基坑开挖变形对既有建筑物影响分析

马国强（浙江恒山建设有限公司，浙江 杭州 310000）

城市地下空间的大量开发，使得基坑工程的开挖朝着 “深、大、紧” 的方向发展，其中， “紧” 表示紧邻周围的敏感建筑物、构筑物或者地下管线等，这给基坑工程的修建带来挑战，如果施工稍有不慎，极易引发严重的工程事故，造成不良的社会影响[1]。因此，在紧邻既有建筑物的基坑工程施工中，其安全施工显得尤为重要，控制基坑开挖对周边建筑物的变形是关键[2-3]。

研究以浙江省杭州市某地下空间深基坑工程为研究对象，运用现场实测和数值模拟相结合的方法，建立了深基坑工程开挖三维数值模拟，研究不同开挖深度、既有建筑物不同位置监测点的沉降分布规律，研究成果可为紧邻基坑工程的既有建筑物的变形控制和加固提供参考。

浙江省杭州市某地下空间深基坑工程平面大致呈 “Z” 形，为狭长形基坑，平面长度方向为96m，宽度方向为31m，基坑开挖深度为23m，如图1所示，基坑南侧距离端头约30m 位置处存在既有大型超市建筑，建筑的高度为20m，为3 层框架结构，既有建筑大致呈平面矩形，长度为70m，宽度为29m。基坑围护结构采用 “地下连续墙+1道钢筋混凝土内支撑+6道钢支撑” 的围护体系。地下连续墙的宽度为6m，采用C30 等级混凝土浇筑，厚度为1m，深度为40m；
第一道内支撑为C30 钢筋混凝土内支撑，支撑宽度为600mm，高度800mm；
其余内支撑为钢支撑，钢支撑直径为609mm，厚度为16mm，钢材为Q235钢。

图1 基坑工程与周边既有建筑关系以及基坑监测点平面布置

基坑工程开挖影响范围内地层主要有灰色①黏土、灰黑色②1淤泥质粉质黏土、灰黑色②2淤泥质黏土、灰黄色③砂质黏土、灰黄色⑤粉质黏土和灰色⑥粉土组成，其中，灰黑色②1淤泥质粉质黏土的平均孔隙比达到1.2，平均含水量达到40%，平均饱和度为95%；
②2淤泥质黏土的平均孔隙比达到1.1，平均含水量达到47.5%，平均饱和度达到98%。场区各层土的物理力学指标参数如表1所示。

表1 场区地基土工程地质参数

2.1 三维数值分析模型的建立

为了研究深基坑工程开挖对建筑物变形的影响，研究运用ABAQUS工程模拟有限元软件建立三维模型进行分析，如图2所示。建模时，土层计算所需的物理力学参数参考表1中指标，土层的破坏准则服从摩尔-库伦准则，计算时不考虑土层的起伏，土层厚度简化为水平层[4-6]。其中①黏土1.5m、②1淤泥质粉质黏土5.0m、②2淤泥质黏土10.5m、③砂质黏土3.0m、⑤粉质黏土30.0m、⑥粉土50m。既有建筑的基础形式为条形基础，截面尺寸为750mm×900mm，采用弹性本构模型进行计算，弹性模量为20GPa，重度为22kN/m3；
建筑柱结构截面为正方形，边长为500mm，柱体为C40 混凝土，重度取25kN/m3，弹性模量取35GPa，采用弹性本构模型进行计算；
建筑梁截面宽度为250mm，高度为500mm，梁体为C35 混凝土，重度取23kN/m3，弹性模量取32.5GPa，采用弹性本构模型进行计算；
建筑墙体厚度为240mm，为C30混凝土，采用弹性本构模型进行计算，重度取23kN/m3，弹性模量取32GPa；
建筑楼板厚度为100mm，为C30 混凝土，采用弹性本构模型进行计算，重度取23kN/m3，弹性模量取32GPa。

图2 基坑工程与周边既有建筑三维仿真计算模型

基坑开挖步骤的模拟分析是得到变形规律的关键[7-8]。基坑开挖模拟共分为22 个步骤，分别为：①建筑加载→②位移清零并激活地下连去向以及桩柱→③两段各施工第1 道混凝土内支撑→④第1 次基坑降水→⑤中间段以及两端头段向下开挖4m→⑥中间段以及两端头段各施工第2 道钢支撑→⑦第2 次基坑降水→⑧中间段以及两端头段向下继续开挖3m→⑨中间段以及两端头段各施工第3 道钢支撑→⑩第3 次基坑降水→⑪中间段向下开挖4m，两端头段向下开挖2.4m→⑫中间段以及两端头段施工第4 道钢支撑→⑬第4 次基坑降水→⑭两端头段向下开挖2.7m→⑮两端头段施工第5 道钢支撑→⑯中间段向下开挖4m，两端头段向下开挖3.7m→⑰中间段施工第5道钢支撑，两端头段施工第6 道钢支撑→⑱第5 次降水→⑲中间段向下开挖3.3m，两端头段向下开挖3.7m→⑳中间段施工第6道钢支撑，两端头段施工第7 道钢支撑→(21)第6 次基坑降水→(22)中间段向下开挖3.2m，两端头段向下开挖3.2m。

