地鐵深基坑開挖對緊鄰建筑影響的有限元模擬與監(jiān)測研究

楊卓　吳劍波　趙一臻　李兵　都建昌　譚潮永

摘要：以臨近北京地鐵朝陽門站深基坑某高層建筑為背景，采用有限元分析軟件PLAXIS建立了考慮位移場、滲流場情況下的深基坑開挖對臨近高層建筑影響的三維數(shù)值模型，對工程降水、基坑開挖引起的高層建筑變形與沉降進(jìn)行了分析計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)探討了基坑和高層建筑相對位置與開挖深度對地基基礎(chǔ)的卸載或加載作用。結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較接近，可為深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析及類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；地鐵車站；數(shù)值模擬；影響分析；監(jiān)測分析

中圖分類號：TU375.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Taking a highrise building of deep foundation pit surrounding Chaoyangmen subway station in Beijing as background，a threedimension numerical model with considering displacement field and seepage field was established using finite element software PLAXIS to simulate the influence of deep foundation pit excavation on adjacent highrise building. The deformation and settlement of highrise buildings caused by dewatering and foundation pit excavation were analyzed and calculated. Combined with the actual data， the loading and unloading effects caused by the relative location of pit and highrise buildings and excavation depth were discussed. The results show that numerical simulation results are close to actual data， which provides a reference to analysis of surrounding environment change caused by deep foundation pit excavation and similar engineering.

Key words： foundation pit excavation； subway station； numerical simulation； influence analysis； monitoring analysis

0引言

隨著中國地下空間的開發(fā)利用及快速軌道交通的高速發(fā)展，在城市中心密集區(qū)遇到越來越多的深基坑工程，因?yàn)榈罔F車站深基坑的開挖容易引起周圍地表的沉降，因此針對地鐵深基坑開挖與緊鄰既有建筑之間相互影響的研究越來越多[12]。在地鐵車站施工過程中保證緊鄰高層建筑安全具有十分重大的實(shí)踐意義。

由于地鐵車站深基坑與緊鄰高層建筑相互影響的復(fù)雜性，一般很難通過解析解求得由地鐵開挖引起的結(jié)構(gòu)變形量。因此，本文以臨近北京地鐵朝陽門站深基坑某高層建筑為背景，基于有限元分析軟件PLAXIS建立了考慮位移場、滲流場情況下的深基坑開挖對臨近高層建筑結(jié)構(gòu)影響的三維數(shù)值模型[3]，深入研究了基坑開挖引起臨近高層建筑結(jié)構(gòu)變形、沉降、穩(wěn)定性等問題，并將動態(tài)監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了對比，探討不同工況下的高層建筑地基基礎(chǔ)的受力特性，為地鐵基坑開挖對臨近既有高層建筑的影響分析提供參考。

1工程介紹

1.1工程概況

高層建筑位于北京市朝陽區(qū)朝陽門立交橋西北角，東鄰東二環(huán)路，南鄰朝內(nèi)大街。該大樓總建筑面積約為96 340 m2，總高度為80 m，其中塔樓18層，裙樓3層，設(shè)3層地下室，基礎(chǔ)埋深-16.5 m。大樓平面形狀近似為三角形，結(jié)構(gòu)采用單跨框架剪力墻體系，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。

擬建北京地鐵6號線朝陽門站臨近高層建筑，其1號換乘廳位于高層建筑東側(cè)的綠地內(nèi)，擬采用明挖法施工，基坑長度為53 m，寬度為23 m，深度為31 m，基坑支護(hù)采用護(hù)坡樁內(nèi)支撐體系?；舆吘壘嚯x高層建筑地下室結(jié)構(gòu)外墻最近處僅為4.7 m。地下水控制擬采用管井降水方案，降水運(yùn)行時(shí)間長達(dá)3年。由于1號換乘廳基坑距離高層建筑結(jié)構(gòu)外墻近，開挖深度遠(yuǎn)低于高層建筑基礎(chǔ)底面，特別是降水深度深，運(yùn)行時(shí)間長，對高層建筑形成潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2工程地質(zhì)與水文條件

