紧邻高铁站房基坑的浅基础房屋三维变形特性研究

栾志强，李晓龙，赵 成，孙诚涛

（1.中铁十局集团第四工程有限公司，江苏 南京 210046；2.南京上铁地方铁路开发有限公司，江苏 南京 210008；3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

随着城市化进程的不断推进，特大城市的土地资源日益紧缺，有效地开发利用地下空间迫在眉睫。因此，邻近既有建筑物的深基坑工程不断涌现。为确保深基坑施工时既有建筑物的安全，国内外学者开展了基坑-建筑物相互作用机理研究[1-2]。

开展三维有限元数值模拟，万嘉成等[3]研究了软土中基坑开挖对邻近桩基竖向受荷性状影响，并改进了单桩沉降计算的荷载传递法。李兵等[4]发现设置隔断墙或增加围护桩的入土深度能有效减轻紧邻基坑的建筑物变形。许建锋等[5]分析了软土中紧邻深基坑隧道变形的影响因素，发现隧道一个基坑净距与隧道变形呈现幂指数关系。常志凯等[6]发现基坑阳角处变形及影响范围远远大于阴角，基坑变形对周围建筑物的影响呈现出以中心向四周扩散的特点。高波等[7]发现桩和锚杆静压桩的加固措施能明显减轻基坑开挖引起的邻近房屋附加变形。丁毅等[8]发现分段、分块的基坑开挖能很好地限制紧邻构筑物的变形。本文依托海安高铁站房基坑扩建工程开展三维有限元数值模拟，系统研究紧邻深基坑浅基础房屋的变形特性，分析基坑-房屋净距、基坑开挖长度和围护结构刚度对建筑物变形的影响规律。

1 工程概况

海安高铁站基坑扩建工程的平面布置如图1所示。基坑扩建工程分为三期，二期和三期基坑开挖形状为长条形，开挖深度为7.8～9.8 m，开挖宽度为7.0～7.9 m。一期基坑形状为多边形，最大开挖宽度为20.0 m。二期和三期基坑附近存在大量建筑物。为了降低基坑围护结构施工对紧邻建筑物的影响，二期和三期基坑的围护结构采用MJS工法施工，其长度、桩径和间距分别为24.0 m、1.8 m和1.1 m；灌注桩的内部施工长度、桩径和间距分别为21.0 m、0.8 m和1.0 m。一期基坑的围护结构由长度为21.0 m、桩径为0.8 m、间距为1.0 m的灌注桩组成，灌注桩外侧施工双排高压旋喷桩做止水帷幕。

图1 基坑扩建工程平面布置图

二期基坑南侧存在较多浅基础房屋，且房屋与基坑的水平净距小于2倍的基坑开挖深度。因此，确保基坑施工时浅基础房屋的安全性尤为必要。选取典型的浅基础房屋作为分析对象，房屋长度、宽度、高度分别为30.0 m、15.0 m、6.0 m。二期基坑采用一道混凝土支撑和二道钢支撑。混凝土支撑的横截面尺寸为0.6 m×0.6 m；钢支撑的直径和壁厚分别为609 mm和16 mm。腰梁、冠梁尺寸的横截面尺寸均为0.8 m×0.8 m。

2 三维有限元数值模拟

2.1 计算方案

基坑施工引起的墙后土体位移的主要影响区域为2He（基坑最终开挖深度）[9]。基坑变形与其开挖尺寸和围护结构刚度密切相关。因此，三维数值模拟重点考虑基坑-建筑物水平净距、基坑开挖尺寸和围护结构刚度的影响，具体如表1所示。

表1 三维有限元数值分析方案

2.2 基坑-浅基础建筑物的三维数值计算网格

采用Plaxis 3D大型三维数值分析软件研究紧邻深基坑浅基础房屋的变形特性。基坑-浅基础房屋相互作用的三维有限元网格如图2所示。为了消除模型边界对计算结果的影响，模型长度和宽度均为200 m，深度为70 m。房屋侧基坑围护结构到模型边界的距离为120 m，大于10倍的基坑开挖深度；基坑底部与模型底边的距离大于基坑6倍的基坑开挖深度，满足边界条件要求。

图2 基坑-房屋相互作用的三维有限元计算网格

三维有限元网格的单元和节点总数分别为205 315和312 448。土层采用10节点的四边形实体单元模拟，围护结构、浅基础房屋的墙体采用板单元模拟，水平支撑、腰梁和冠梁采用梁单元模拟。网格四周设置法向约束，而网格底部设置三向固定约束。

