李 艷 劉 東

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

大型地下空間深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析*

李 艷1劉 東2

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

某大型地下空間深基坑開挖會引起周邊箱涵、鐵路、橋墩等重要基礎(chǔ)設(shè)施及房屋建筑物產(chǎn)生不同程度的水平位移及沉降，可能會影響結(jié)構(gòu)正常使用或危及結(jié)構(gòu)安全。采用大型有限元軟件，模擬深基坑開挖過程及支撐施加過程，計算基坑周圍土體變形，通過分析基坑周邊建筑物及構(gòu)筑物的水平位移、水平位移差值、沉降值及沉降差，綜合評價深基坑在開挖的時候，是否需要對周邊建筑物及構(gòu)筑物進行重點監(jiān)測或加固保護，確保結(jié)構(gòu)安全。

地下空間；深基坑開挖；有限元模擬；影響分析

武漢某大型地下綜合體兼有地鐵車站、車庫、商場、辦公室、設(shè)備間等功能，其中，地鐵車站部分的基坑現(xiàn)已施工完畢，基坑挖深27.5m；車站兩側(cè)的大型地下空間設(shè)計為兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基坑挖深15m，擬采用明挖順作方案施工，并采用“地連墻+內(nèi)支撐”進行基坑圍護。緊鄰基坑西部有箱涵穿越；東部沿線有城市高架橋的橋墩；北部有鐵路，距離基坑20m；西南角有2棟8層磚混結(jié)構(gòu)房屋，距離基坑32m；西邊有1棟11層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓，距離基坑35m。大面積的深基坑開挖會對周邊重要的建筑物及構(gòu)筑物產(chǎn)生水平位移及沉降影響，不均勻的沉降還會造成建筑物及構(gòu)筑物傾斜。為確保結(jié)構(gòu)安全，采用大型有限元軟件Midas/GTS建立基坑圍護結(jié)構(gòu)和周邊土層的有限元模型，通過“去除”坑內(nèi)土體單元，添加模擬支撐等手段，模擬深基坑開挖過程及支撐施加過程；從有限元計算結(jié)果中提取建筑物或構(gòu)筑物所在的各個觀測點的位移計算值，據(jù)此分析建筑物或構(gòu)筑物的水平位移及沉降是否位于規(guī)范規(guī)定的限制范圍內(nèi)，從而綜合判斷周邊重要的建筑物或構(gòu)筑物在深基坑開挖時是否需要加強監(jiān)測或加固。

1 三維有限元模型

1.1 計算范圍

有限元模型的水平邊界取至深基坑地連墻外2.5倍挖深，且距離周邊建筑、鐵路、橋墩外不小于10m，水平計算域為329.360m*334.555m；豎向邊界從坑外地表向下取約2倍車站挖深，計算域高度為55m；西側(cè)鐵道線及擋土墻比坑外地表高2m。模擬范圍內(nèi)已施工完畢的地鐵車站基坑、兩側(cè)待挖基坑、箱涵、鐵路、高架橋的橋墩(矩形橋墩j1-j12，正方形橋墩f1-f8)、房屋建筑等建(構(gòu))筑物的水平分布情況如圖1所示，圖中U1、U2為水平位移計算方向，U1與西側(cè)的地連墻平行。

圖1 模型的水平計算域(mm)

1.2 計算模型

模型中鋼筋混凝土地連墻(墻厚800mm)及鋼筋混凝土箱涵(方形筒體厚500mm)選用線彈性板單元，地連墻的環(huán)形鋼構(gòu)件支撐體系選用線彈性梁單元；基坑周圍土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型。計算模型按1m進行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)本身的異型導致在網(wǎng)格劃分時出現(xiàn)較多尺寸很小的網(wǎng)格單元，整個模型共計4357735個單元，3545624個節(jié)點，在模型土體的周邊及底部都設(shè)置垂直于邊界表面的位移約束，上部為自由表面。

1.3 計算參數(shù)

模型的主要材料為土體、鋼筋混凝土、鋼材，依據(jù)該項目的巖土工程勘察報告，各土層的計算參數(shù)如表1所示，土體的彈性模量以壓縮模量為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗確定[1]。

