富水砂層地質(zhì)條件下鄰近歷史建筑群深基坑施工變形特性研究

張發(fā)金

(中交隧道工程局有限公司，北京 100102)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵站和地下通道等城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工程也越來越多，這些新建工程大都位于建筑密集的市區(qū)中，周邊環(huán)境復(fù)雜。新建工程的基坑施工會擾動周圍巖土體，對鄰近建筑物及地下管線產(chǎn)生一定的影響，有可能導(dǎo)致附近已有建筑有較大的沉降甚至傾斜。因此，研究新建工程的基坑開挖對周圍建筑和環(huán)境的影響具有重大意義。富水砂層孔隙比大，含水量大，具有流動性大、承載力小、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)，此類地質(zhì)條件下新建工程的基坑施工會使附近地表產(chǎn)生較大沉降。

目前已有關(guān)于實(shí)際工程中深基坑施工變形特性以及對周圍建筑影響的研究。邱明明、劉穎、廖莊等[1-3]通過現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬和理論分析等方法分別研究了不良地質(zhì)條件下深基坑施工變形性狀及其影響因素。房有亮等[4]研究了深大基坑開挖過程中支護(hù)體系受力變形規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測手段分析了支撐伺服系統(tǒng)布置與應(yīng)用效果。另有研究者[5-10]分析了深基坑變形特點(diǎn)以及深基坑施工對周圍建筑物沉降和傾斜的影響。結(jié)果表明，隨著基坑開挖，基坑坑頂水平位移、豎向沉降位移、周邊建筑物沉降位移等均逐步增大，周邊鄰近建筑物從均勻沉降階段逐漸過渡到差異沉降，最后數(shù)值趨于穩(wěn)定，建筑物整體呈現(xiàn)出向基坑傾斜的趨勢。

綜上所述，雖然對于深基坑施工變形特性以及對周圍建筑影響已有一定的了解，但是哈爾濱市地鐵工程靖宇五道街站下部地質(zhì)條件為富水砂層，周邊歷史建筑物較多，工程基坑所處場地地質(zhì)條件及水文條件復(fù)雜，屬于超深基坑，為確保工程施工人員、機(jī)械設(shè)備的安全和施工質(zhì)量，同時保證周圍建筑和地下管線的安全，有必要結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際條件，分析基坑開挖時的變形特性以及周圍建筑的變形規(guī)律，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)。因此以靖宇五道街站為工程背景，實(shí)測其施工過程中臨近建筑物位移等關(guān)鍵指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，采用midas GTS NX通用有限元軟件，利用驗(yàn)證的基坑有限元模型，分析了基坑開挖對臨近建筑物位移的影響，并對比了有無伺服系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，以評估施工方案的合理性。

1 工程背景

靖宇五道街站地處道外區(qū)核心區(qū)域，處于南四道街與南五道街之間，沿靖宇街東西向布置。該車站所處環(huán)境較為復(fù)雜，其沿線密布人居及商業(yè)建筑，并有大量歷史保護(hù)建筑，工程平面如圖1所示。車站南側(cè)為同記商場，北側(cè)為溫州國際商貿(mào)城，西側(cè)有正陽珠寶行和文化商場，車站東側(cè)為2～4層的老舊建筑。車站距離四周建筑物平均距離2～3 m，最近距離1.96 m，施工環(huán)境風(fēng)險極高。此外，該車站東南兩側(cè)有眾多排水渠以及大直徑管線，凈距最低僅0.66 m。