2.3 本构模型和模型参数

土层采用反应土体小应变刚度特性的硬化模型（HSS）模拟，而其他结构单元采用线弹性模型模拟。场地范围内的素填土、粉质黏土、粉土和粉砂的HSS模型参数如表2所示。钢筋混凝土、钢支撑和房屋墙体的弹性模量分别为25 GPa、210 GPa、3 GPa。

表2 场地土层的小应变硬化模型（HSS）参数

3 邻近浅基础房屋变形特性分析

3.1 浅基础房屋三维变形云图

紧邻深基坑浅基础房屋的竖向和水平位移如图3所示。竖向位移负值为沉降，水平位移负值为指向基坑。基坑与浅基础房屋的水平净距为0.26He（基坑最终开挖深度）。基坑施工到坑底后，紧邻浅基础房屋产生沉降变形，靠近基坑侧的墙体沉降达到6.24 mm。房屋墙体距离基坑越远，房屋沉降越小。深基坑开挖作用下，紧邻房屋的水平位移均指向基坑，最大水平位移为2.6 mm，位于房屋的顶部。房屋高程越低，水平位移越小，表明浅基础房屋向基坑倾斜。

图3 高铁站房基坑施工引起浅基础房屋变形云图

3.2 基坑-房屋水平净距的影响

不同基坑-房屋水平净距下浅基础房屋的最大沉降和水平位移如图4所示。随着基坑-房屋水平净距的增加，房屋的最大沉降和水平位移均快速减小。当水平净距从0.25He增加到1.0He时，房屋的沉降和水平位移分别降低了71.1%和55.0%。当水平净距为1.5He时，紧邻房屋的沉降和水平位移几乎为零，表明基坑施工引起紧邻浅基础房屋变形的影响区域为1.5He。

图4 不同水平净距下房屋位移

3.3 基坑开挖长度的影响

不同的基坑与房屋长度比下，浅基础房屋位移如图5所示。房屋长度固定为15 m，而基坑长度分别为19.6 m、29.4 m、39.2 m、49.0 m、58.8 m、74.5 m。浅基础房屋始终位于基坑的中心位置。随着基坑开挖长度的增加，基坑三维约束效应逐步降低，基坑中心线处的围护结构和土体位移随之增加，进而导致浅基础房屋的位移不断增加。当基坑与房屋的长度比从1.3增至3.3后，浅基础房屋的最大沉降和水平位移分别增加了225%和232%。若对长条形基坑采取分区、分坑的施工方法，减少基坑的开挖长度，能有效地降低紧邻房屋变形。继续增加基坑开挖长度后，房屋沉降和水平位移的增幅很小。表明基坑与房屋长度比达到3.3后，继续增加基坑开挖长度对房屋变形的影响有限。

图5 不同基坑长度下房屋位移

3.4 围护结构系统刚度的影响

不同围护墙系统刚度下浅基础房屋的位移如图6所示。围护墙的厚度为0.3～1.0 m，第一和第二道支撑的竖向距离S为4.25 m，对应的围护结构系统刚度为17.2～638.6。围护结构厚度增加后，紧邻房屋的沉降和水平位移快速降低。当系统刚度从17.2增加到159.7时，围护墙厚度从0.3 m增至0.63 m，紧邻浅基础房屋的最大沉降降低了83.5%。继续增加系统刚度至638.6后，即围护墙厚度为1.0 m，房屋沉降与水平位移的降幅不明显。采取过厚的围护结构不仅不能降低紧邻建筑物的变形，而且经济性很差。海安高铁站房钻孔灌注桩等效后的围护墙厚度为0.63 m，表明此站房基坑的围护结构刚度设计是合理的。

图6 不同围护结构相对刚度下房屋位移

4 结论

通过开展三维有限元数值分析，系统研究了高铁站房基坑扩建工程对紧邻浅基础房屋的不利影响，得出以下结论：①基坑-浅基础房屋的水平净距从0.25He增至1.0He（最终开挖深度）后，房屋沉降和水平位移分别降低了71.1%和55.0%。水平净距达到1.5He后，浅基础房屋的位移接近于零，表明基坑施工引起紧邻浅基础房屋变形的影响区域为1.5He。②长条形基坑的三维变形效应对浅基础房屋的变形影响显著。基坑-房屋长度比（L/LB）从1.3增至3.3后，房屋的最大沉降和水平位移分别增加了225%和232%；基坑-房屋长度比大于3.3时，继续增加基坑开挖长度对房屋变形的影响有限。③围护结构的厚度增加后，紧邻房屋的沉降和水平位移快速降低。围护结构的系统刚度从17.2增至159.7，即墙厚从0.3 m增至0.63 m后，房屋沉降降低了83.5%；继续增加围护结构的系统刚度，房屋沉降与水平位移的降幅不明显。