2.2 既有建筑变形模拟结果分析

图3为既有建筑监测点J1、J3、J7、J8、J9 的沉降变形曲线计算结果，这5个监测点的连线平行于基坑边线的长边，其中监测点J1、J3、J7在基坑开挖侧，监测点J8在基坑拐点，监测点J9 在基坑开挖外侧。从图3中可以看出，随着基坑开挖的不断增加，同一监测点的沉降位移不断增加，表明基坑的施工进程对土体的扰动产生了明显影响；
在同一开挖步骤中，建筑监测点J1位于基坑中间位置，其沉降值最大，而监测点J3和监测点J7位于基坑开挖右半部分，两者的沉降值相近，且沉降值大小次于监测点J1，监测点J8位于基坑角点，监测点J9位于基坑外侧，建筑物的沉降值从监测点J7 向监测点J9 呈现近线性减小，监测点J9 的沉降值随开挖深度的增加，其增幅较小。由此表明，在平行基坑开挖方向上，建筑物的沉降不仅与基坑开挖进程有关，也与监测点所处的位置相关，存在明显的角点效应，越靠近基坑中部，建筑物沉降值越大，建筑物的沉降整体表现为向基坑内部倾斜。因此，在实际工程中，为了防止建筑物的不均匀沉降导致建筑物的开裂和变形，根据建筑物与基坑的平面关系，确定必要的沉降隔离措施和加固方案[9]。

图3 平行基坑长边方向各建筑监测点的沉降值曲线

图4为既有建筑监测点J4、J5、J6、J7的沉降变形曲线计算结果，这4个监测点均在基坑长边的法线方向上布置，且布置在基坑的角点位置上。从图4中可以看出，随着基坑开挖的不断增加，同一监测点的沉降位移不断增加，表明在法线方向上，基坑的施工进程对土体的扰动产生了明显影响；
在同一开挖步骤中，由于监测点J4、J5、J6、J7 距离基坑边线的距离越来越近，其建筑物沉降值越来越大，且呈现近线性的变化趋势，基坑开挖的深度越大，这种线性变化的斜率越大。由此表明，在基坑开挖过程中，应控制深部开挖时的开挖方法，避免建筑由于基坑开挖产生的不均匀沉降速率增速过大。

图4 基坑长边法线方向各建筑监测点的沉降值曲线

在深基坑工程施工过程中，在基坑周边布置了大量的地表沉降观测点，建筑物的转角和重点观测位置也布置了建筑物沉降变形监测点，监测点的编号以及布置方式如图1所示。图5为基坑开挖至底部时，各监测点的变形数值模拟结果与监测结果对比。从图5中可以看出，各监测点的实测沉降值与模拟沉降值具有一致的变化关系，两者的数值较为接近，统计分析其误差可以看出，两者的误差变化范围在±10%内，表明数值模拟结果能够较好地反映建筑的实际变形。

图5 各建筑监测点的沉降计算值与实测值对比

以浙江省杭州市某地下空间深基坑工程为研究对象，运用现场实测和数值模拟相结合的方法，建立了深基坑工程开挖三维数值模拟，研究不同开挖深度时既有建筑物的变形特征，得到以下结论：

（1）在平行基坑开挖方向上，随着基坑开挖的不断增加，同一监测点的沉降位移不断增加；
建筑物的沉降不仅与基坑开挖进程有关，也与监测点所处的位置相关，存在明显的角点效应，越靠近基坑中部，建筑物沉降值越大，建筑物的沉降整体表现为向基坑内部倾斜。

（2）在基坑长边法线方向上，随着基坑开挖的不断增加，同一监测点的沉降位移不断增加；
距离基坑边线的距离近，其建筑物沉降值越大，且呈现近线性的变化趋势，基坑开挖的深度越大，这种线性变化的斜率越大。

（3）各监测点的实测沉降值与模拟沉降值具有一致的变化关系，两者的数值较为接近，统计分析其误差可以看出，两者的误差变化范围在±10%内，表明数值模拟结果能够较好地反映建筑的实际变形。

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