖見圖5 和圖6，從GTS 模型計算結果來看，1#建筑物和2#建筑物距離基坑較近一側的兩個角點（a1、a2和a5、a6 點）出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象，這主要是因為1#建筑物和2#建筑物基礎埋置較深，此處土壓力較小，而第2-5 步預應力錨索的預加力偏大。

圖5 周邊建筑物沉降變形曲線

圖6 周邊建筑物沉降云圖

在監(jiān)測最后階段建筑物沉降最大值出現(xiàn)在3#建筑物的a9 角點處，約為6.4 mm。在整個基坑開挖過程中，1#和2#建筑物均向坑外傾斜，在基坑完成第6步開挖后，建筑物傾斜達到最大值，1#建筑物最大傾斜率為0.03%，2#建筑物最大傾斜率為0.01%；3#建筑物在基坑開挖初期，向坑內傾斜，當基坑完成最后一步開挖后，則發(fā)生向2#建筑物方向傾斜的現(xiàn)象，即圍繞建筑物的中心呈轉動趨勢。3#建筑物最大傾斜率為0.08%。上述三個建筑物的傾斜率均小于設計允許傾斜率（0.2%）。3#建筑物的長寬比最大，故其對抵抗基坑開挖的影響最不利，測得其最大沉降值、最大差異沉降也最大[12]。

基坑自2020 年6 月開挖，至12 月第4 步開挖完成，期間1#、2#及3#建筑物的沉降監(jiān)測值都很小，在1～3 mm。當基坑開挖完成后，各建筑物沉降值達到最大，最大值發(fā)生在3#建筑物的西北角，沉降值為5 mm。

3.3 支護結構最大水平位移對比

從2020 年6 月至2021 年10 月（基坑開挖至第八步開挖完成）的樁頂及深層水平位移監(jiān)測結果看（見圖7、圖8），最大變形發(fā)生在南側基坑中間部位，即T15 點位附近。

圖7 支護結構最大水平位移云圖

圖8 支護結構最大水平位移變化曲線

從圖8 中可以看出，三種方式反映的基坑開挖過程中支護結構水平位移的變化趨勢基本相同，隨著基坑的開挖，支護結構最大水平位移逐漸加大。對于同一工況，三種方式得到的最大水平位移值是不同的。如開挖第一步時，實測最大水平位移值大于GTS 模型計算的最大水平位移值，這主要是由于南側施工道路活荷載及堆載引起的。對于其他工況，理正軟件模型和GTS 模型計算的最大水平位移結果都大于實測最大水平位移值，且理正軟件模型計算結果偏差更大。分析其原因，勘察報告中給出的土層參數(shù)相對較保守，且規(guī)范中的計算公式存在一定的安全系數(shù)，故計算結果偏大。

4 結論

（1）該支護方案對周邊建筑物沉降的控制是有效的。對于整體性較好、整體剛度大（如筏板基礎+剪力墻結構）的建筑物，應重點關注其傾斜可能發(fā)生轉動的可能；對于長寬比較大的建筑物，需要密切關注其沉降值的變化。

（2）GTS 模型、理正模型和實測結果表明，支護結構土壓力、最大水平位移曲線的變化趨勢基本相同，受施工荷載及安全系數(shù)的影響，個別偏差幅度較大。經(jīng)對比，理正軟件計算結果和三維模擬計算結果均大于實測值，但后者差值幅度相對較小，其計算位移值更接近于實測值。

（3）三維有限元數(shù)值模擬分析計算結果的準確性主要依賴于土體本構模型及其參數(shù)的取值情況，雖然與實測結果有一定差距，但理論計算值反映的變化趨勢與實測結果基本一致，可作為復雜工況下的基坑支護設計的輔助工具。

（4）在基坑支護設計時，可將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維有限元模擬分析結果進行對比，確定相關參數(shù)的取值情況，從而預測后續(xù)施工的安全性，必要時可調整設計方案，以確?；庸こ痰陌踩?/p>