富水砂层地质条件下邻近历史建筑群深基坑施工变形特性研究

张发金

(中交隧道工程局有限公司，北京 100102)

0 引 言

随着我国经济的发展，地铁站和地下通道等城市公共基础设施的建设工程也越来越多，这些新建工程大都位于建筑密集的市区中，周边环境复杂。新建工程的基坑施工会扰动周围岩土体，对邻近建筑物及地下管线产生一定的影响，有可能导致附近已有建筑有较大的沉降甚至倾斜。因此，研究新建工程的基坑开挖对周围建筑和环境的影响具有重大意义。富水砂层孔隙比大，含水量大，具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点，此类地质条件下新建工程的基坑施工会使附近地表产生较大沉降。

目前已有关于实际工程中深基坑施工变形特性以及对周围建筑影响的研究。邱明明、刘颖、廖庄等[1-3]通过现场实测、数值模拟和理论分析等方法分别研究了不良地质条件下深基坑施工变形性状及其影响因素。房有亮等[4]研究了深大基坑开挖过程中支护体系受力变形规律，并结合现场监测手段分析了支撑伺服系统布置与应用效果。另有研究者[5-10]分析了深基坑变形特点以及深基坑施工对周围建筑物沉降和倾斜的影响。结果表明，随着基坑开挖，基坑坑顶水平位移、竖向沉降位移、周边建筑物沉降位移等均逐步增大，周边邻近建筑物从均匀沉降阶段逐渐过渡到差异沉降，最后数值趋于稳定，建筑物整体呈现出向基坑倾斜的趋势。

综上所述，虽然对于深基坑施工变形特性以及对周围建筑影响已有一定的了解，但是哈尔滨市地铁工程靖宇五道街站下部地质条件为富水砂层，周边历史建筑物较多，工程基坑所处场地地质条件及水文条件复杂，属于超深基坑，为确保工程施工人员、机械设备的安全和施工质量，同时保证周围建筑和地下管线的安全，有必要结合工程现场实际条件，分析基坑开挖时的变形特性以及周围建筑的变形规律，为优化施工方案提供依据。因此以靖宇五道街站为工程背景，实测其施工过程中临近建筑物位移等关键指标。在此基础上，采用midas GTS NX通用有限元软件，利用验证的基坑有限元模型，分析了基坑开挖对临近建筑物位移的影响，并对比了有无伺服系统计算结果，以评估施工方案的合理性。

1 工程背景

靖宇五道街站地处道外区核心区域，处于南四道街与南五道街之间，沿靖宇街东西向布置。该车站所处环境较为复杂，其沿线密布人居及商业建筑，并有大量历史保护建筑，工程平面如图1所示。车站南侧为同记商场，北侧为温州国际商贸城，西侧有正阳珠宝行和文化商场，车站东侧为2～4层的老旧建筑。车站距离四周建筑物平均距离2～3 m，最近距离1.96 m，施工环境风险极高。此外，该车站东南两侧有众多排水渠以及大直径管线，净距最低仅0.66 m。

根据钻孔揭露及室内土工试验结果，该车站地层为第四纪松散地层及白垩纪粉砂质泥岩，富水性好，为中等透水～强透水地层。其表层由杂填土组成；上部地基土由黏性土组成，厚度较薄；中间层为中砂夹厚薄不均的黏性土、粉细砂与粗砾砂；下部基岩为白垩纪粉砂质泥岩。此外，该场地有孔隙潜水及孔隙承压水分布，孔隙潜水水位埋深浅且水量丰富，车站基坑明挖深度超过地下水埋深。

基坑围护结构标段宽21.5 m，采用1.0 m厚、45 m深的地下连续墙。为控制基坑周边变形，标准段共计5道支撑，其中第1、3道支撑采用刚度较大的混凝土支撑(1 000 mm×800 mm、1 000 mm×900 mm)；第2、4、5道支撑采用钢支撑(Φ609)，并适当施加预应力。其中每层支撑平面上，钢支撑直撑44根，斜撑12根；各支撑施加预轴力值如表1所示。

表1 伺服支撑预加轴力表

2 有限元分析

2.1 模型建立

城市密集建筑群内新建工程施工会对周围岩体产生扰动，进而对临近构筑物及地下管线造成影响。为此，采用通用有限元软件midas GTS NX对靖宇五道街站基坑施工进行全过程模拟分析，研究基坑施工对临近既有保护建筑群的影响，并评估施工方案的合理性。

2.2 单元类型选取

分析采用地层-结构法，充分考虑土层-结构相互作用。有限元模型中的土层、临近建筑物均采用三维实体单元模拟；基坑地连墙、钢板桩、混凝土角撑板、盖板采用板单元模拟；混凝土支撑、钢支撑、连系梁、立柱(桩)、灌注桩采用梁(植入式梁)单元模拟。在建立结构单元时，采用软件中的析取功能建立与土体相接触的结构单元；在与土体不直接接触的单元位置，则采用直接划分1D单元形式进行考虑。

