□文/王 黎

建筑密集區(qū)深基坑開挖施工中數(shù)值模擬分析的應(yīng)用

□文/王 黎

某深基坑工程施工場地狹小，周邊緊鄰主要街道和居民區(qū)，工程難度非常大。文章運(yùn)用了數(shù)值模擬分析方法，在基坑西側(cè)預(yù)留了土臺(tái)，合理地利用了土體本身在開挖過程中控制變形的潛力，保證了深基坑開挖的安全。該工程表明，數(shù)學(xué)模擬分析方法可有效應(yīng)用于深基坑開挖中。

深基坑；數(shù)值；模擬；建筑；密集

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于天津市河北區(qū)，占地面積16 162 m2；總建筑面積87700.13m2，其中地上建筑面積61 945.47 m2，地下建筑面積25 754.66 m2。基坑平面呈不規(guī)則形狀，東西最寬處約為95 m，南北長約134 m，開挖面積約為1.06萬m2，開挖深度為10.18 m；挖運(yùn)土方約13萬m3。地塊北端為一棟21層高度＜100 m的辦公樓及3層商業(yè)裙房，中部及南端為2棟35層高度＜100 m的高層住宅，東南角為一棟14層高度為40 m的高層住宅，場地建筑物之間為2層整體地下車庫。

場地周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)緊鄰城市主干道，東側(cè)地下結(jié)構(gòu)外邊線距用地紅線最近處為2.97 m，用地紅線距城市次干道中心線僅7.7 m，地上有10 kV高壓電線，地下有燃?xì)夤?、給水管線、排水管、DN400 mm管道及電纜等眾多管線；南側(cè)一單位附屬用房已貼近基坑外圍水泥攪拌樁且該附屬用房基礎(chǔ)埋深不足30 cm；沿基坑西側(cè)為5棟小區(qū)住宅樓，據(jù)基坑約7～10 m，均為20世紀(jì)90年代砌體結(jié)構(gòu)建筑，高5～7層，基礎(chǔ)埋深淺，約為2～3 m且房屋本身的自重偏心，其中A建筑已存在嚴(yán)重不均勻沉降變形，距基坑邊僅6.9 m，周邊建筑保護(hù)要求極高。

1.2 地質(zhì)情況

建設(shè)場地屬?zèng)_積、海積低平原。經(jīng)場平后的標(biāo)高約為大沽高程1.70 m（建筑相對(duì)標(biāo)高-0.50 m），對(duì)基坑工程影響較大的土層分布在上部約20 m內(nèi)。地層編號(hào)③2層粉質(zhì)粘土為新近沖積層，僅局部分布，根據(jù)③2層粉質(zhì)粘土的分布變化情況，全場地分為I、II兩個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為正常沉積區(qū)，Ⅱ區(qū)為古河道分布區(qū)。

初見水位埋深2.50～2.90 m，標(biāo)高-0.68～-1.06 m。靜止水位埋深1.20～1.60 m，標(biāo)高 0.35～0.25 m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m左右。該場地建筑物抗浮設(shè)防水位為大沽標(biāo)高1.50 m。

⑧2層粉土為弱透水層，具有一定的承壓性，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，其承壓水的水頭高度約為大沽標(biāo)高0.00 m。

正常沉積Ⅰ區(qū)上部④2、⑥3兩層均為粉土層，透水性好，這兩層粉土中水的滲漏，很容易給相鄰磚混結(jié)構(gòu)建筑物造成嚴(yán)重后果。

2 基坑支護(hù)及開挖設(shè)計(jì)

2.1 地下水控制設(shè)計(jì)

采用三軸攪拌樁止水帷幕隔水，規(guī)格為φ650 mm@900 mm，有效樁長14.50 m?；觾?nèi)部設(shè)φ500 mm無砂混凝土管大口井降水32眼，采用正循環(huán)工藝成孔，帷幕外觀測井13眼，井深均15.0 m，在基坑西側(cè)建筑密集區(qū)域補(bǔ)加觀測井3眼。觀測井采用φ100 mm鐵管。

2.2 支護(hù)工程設(shè)計(jì)

圍護(hù)樁的規(guī)格為 φ750 mm@1 000 mm，有效樁長16.80 m，嵌固深度8.40 m；主筋根數(shù)22φ22 mm。針對(duì)基坑周邊建筑密集區(qū)域，圍護(hù)樁采用φ800 mm@1 000 mm，有效樁長18.80 m，嵌固深度10.40 m；主筋根數(shù)28φ22 mm。采用一道水平環(huán)形混凝土內(nèi)支撐系統(tǒng)，環(huán)梁截面為1 000（1 400）mm×800 mm，強(qiáng)度等級(jí) C35 混凝土支撐。配合72根鋼格構(gòu)立柱，規(guī)格為460 mm×460 mm×12 mm。

