非對稱基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍建筑物變形影響研究

摘要 為保障非對稱荷載下多開挖深度基坑及周圍建筑的安全與穩(wěn)定，文章以溫州市區(qū)內(nèi)某下穿隧道明挖深基坑為例，開展了非對基坑開挖對周圍環(huán)境的影響研究。首先，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了非對稱荷載、多開挖深度基坑的典型斷面的分析模型；然后，模擬了非對稱基坑的開挖過程，揭示了開挖區(qū)深度、建筑荷載大小及建筑坑邊距等因素對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍建筑物變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，非對稱荷載下多開挖深度基坑開挖時，靠近建筑側(cè)的開挖深度增加將引起支護(hù)樁水平變形和建筑沉降的顯著增大，同時靠近建筑側(cè)支護(hù)樁的最大水平變形位置下移；建筑荷載增加時，靠近建筑側(cè)的基坑支護(hù)樁的水平位移增加，遠(yuǎn)離建筑側(cè)的基坑支護(hù)樁水平位移減小，建筑的沉降變形隨建筑荷載近似成線性增加；建筑坑邊距增加導(dǎo)致靠近建筑側(cè)支護(hù)樁水平位移的減小，而遠(yuǎn)離建筑側(cè)支護(hù)樁水平位移則增大；建筑的沉降變形隨建筑坑邊距增加逐漸減小，但減小的趨勢逐步放緩。

關(guān)鍵詞 基坑開挖；非對稱荷載；多開挖深度；圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；建筑變形

中圖分類號 TU997 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0082-03

0 引言

地下隧道基坑開挖過程中，不僅要保證基坑自身的安全與穩(wěn)定，還要有效地控制基坑周圍的土體變形，以防發(fā)生建筑沉降變形、道路開裂、管道變形等工程事故。同一個基坑根據(jù)周圍建筑物分布情況及不同功能需求，可能會出現(xiàn)開挖深度不同及建筑荷載非對稱分布的情況，從而形成非對稱基坑[1-6]。已有的基坑實測結(jié)果表明，非對稱基坑的開挖對周圍土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往有更大的擾動，嚴(yán)重威脅基坑及周圍建筑物的安全性和穩(wěn)定性，不同文獻(xiàn)針對不同工況進(jìn)行專題研究，獲得相應(yīng)成果[7-14]。溫州地區(qū)富含深厚軟土地層，土體含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性強(qiáng)，且易于擾動。因此本地區(qū)對非對稱基坑的開挖過程的變形規(guī)律進(jìn)行研究，以保證基坑及周圍建筑物的安全，具有必要性。

該文以溫州某明挖隧道基坑工程典型斷面為例，建立存在兩種開挖深度的基坑數(shù)值分析模型，研究基坑開挖過程中周圍建筑非對稱分布及開挖深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍建筑物的變形，以及附近土體應(yīng)力的變化規(guī)律。該研究成果將為類似深基坑的支護(hù)工程設(shè)計、開挖方案設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

該明挖隧道工程現(xiàn)場位于溫州市望江路，西起朔門大廈，東至海港大廈，隧道全長約1 070 m。明挖區(qū)域基坑沿線左側(cè)為人行廣場，右側(cè)為居民房屋和名人故居等建筑，如圖1所示。該區(qū)域建筑物布局密集，基礎(chǔ)多為淺基礎(chǔ)，且距離基坑邊線較近，其中最近距離約為2.7 m，受基坑開挖影響較大。

2 模擬工況

考慮基坑的不同開挖深度，該文的數(shù)值模擬共對如下4種工況進(jìn)行計算：工況1，開挖區(qū)1的開挖深度H1和開挖區(qū)2的開挖深度H2均為8.0 m；工況2，H1=10.4 m，H2=8.0 m；工況3，H1=8.0 m，H2=10.4 m；工況4，H1=8.0 m，H2=12.0 m。

為分析周圍建筑荷載大小及坑邊距的影響，針對工況2分別開展荷載L為30 kPa、37.5 kPa、45 kPa、60 kPa，坑邊距S為2.7 m、5.0 m、7.5 m、10 m的數(shù)值模擬分析。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 開挖過程中的典型結(jié)果分析

工況2條件下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況如圖2所示。由圖2可知，在開挖過程中，隨著深度的增加，支護(hù)樁的水平位移先增加后逐漸減小。在開挖深度KW分別為6.4 m和8.0 m時，基坑實際為對稱開挖，支護(hù)樁的變形近似對稱分布；但由于基坑左側(cè)存在建筑荷載，致使左側(cè)的支護(hù)樁變形大于右側(cè)。當(dāng)開挖深度進(jìn)一步增加時，左側(cè)不再開挖，而右側(cè)則繼續(xù)開挖至10.4 m，右側(cè)支護(hù)樁的變形增大。