根據(jù)鉆孔揭露及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，該車站地層為第四紀(jì)松散地層及白堊紀(jì)粉砂質(zhì)泥巖，富水性好，為中等透水～強(qiáng)透水地層。其表層由雜填土組成；上部地基土由黏性土組成，厚度較?。恢虚g層為中砂夾厚薄不均的黏性土、粉細(xì)砂與粗礫砂；下部基巖為白堊紀(jì)粉砂質(zhì)泥巖。此外，該場地有孔隙潛水及孔隙承壓水分布，孔隙潛水水位埋深淺且水量豐富，車站基坑明挖深度超過地下水埋深。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)段寬21.5 m，采用1.0 m厚、45 m深的地下連續(xù)墻。為控制基坑周邊變形，標(biāo)準(zhǔn)段共計(jì)5道支撐，其中第1、3道支撐采用剛度較大的混凝土支撐(1 000 mm×800 mm、1 000 mm×900 mm)；第2、4、5道支撐采用鋼支撐(Φ609)，并適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力。其中每層支撐平面上，鋼支撐直撐44根，斜撐12根；各支撐施加預(yù)軸力值如表1所示。

表1 伺服支撐預(yù)加軸力表

2 有限元分析

2.1 模型建立

城市密集建筑群內(nèi)新建工程施工會對周圍巖體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而對臨近構(gòu)筑物及地下管線造成影響。為此，采用通用有限元軟件midas GTS NX對靖宇五道街站基坑施工進(jìn)行全過程模擬分析，研究基坑施工對臨近既有保護(hù)建筑群的影響，并評估施工方案的合理性。

2.2 單元類型選取

分析采用地層-結(jié)構(gòu)法，充分考慮土層-結(jié)構(gòu)相互作用。有限元模型中的土層、臨近建筑物均采用三維實(shí)體單元模擬；基坑地連墻、鋼板樁、混凝土角撐板、蓋板采用板單元模擬；混凝土支撐、鋼支撐、連系梁、立柱(樁)、灌注樁采用梁(植入式梁)單元模擬。在建立結(jié)構(gòu)單元時，采用軟件中的析取功能建立與土體相接觸的結(jié)構(gòu)單元；在與土體不直接接觸的單元位置，則采用直接劃分1D單元形式進(jìn)行考慮。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)選取

土體本構(gòu)模型采用midas GTS NX有限元軟件中內(nèi)置的修正-摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型。其能考慮土體塑性、壓縮硬化以及剪切硬化行為，且能區(qū)分加載模量及卸載模量。此外，土體初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，且土體OCR取1.0。該修正-摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型中的粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、重力密度等重要參數(shù)取值與地勘報告一致，具體如表2所示。地下連續(xù)墻、混凝土支撐、鋼支撐、連系梁、立柱(樁)、灌注樁等結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性模型。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.4 邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分

為確保計(jì)算結(jié)果趨近真實(shí)情況，模型選擇二維平面擴(kuò)展為三維六面體網(wǎng)格形式，生成實(shí)體單元，以控制網(wǎng)格質(zhì)量，保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。基坑模型尺寸取270 m(x方向)×250 m(y方向)×60 m(z方向)，如圖1所示。總體計(jì)算模型含105 542個單元，103 109個節(jié)點(diǎn)。

圖1 有限元計(jì)算模型

本文有限元模型邊界條件設(shè)置如下：(1)約束x軸方向上的左右邊界平動自由度；(2)約束y軸方向上的前后邊界平動自由度；(3)約束模型底部的z向平動自由度；(4)模型頂部面為地表面，不施加任何約束。

2.5 計(jì)算工況

midas GTS NX施工階段分析采用累加模型，即下一步模型分析時會自動繼承上一步分析結(jié)果，并進(jìn)行累計(jì)。計(jì)算時將靖宇五道街站基坑數(shù)值分析模型分為17個施工工況，包括初始滲流場、初始應(yīng)力場分析工況，降水工況(共6步)、開挖工況(共7步)。

2.6 伺服支撐設(shè)置

靖宇五道街站有限元分析模型中的伺服支撐按照實(shí)際情況布置；各支撐預(yù)加軸力數(shù)值如表1所示。

2.7 模型對比驗(yàn)證

對比有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。其中，對比項(xiàng)目包括周邊建筑物豎向位移、地表沉降以及圍護(hù)墻體深層水平位移；對比參考點(diǎn)選取具有代表性的JGC-15(1)測點(diǎn)建筑物豎向位移、DBC14-2(1)測點(diǎn)地表沉降以及ZQT-18(2)測點(diǎn)圍護(hù)墻體深層水平位移。具體對比結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，該有限元計(jì)算模型具有較好的預(yù)測精度，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相對誤差最大僅17.1%。