在底板、地下二層樓板處分別設(shè)置換撐傳力帶，以便地下車庫-5.00 m樓板完成后可以拆除環(huán)形內(nèi)支撐。

由于周邊一些建筑物對(duì)于沉降極為敏感，為合理利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，以達(dá)到控制坑周地層位移以及保護(hù)周邊環(huán)境的目的，在基坑西側(cè)對(duì)應(yīng)沉降敏感的A建筑處預(yù)留土臺(tái)，土臺(tái)上部寬度5.00 m，自-5.00 m向下放坡1∶1.2至基底標(biāo)高。土臺(tái)表面設(shè)60 mm厚強(qiáng)度等級(jí)C20噴射混凝土掛網(wǎng)護(hù)面，鋼筋網(wǎng)為φ6 mm@200 mm雙向，見圖1。

圖1 西側(cè)預(yù)留土臺(tái)方案

3 基坑開挖過程模擬分析

3.1 基坑水平位移計(jì)算

為確保施工的合理性，采用啟明星軟件對(duì)是否預(yù)留土臺(tái)2種工況下環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系的水平位移進(jìn)行計(jì)算，見圖2和圖3（僅列出位移＞8 mm的數(shù)據(jù)）。

圖2 西側(cè)無土臺(tái)開挖至基底標(biāo)高水平位移

圖3 西側(cè)預(yù)留土臺(tái)開挖至基底標(biāo)高水平位移

由圖2和圖3可以看出，在無土臺(tái)的情況下，基坑西側(cè)平均位移約為14 mm，而東側(cè)位移則不足8 mm；預(yù)留土臺(tái)后，基坑西側(cè)位移不足8 mm，而東側(cè)平均位移則有明顯的增加，大致為16 mm。這說明預(yù)留土臺(tái)可以有效地限制支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的發(fā)展，減少基坑開挖對(duì)西側(cè)既有建筑物基礎(chǔ)的變形，降低施工對(duì)其的不利影響。

3.2 基坑開挖數(shù)值模擬

為更清楚地了解基坑開挖過程對(duì)周邊建筑物基礎(chǔ)的影響，采用巖土有限元軟件PLAXIS對(duì)擬開挖基坑的2種工況進(jìn)行分析，主要選擇了最不利位置A建筑進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)采用的是二維模型，見圖4。

圖4 有限元模型

圖5是不留土臺(tái)情況下，基坑挖至-10.18 m深度時(shí)的變形，為便于觀看，將其變形放大100倍。A建筑物發(fā)生較大的傾斜，其基礎(chǔ)底部及右側(cè)的土體發(fā)生較大的變形，擠壓基坑的支護(hù)樁，使樁身發(fā)生較大的彎曲變形。

圖5 無土臺(tái)開挖至-10.18 m時(shí)的基坑變形

圖6是預(yù)留土臺(tái)后，基坑挖至-10.18 m深度時(shí)的變形。A建筑的沉降較小，沒有發(fā)生嚴(yán)重的傾斜，其基礎(chǔ)底部和右側(cè)的土體變形較小，而由于支護(hù)樁的右側(cè)有土臺(tái)的作用，樁身發(fā)生的彎曲變形較小。

圖6 預(yù)留土臺(tái)開挖至-10.18 m時(shí)的基坑變形

另外，由圖5可以看出，無土臺(tái)情況下，A建筑最大沉降為18.00 mm，最大水平位移為4.44 mm；由圖6可以看出，有土臺(tái)情況下，A建筑最大沉降為6.32 mm，最大水平位移為2.55mm。由此可見，有無土臺(tái)的存在，對(duì)A建筑的基礎(chǔ)變形影響極大。

圖7是2種基坑開挖方案支護(hù)樁的水平位移對(duì)比。預(yù)留土臺(tái)時(shí)，樁身的最大水平位移為11.6 mm，而直接開挖樁身的最大水平位移為26.1 mm，這表明預(yù)留土臺(tái)的方法可以極大減小樁身水平位移，從而減小對(duì)所支護(hù)土體的變形和沉降的影響。

圖8是2種方案下A建筑墻后地表的沉降對(duì)比。直接開挖時(shí)，墻后地表最大沉降量為18 mm，而預(yù)留土臺(tái)開挖的最大沉降量為6.2 mm，表明預(yù)留土臺(tái)可以有效控制A建筑物墻后地表的沉降，從而防止A建筑在開挖過程中出現(xiàn)較大的傾斜。