為進(jìn)一步分析支護(hù)樁的最大變形，不同開挖深度下支護(hù)樁的最大變形統(tǒng)計如表1所示。由表1可知，隨著開挖深度的增加，右側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移逐漸增大；而左側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移在開挖至8.0 m之前逐漸增加；開挖至8.0 m后，僅對基坑右側(cè)進(jìn)行開挖，而左側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移變化不大。開挖深度由6.4 m增加至10.4 m時，S1，max增長了57.8%，S2，max增長了130%。

基坑的開挖改變了土層原有的應(yīng)力場，最直接的表現(xiàn)為周圍建筑物發(fā)生沉降變形。圖3給出了靠近基坑側(cè)和遠(yuǎn)離基坑側(cè)建筑沉降隨開挖深度的變化趨勢圖。從圖3可以看出，建筑兩側(cè)的沉降變形隨著基坑開挖深度的增加而呈增加的趨勢；但遠(yuǎn)離基坑側(cè)的建筑沉降較小，靠近基坑側(cè)的建筑沉降大于遠(yuǎn)離基坑側(cè)的沉降。開挖至8.0 m，繼續(xù)開挖基坑右側(cè)時，建筑的沉降變形趨于平緩。

圖3 工況2開挖過程中基坑周圍建筑沉降變形

3.2 對開挖深度的影響分析

不同開挖工況下，支護(hù)樁的水平位移曲線和最大位移統(tǒng)計表分別如圖4和表2所示。由圖4可知，當(dāng)開挖區(qū)1與開挖區(qū)2的開挖深度均為8.0 m時，基坑成對稱開挖，左右支護(hù)樁的水平位移成對稱分布。當(dāng)開挖區(qū)2的深度不變，而開挖區(qū)1的深度增大時，左側(cè)支護(hù)樁的變形減小，右側(cè)支護(hù)樁的變形增大11.2%。當(dāng)開挖區(qū)1的深度不變，開挖區(qū)2的深度增加時，左側(cè)支護(hù)樁的水平變形顯著增大。開挖區(qū)2的深度由8. 0m分別增加至10.4 m

和12.0 m時，左側(cè)支護(hù)樁的變形分別增加16.6%和24.3%；同時，當(dāng)開挖區(qū)2的深度增加至12.0 m時，左側(cè)支護(hù)樁的最大水平位移的位置點向下移動。對于右側(cè)支護(hù)樁，其向基坑內(nèi)部的最大水平位移隨開挖區(qū)2開挖深度的增加逐漸減小。由表2還可看出，當(dāng)開挖區(qū)1的深度增加時，支護(hù)樁的變形差異由32.2%減小至30.4%；當(dāng)開挖區(qū)2的深度增加時，支護(hù)樁的變形差異由32.2%增加至56.4%，表明當(dāng)多開挖深度基坑周圍存在非對稱的建筑荷載時，靠近建筑側(cè)的開挖深度對支護(hù)樁的水平變形影響較大，應(yīng)重點進(jìn)行安全設(shè)計和監(jiān)測。

4 結(jié)論

該文以溫州某明挖隧道基坑工程典型斷面為例，基于FLAC3D的數(shù)值模擬方法，探究了非對稱荷載下多開挖深度的基坑開挖對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍建筑物變形的影響，詳細(xì)分析了開挖區(qū)深度、建筑荷載大小及建筑坑邊距對變形的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)基坑存在多種開挖深度且建筑荷載非對稱地分布在基坑兩側(cè)時，靠近建筑側(cè)的開挖深度對支護(hù)樁水平變形和建筑沉降影響較大；同時，靠近建筑側(cè)開挖深度的增加致使該側(cè)支護(hù)樁的最大水平變形位置下移。

（2）當(dāng)建筑荷載增加時，靠近建筑側(cè)的基坑支護(hù)樁的水平位移增加，而遠(yuǎn)離建筑側(cè)的基坑支護(hù)樁水平位移減??；建筑的沉降變形隨建筑荷載近似成線性增加。

（3）建筑坑邊距增加導(dǎo)致靠近建筑側(cè)支護(hù)樁水平位移減小，遠(yuǎn)離建筑側(cè)支護(hù)樁水平位移增大，建筑坑邊距的影響明顯小于建筑荷載。建筑的沉降變形隨建筑坑邊距增加而逐漸減小，但減小的趨勢逐步放緩。

該研究成果將為類似深基坑的支護(hù)工程設(shè)計、開挖方案設(shè)計和施工提供參考。

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