高層建筑所在場地位于北京城區(qū)東部平原地區(qū)，地面自然標(biāo)高在42 m左右，為永定河沖洪積扇的軸部，所處地貌類型主要為古金溝河故道。按地層沉積年代、成因類型，本工程場地可劃分為人工堆積層、第四紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層三大層。場地內(nèi)第四紀(jì)沖洪積覆蓋層厚度為200～300 m，場地地層巖性構(gòu)成由碎石類土、砂類土漸變至以粘性土、粉土為主的交互地層。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)地勘報(bào)告，場地內(nèi)從上到下分布有上層滯水層、潛水層和承壓水層。上層滯水層的埋深為2.9～5.9 m，潛水層的埋深為12.3～15.8 m，承壓水層的埋深約為22.3 m，其水頭埋深約為19.3 m。場地上層滯水層主要受大氣降水及場地地下管道漏水的影響，因此不同季節(jié)、不同部位的水位起伏變化明顯。潛水層由于上覆土層隔水性較差，能接受一定的大氣降水補(bǔ)給，但主要接受水平方向地下水的徑流補(bǔ)給，水位變化幅度不大。

1.3基坑支護(hù)方案

主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

（1）基坑長53 m，寬23 m，換乘廳淺基坑深約16.7 m，深基坑深約31.2 m。

（2）換乘廳西側(cè)結(jié)構(gòu)外皮距離中海油大廈地下結(jié)構(gòu)外墻最近處約為4.7 m。東側(cè)和南側(cè)臨近多條表1各土層物理力學(xué)參數(shù)

Tab.1Soil Mechanical Parameters土層編號底面標(biāo)高/m土層名稱重度/（kN·m-3）粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/（°）滲透系數(shù)/（mm·d-1）140.06粘質(zhì)粉土17.088.00.052139.32粉質(zhì)粘土20.31515.00.05335.66砂質(zhì)粉土20.51532.00.50433.62砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土20.2931.10.50528.99細(xì)砂、粉砂20.5032.05.006127.82細(xì)砂、中砂20.0035.010.00623.79卵石、圓礫21.5040.0100.00716.09粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土20.52416.00.05810.06卵石21.5045.0120.0096.45粘土、重粉質(zhì)粘土18.53015.00.05101.50卵石21.5045.0150.00111-2.11砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土21.41126.50.5012-7.11重粉質(zhì)粘土、粘土19.63015.0大管徑雨水、污水等管線。

（3）基坑支護(hù)采用護(hù)坡樁內(nèi)支撐體系，淺基坑護(hù)坡樁直徑800 mm，間距1.4 m，嵌固深度10 m，深基坑護(hù)坡樁直徑1 000 mm，間距1.5 m，嵌固深度8.0 m；內(nèi)支撐共6道，換撐1道，除第1、第2道支撐采用Φ609X16鋼管外，其余均采用Φ720X16鋼管，支撐間距一般為2.7 m。

（4）基坑開挖前，需對基坑與高層建筑間的土體進(jìn)行注漿加固，開挖至第3道支撐位置前對淺基坑基底下土體進(jìn)行注漿加固，加固后土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度需大于0.8 MPa。

基坑支護(hù)樁型主要有3種：A型樁、B型樁與C型樁。A型樁臨近高層建筑，支護(hù)深度從自然地面起，至-16.73 m。B型樁基坑開挖深度從-16.73 m起，至-31.18 m，護(hù)坡樁樁頂高接近中海油大廈基地位置，水平距離最近距離中海油大廈地下結(jié)構(gòu)外墻9 m。C型樁基坑開挖深度從自然地面起，至-31.18 m，位于遠(yuǎn)離中海油大廈的基坑?xùn)|側(cè)。2地鐵基坑開挖對高層建筑影響的數(shù)值分析2.1分析方法與模型的建立