2.3 材料本构关系及参数选取

土体本构模型采用midas GTS NX有限元软件中内置的修正-摩尔库伦理想弹塑性本构模型。其能考虑土体塑性、压缩硬化以及剪切硬化行为，且能区分加载模量及卸载模量。此外，土体初始应力场按自重应力场考虑，且土体OCR取1.0。该修正-摩尔库伦理想弹塑性本构模型中的粘聚力、内摩擦角、泊松比、重力密度等重要参数取值与地勘报告一致，具体如表2所示。地下连续墙、混凝土支撑、钢支撑、连系梁、立柱(桩)、灌注桩等结构单元均采用线弹性模型。

表2 土层物理力学参数

2.4 边界条件设置及网格划分

为确保计算结果趋近真实情况，模型选择二维平面扩展为三维六面体网格形式，生成实体单元，以控制网格质量，保证模型计算的准确性。基坑模型尺寸取270 m(x方向)×250 m(y方向)×60 m(z方向)，如图1所示。总体计算模型含105 542个单元，103 109个节点。

图1 有限元计算模型

本文有限元模型边界条件设置如下：(1)约束x轴方向上的左右边界平动自由度；(2)约束y轴方向上的前后边界平动自由度；(3)约束模型底部的z向平动自由度；(4)模型顶部面为地表面，不施加任何约束。

2.5 计算工况

midas GTS NX施工阶段分析采用累加模型，即下一步模型分析时会自动继承上一步分析结果，并进行累计。计算时将靖宇五道街站基坑数值分析模型分为17个施工工况，包括初始渗流场、初始应力场分析工况，降水工况(共6步)、开挖工况(共7步)。

2.6 伺服支撑设置

靖宇五道街站有限元分析模型中的伺服支撑按照实际情况布置；各支撑预加轴力数值如表1所示。

2.7 模型对比验证

对比有限元计算结果与实际监测结果，以验证有限元模型的准确性。其中，对比项目包括周边建筑物竖向位移、地表沉降以及围护墙体深层水平位移；对比参考点选取具有代表性的JGC-15(1)测点建筑物竖向位移、DBC14-2(1)测点地表沉降以及ZQT-18(2)测点围护墙体深层水平位移。具体对比结果如表3所示。结果表明，该有限元计算模型具有较好的预测精度，计算结果与监测结果相对误差最大仅17.1%。

表3 有限元计算结果与监测结果对比

3 有限元分析结果

3.1 建筑物水平及竖向位移影响分析

表4总结了基坑施工全过程临近建筑物在x、y方向发生的最大水平位移以及z方向发生的最大竖向位移。其中，基坑施工结束时临近建筑物在上述方向发生的位移如表4。可以发现，基坑施工造成临近建筑物在x方向产生最大3.02 mm的水平位移，在y方向产生最大8.27 mm的水平位移，并在z方向产生最大12.41 mm的竖向位移，但均满足建筑物保护的变形控制要求(小于15 mm)。这说明该施工方案是合理的。此外，由图2可以看出，临近建筑物水平位移及竖向位移起控制作用的位置均为偏右位置建筑物。这主要是因为基坑竖向位移在该区域最大，达到17.20 mm。

表4 施工过程中临近建筑在x、y、z方向最大位移

图2 施工结束时临近建筑物各方向位移云图

3.2 有无伺服系统对建筑物的影响

基坑施工设置伺服支撑系统可有效降低基坑变形，减小对临近建筑物的影响。为评估靖宇五道街站伺服支撑系统效果，对比了考虑伺服支撑系统与不考虑伺服支撑系统时的计算结果。其中，临近建筑在施工结束时x、y方向水平位移、z方向竖向位移以及附加应力的对比结果如表5所示。可以发现，设置伺服支撑系统能有效减小临近建筑物因基坑开挖而产生的位移；施工结束时，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方向最大竖向位移降低37.5%，最大附加拉应力降低2.3%。此外，若无伺服支撑系统，该基坑施工将造成临近建筑物在z方向发生最大为17.06 mm的竖向变形，超出建筑物保护的变形控制要求(15 mm)。这说明为降低基坑施工对周边重要历史建筑物的影响，本项目设置伺服支撑系统是十分必要的。

表5 施工过程中临近建筑附加应力

4 结 论

本文以靖宇五道街站为工程背景，实测施工过程中地下连续墙、临近建筑物沉降。利用midas GTS NX岩土工程三维有限元分析计算软件，建立施工有限元模型，并利用实测结果验证模型的准确性。在此基础上，分析了基坑施工对临近建筑物的影响，并评估了伺服支撑系统效果。根据分析结果，得到如下主要结论。

(1)实测结果表明建筑物位移、地表沉降、管线竖向位移、围护墙墙顶竖向位移、墙顶水平位移、混凝土/钢支撑轴力均正常，且处于可控状态。

(2)基坑施工造成临近建筑物在X方向产生最大3.02 mm的水平位移，在Y方向产生最大8.27 mm的水平位移，并在Z方向产生最大12.41 mm的竖向位移，均满足建筑物保护的变形控制要求。说明本基坑施工方案较为合理，不会对临近建筑物的安全性及正常使用造成影响。

(3)为减小基坑施工对临近建筑物影响，本项目需设置伺服支撑，以降低临近建筑物竖向位移，使其满足建筑物保护的变形控制要求。