表3 有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

3 有限元分析結(jié)果

3.1 建筑物水平及豎向位移影響分析

表4總結(jié)了基坑施工全過程臨近建筑物在x、y方向發(fā)生的最大水平位移以及z方向發(fā)生的最大豎向位移。其中，基坑施工結(jié)束時臨近建筑物在上述方向發(fā)生的位移如表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，基坑施工造成臨近建筑物在x方向產(chǎn)生最大3.02 mm的水平位移，在y方向產(chǎn)生最大8.27 mm的水平位移，并在z方向產(chǎn)生最大12.41 mm的豎向位移，但均滿足建筑物保護(hù)的變形控制要求(小于15 mm)。這說明該施工方案是合理的。此外，由圖2可以看出，臨近建筑物水平位移及豎向位移起控制作用的位置均為偏右位置建筑物。這主要是因?yàn)榛迂Q向位移在該區(qū)域最大，達(dá)到17.20 mm。

表4 施工過程中臨近建筑在x、y、z方向最大位移

圖2 施工結(jié)束時臨近建筑物各方向位移云圖

3.2 有無伺服系統(tǒng)對建筑物的影響

基坑施工設(shè)置伺服支撐系統(tǒng)可有效降低基坑變形，減小對臨近建筑物的影響。為評估靖宇五道街站伺服支撐系統(tǒng)效果，對比了考慮伺服支撐系統(tǒng)與不考慮伺服支撐系統(tǒng)時的計(jì)算結(jié)果。其中，臨近建筑在施工結(jié)束時x、y方向水平位移、z方向豎向位移以及附加應(yīng)力的對比結(jié)果如表5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，設(shè)置伺服支撐系統(tǒng)能有效減小臨近建筑物因基坑開挖而產(chǎn)生的位移；施工結(jié)束時，其在x方向的最大水平位移降低16.9%，y方向最大水平位移降低28.7%，z方向最大豎向位移降低37.5%，最大附加拉應(yīng)力降低2.3%。此外，若無伺服支撐系統(tǒng)，該基坑施工將造成臨近建筑物在z方向發(fā)生最大為17.06 mm的豎向變形，超出建筑物保護(hù)的變形控制要求(15 mm)。這說明為降低基坑施工對周邊重要?dú)v史建筑物的影響，本項(xiàng)目設(shè)置伺服支撐系統(tǒng)是十分必要的。

表5 施工過程中臨近建筑附加應(yīng)力

4 結(jié) 論

本文以靖宇五道街站為工程背景，實(shí)測施工過程中地下連續(xù)墻、臨近建筑物沉降。利用midas GTS NX巖土工程三維有限元分析計(jì)算軟件，建立施工有限元模型，并利用實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分析了基坑施工對臨近建筑物的影響，并評估了伺服支撐系統(tǒng)效果。根據(jù)分析結(jié)果，得到如下主要結(jié)論。

(1)實(shí)測結(jié)果表明建筑物位移、地表沉降、管線豎向位移、圍護(hù)墻墻頂豎向位移、墻頂水平位移、混凝土/鋼支撐軸力均正常，且處于可控狀態(tài)。

(2)基坑施工造成臨近建筑物在X方向產(chǎn)生最大3.02 mm的水平位移，在Y方向產(chǎn)生最大8.27 mm的水平位移，并在Z方向產(chǎn)生最大12.41 mm的豎向位移，均滿足建筑物保護(hù)的變形控制要求。說明本基坑施工方案較為合理，不會對臨近建筑物的安全性及正常使用造成影響。

(3)為減小基坑施工對臨近建筑物影響，本項(xiàng)目需設(shè)置伺服支撐，以降低臨近建筑物豎向位移，使其滿足建筑物保護(hù)的變形控制要求。