根據(jù)地鐵基坑支護(hù)方案、場地地質(zhì)條件、高層建筑資料，采用有限元分析軟件對地鐵基坑和臨近高層建筑進(jìn)行精細(xì)模擬計(jì)算，分別模擬了基坑開挖、工程降水引起的高層建筑變形與沉降?？紤]到實(shí)際工程的復(fù)雜性，數(shù)值分析中對該問題進(jìn)行了合理簡化，即采用二維平面應(yīng)變模型在高層建筑與基坑絕對距離最小處選取單位寬度截面按照平面應(yīng)變條件進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算工具用荷蘭Delft大學(xué)研制開發(fā)的PLAXIS數(shù)值計(jì)算軟件，該軟件是土工類專用有限元數(shù)值分析軟件，能較好地模擬土體的力學(xué)行為。

2.2本構(gòu)模型與施工工況

計(jì)算中土體采用HardingSoil本構(gòu)模型[4]，它是以經(jīng)典的塑性理論為基礎(chǔ)的屈服面模型。它的彈性部分采用了合理的雙剛度，即加卸載模量分別定義，且考慮了土體的壓硬性。塑性部分采用非相關(guān)聯(lián)流動法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，可以較好地描述雙曲線形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性，其中混凝土支撐采用Beam單元模擬[5]，地下連續(xù)墻采用Plate單元模擬，錨桿自由段采用NodeToNode Anchor單元模擬，錨固段采用Embedded Pile單元模擬[6]。高層建筑沉降有限元模型見圖1。

3.2高層建筑水平方向監(jiān)測結(jié)果

地鐵開挖期間對高層建筑地下室外墻水平和垂直變形進(jìn)行了自動化監(jiān)測，圖12為高層建筑地下室外墻水平位移實(shí)測結(jié)果。從圖12可知：地鐵深基坑的初期支護(hù)樁施工對高層建筑地下室具有加載效果，使得外墻墻體發(fā)生遠(yuǎn)離基坑開挖方向的位移，但是位移很小，最大位移為0.45 mm；隨著基坑開挖深度的增大，施工對開挖面以下土體產(chǎn)生垂直方向卸載作用并對側(cè)向土體產(chǎn)生水平方向卸載作用，水平卸載作用隨深度的增加而加大，卸載引起土體回彈，使地下室外墻向支護(hù)方向產(chǎn)生位移，當(dāng)基坑開挖至第3道支撐時(shí)，發(fā)生最大位移，最大位移為-2.75 mm；繼續(xù)施工后，位移變化趨于平穩(wěn)，分析主要是由于樁加支撐的支護(hù)體系支撐剛度大，控制變形效果好。

4結(jié)語

（1）本工程按原設(shè)計(jì)施工，正常情況下支護(hù)強(qiáng)度滿足要求；地鐵深基坑降水沉降影響不容忽視，沉降引起的地表土體沉降最大值約為15 mm。

（2）從模擬結(jié)果看，高層建筑一側(cè)由于采用了上下兩排的護(hù)坡樁，并且建筑基地距離B型樁相對較遠(yuǎn)，加之支撐剛度大，基坑開挖引起的B型樁變形不足10 mm，因而高層建筑基礎(chǔ)的沉降相對較小，相比B型樁，C型樁的水平變形較大，中下部向基坑內(nèi)側(cè)最大位移達(dá)到28 mm，且樁后地表最大沉降16 mm。

（3）根據(jù)高層建筑監(jiān)測結(jié)構(gòu)外墻監(jiān)測表明，深基坑開挖不僅會產(chǎn)生卸載影響，還會產(chǎn)生一定的圍壓，主要與基坑的開挖深度及兩者相對距離有關(guān)，還受施工工序及方法影響。因此，應(yīng)結(jié)合具體的應(yīng)力路徑分析是否增卸荷載。

（4）通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬分析的對比可知，有限元模擬方法是研究和分析復(fù)雜巖土工程問題的有效方法之一，邊界條件賦值及參數(shù)取值符合實(shí)際情況，往往能得出較好的定性和定量結(jié)果，從而指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)及施工。

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