表1 各土層計算參數(shù)

地連墻采用C40混凝土，支撐采用鋼結(jié)構(gòu)桿件，混凝土和鋼材的計算參數(shù)按照規(guī)范取值[2-3]，C40混凝土彈性模量為32.5GPa，泊松比為0.30，密度為2500kg/m3；鋼材彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3。

2 模擬方案

2.1 建筑物及橋墩模擬方案

深基坑開挖時，需綜合評價建筑物的水平位移、沉降及傾斜率，綜合評價橋墩的水平位移、沉降及相鄰橋墩的水平位移差和沉降差等。地面建筑物和橋墩的剛度較大，綜合評價時可不考慮自身變形，用等效均布荷載模擬，作用于相應(yīng)部位土層表面。等效荷載按恒載和活載的準永久組合(準永久值系數(shù)為0.5)計算確定，取值如表2所示。

表2 建筑物及橋墩等效荷載

2.2 分層開挖及支撐施加模擬方案

待挖基坑分4層開挖，前3層都挖至支撐中心面處，每挖完一層土，設(shè)置一道支撐和立柱，第4層土挖至坑底。支撐體系采用環(huán)形支撐，3道支撐分別布置在地面以下1.176m、6.676m、11.676m，支撐布置如圖2所示。土體開挖過程采用鈍化土體單元進行模擬，環(huán)形支撐施加過程采用激活支撐梁單元進行模擬，作用在地連墻上。

圖2 環(huán)形支撐布置示意圖

2.3 降水滲流模擬方案

為研究基坑開挖造成的周邊土層失水滲流對周邊建筑沉降的影響，在模型中需對地下水的水壓變化及滲流狀況進行模擬。土體單元在采用摩爾-庫侖彈塑性模型的同時，賦予土體單元透水性，按照當?shù)亻L江水位的特點，假定模型的初始地下潛水面均在地表標高7.4m處。模擬開挖引起地下水滲流時，設(shè)遠端(模型外邊界處)的潛水面不下降，每開挖一層土后，坑底面水壓降為0，形成坑內(nèi)外土體的孔壓場，引起坑外地表和建筑下面土體的孔隙水壓下降。計算中不模擬其隨時間變化的過程，只計算每挖一層土之后的總體降水效果。

2.4 分步計算方案

根據(jù)基坑開挖工序確定軟件分步計算步驟：(1)初始滲流；(2)初始位移；(3)設(shè)地連墻；(4)挖基坑第一層土，設(shè)基坑第一道支撐和立柱；(5)挖基坑第二層土，設(shè)基坑第二道支撐和立柱；(6)抽水頭1；(7)計算抽水頭1變形；(8)挖基坑第三層土，設(shè)基坑第三道支撐和立柱；(9)抽水頭2；(10)計算抽水頭2變形；(11)挖基坑第四層土。

3 深基坑開挖對周邊建(構(gòu))筑物的影響分析

3.1 坑外土體的水平位移及沉降值

U1、U2兩個方向的位移合量為觀測點的水平位移，U3方向位移為豎向位移，向上為正，向下為負。分析有限元計算結(jié)果可知，隨著基坑逐層開挖，坑外土體的水平位移及豎向位移都呈遞增趨勢，基坑第四層土開挖后，周邊土體的水平位移及豎向位移云圖如圖3所示。

基坑平面為異型多邊形，有4個長度較大的主要邊界，東北走向的邊界最長。由圖3可知，靠近基坑4個長邊的土體水平位移和沉降都較大，水平位移和沉降最大值都發(fā)生在基坑東北走向邊界(最長邊界)的中部位置，離地連墻往基坑外約10m～20m的f1、f2、f3、j1橋墩區(qū)域，最大水平位移達到17.610mm，最大沉降達到6.134mm；基坑邊角處土體水平位移和沉降都很小?？梢姡罨娱_挖時，周邊土體的水平位移和沉降是正相關(guān)的，基坑的邊界長度是影響周邊土體位移的重要因素，邊界越長，水平位移及沉降越大。