4 施工要點(diǎn)與控制措施

4.1 挖土施工

由于基坑面積較大，形狀不規(guī)則，水平支撐體系以兩大環(huán)梁為主要支撐構(gòu)件，整體剛度不太大，基坑開挖對(duì)支撐內(nèi)力、變形影響較大。因此，開挖前對(duì)施工現(xiàn)場平面布置、開挖施工技術(shù)路線、環(huán)境保護(hù)措施等進(jìn)行了反復(fù)分析論證并加強(qiáng)對(duì)開挖過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)分析，適時(shí)調(diào)整開挖進(jìn)行和順序，保證基坑開挖過程中支撐體系的均衡受力和變形。

第一步，土方開挖施工中。為確保西側(cè)居民住宅樓的安全，在對(duì)稱、平衡開挖原則下，采取先開挖東側(cè)、北側(cè)土方，再開挖南側(cè)、西側(cè)土方的挖運(yùn)順序，利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，有效減少了西側(cè)、南側(cè)冠梁頂部的位移。待其他區(qū)域基礎(chǔ)底板施工完畢后，組織專家對(duì)土方開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估后，再對(duì)西側(cè)預(yù)留土臺(tái)進(jìn)行開挖，通過南側(cè)大門將土方運(yùn)出場外。

第二步，開挖基坑西側(cè)預(yù)留土臺(tái)。為有效控制因基坑地基土卸載坑底原始應(yīng)力狀態(tài)改變，土體的彈性效應(yīng)使基坑底面產(chǎn)生一定的回彈變形(隆起)，經(jīng)計(jì)算分析，將該區(qū)域基礎(chǔ)混凝土墊層厚度增加到通常做法的3倍且坑底支撐混凝土擋墻與基礎(chǔ)混凝土墊層一同澆筑施工，形成一整體。

4.2 基坑及周邊環(huán)境變形監(jiān)測控制

從基坑降水施工開始到土方挖運(yùn)完畢，加強(qiáng)基坑支撐體系、周邊道路、地下管線、周邊建筑物的變形情況監(jiān)測，建立信息共享平臺(tái)，每天及時(shí)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。密切注意帷幕滲漏情況及坑外水位的變化情況，遇有異常情況立即采取措施。

1）支撐體系水平位移監(jiān)測。在支撐環(huán)梁（共布設(shè)18個(gè)觀測點(diǎn)）及冠梁（布設(shè)28個(gè)觀測點(diǎn)）上分別布設(shè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)，在基坑開挖過程中每天監(jiān)測1次，雨后加測1次。

2）支撐體系垂直位移監(jiān)測。利用高程監(jiān)測方法對(duì)支撐環(huán)梁及冠梁上的觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每天1次。

3)周邊建筑物沉降變形監(jiān)測。對(duì)基坑開挖深度1.5倍距離范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。從基坑土方開挖到全部土方挖運(yùn)完畢（含基坑西側(cè)預(yù)留土臺(tái)），西側(cè)預(yù)留土臺(tái)處周邊對(duì)應(yīng)A住宅樓監(jiān)測數(shù)據(jù)。

各個(gè)測點(diǎn)的沉降量較小，平均沉降量在7 mm左右，滿足施工要求。

5 結(jié)語

經(jīng)近4月的開挖，基坑土方挖運(yùn)施工完畢，其周邊住宅小區(qū)預(yù)留土臺(tái)處對(duì)應(yīng)A建筑物的平均沉降量在7 mm左右，累計(jì)最大沉降量僅為13.24 mm；冠梁水平位移累計(jì)最大值為29.3 mm，均在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的警戒值范圍內(nèi)，完全達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。通過數(shù)值方法對(duì)基坑工程的施工工況進(jìn)行模擬分析，通過預(yù)留土臺(tái)，利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，同時(shí)，密切加強(qiáng)施工過程中的基坑支撐體系及其周邊環(huán)境監(jiān)測，適時(shí)調(diào)整開挖進(jìn)程和順序，進(jìn)而采取相應(yīng)的施工控制措施，可有效降低基坑開挖施工風(fēng)險(xiǎn)值，對(duì)軟土深基坑開挖有較好的借鑒意義。

TU473.2

C

1008-3197（2013）05-10-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.004

2013-06-04

王 黎/男，1960年出生，高級(jí)工程師，天津市河北區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理支隊(duì)，從事工程質(zhì)量監(jiān)督管理工作。