3.2 基坑開挖對鐵路的影響分析

南線和北線最大水平位移分別為3.321mm和1.384mm，最大沉降值分別為1.321mm和0.439mm。按照規(guī)范要求[4]，有砟軌道沉降≤50mm，無砟軌道沉降≤15mm，鐵路沉降處于安全指標以內(nèi)。

3.3 基坑開挖對橋墩的影響分析

計算結(jié)果表明，部分橋墩區(qū)域可能出現(xiàn)較明顯的沉降和水平偏移，特別是離基坑最近的橋墩j1沉降6.134mm，f3沉降5.130mm，相鄰橋墩j1與j2沉降差值最大達1.750mm；順橋向相鄰橋墩j1與j2水平位移差值最大達3.929mm，j1與f1水平位移差值為3.133mm，f3與f4水平位移差值為3.613mm。

目前，尚沒有形成有關(guān)地下結(jié)構(gòu)基坑開挖時鄰近高架橋橋墩變形的控制標準，按照文獻建議[5]：考慮到橋墩在運營期內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的變形，后期基坑開挖導致橋墩的沉降量應(yīng)控制在10mm，相鄰墩臺沉降差取沉降量的1/2，即5mm；相鄰橋墩水平位移差控制值建議取為5mm?？梢姡琷1、f3橋墩部位的沉降計算值，j1與j2、j1與f1、f3與f4等相鄰橋墩的水平位移差計算值已接近安全控制指標，基坑開挖時應(yīng)重點監(jiān)控。橋墩的基礎(chǔ)為深基礎(chǔ)，

圖3 坑外土體位移云圖

實際位移還與基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)埋深等有關(guān)，橋墩的實際沉降值比計算值偏小，用橋墩區(qū)域土體的位移評價橋墩實際位移是安全的。

3.4 基坑開挖對箱涵的影響分析

箱涵南段的最大水平偏移達到6.090mm，箱涵南段的最大沉降位移達3.890mm，遠小于箱涵總沉降量≤300mm，相鄰管節(jié)間沉降差≤50mm的變形限值，箱涵是安全的。

3.5 基坑開挖對房屋建筑的影響分析

地面建筑為多層和小高層，基礎(chǔ)埋深不大，可認為建筑物隨土體一起產(chǎn)生位移。離基坑較近的8層磚混結(jié)構(gòu)房屋的各向位移都比11層的框架結(jié)構(gòu)房屋大，磚混結(jié)構(gòu)的最大水平位移值為4.770mm，沉降值為2.160mm、傾斜率為0.3‰?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)中5.3.4規(guī)定[6]，建筑物主要應(yīng)控制傾斜率，限值為0.004～0.002，可見，深基坑周邊的3棟房屋都是安全的。

4 結(jié) 論

由有限元模擬分析可知，周邊鐵路、箱涵、房屋建筑物等都在安全距離以外，該大型地下空間結(jié)構(gòu)的深基坑開挖對周邊鐵路、箱涵、房屋建筑物等不會造成安全影響。但臨近深基坑的j1與f3的沉降值較大，相鄰橋墩j1與j2的沉降差較大、順橋向的相鄰橋墩j1與j2、j1與f1、f3與f4的水平位移差較大。因此，深基坑開挖時，應(yīng)對j1、j2、f1、f3、f4橋墩進行重點監(jiān)控，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況做好加固保護，確保施工安全。

[1]于麗鵬. 基于FLAC3D模擬的土體彈性模量取值分析[J]. 水利與建筑工程學報，2014,12(2): 162-166.

[2]GB50010-2010(2015年版)，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50017-2014，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]TB10020-2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].

[5]姚虎成，郭振坤，劉觀仕. 地下通道施工臨近高架橋橋墩變形控制標準探討[J]. 土工基礎(chǔ)，2015,29(1): 70-72.

[6]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

2017-01-01

湖北省教育科學規(guī)劃課題“高職建筑類專業(yè)教師信息化職業(yè)能力提升對策研究”(編號：2016GB276)。

李 艷(1983-)，女，湖北公安人，武漢交通職業(yè)學院講師，主要從事結(jié)構(gòu)計算分析、高職教育教學研究。劉 東(1986-)，男，湖北武漢人，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.01.018

TU753

A

1672-9846(2017)01-0075-04