地道明挖對鄰近建筑基礎影響的數值分析

周奧

摘要:隨著國家道路交通建設的需要，基坑工程大規模飛速發展，不可避免的出現了許多有關基坑安全風險和環境安全的問題。而且很多的基坑工程位于建筑物比較密集的城市，若設計、施工或保護不當的話，使得地面產生較大的沉降或土體的側移，很可能引起周圍的建筑物、道路、地下管道等的破壞，從而造成不可估量的損失。因此，有關基坑開挖對鄰近建筑物影響的研究是我國城市化建設的一個迫在眉睫的問題。

關鍵詞基坑工程；MIDAS GTS NX；鄰近建筑基礎；數值分析

中圖分類號：E271文獻標識碼： A

1 引言

隨著我國經濟的快速增長，城市基礎設施建設的步伐也越來越快，近幾年涌現出了大量的高層建筑以及地鐵隧道使得基坑工程的設計變的尤為重要。由于許多基坑出現在建筑物密集區，進行基坑設計時既要考慮臨近建筑物對基坑的影響，又要考慮基坑對臨近建筑物的影響。

在以往基坑工程中更多的研究了基坑工程本身的穩定性和安全性，而忽略了基坑開挖對臨近環境的影響。在目前復雜工程環境狀況下，基坑支護結構、土體和周邊建筑物及其它構筑物之間的共同作用，鄰近建筑物的變形以及開挖過程中建筑物結構內力的反應等方面的研究較少。尤其在天津濱海等軟土地區，基坑開挖引起的鄰近房屋的差異沉降量一般比較大，對差異沉降敏感的砌體房屋而言，經常會在差異沉降作用下發生開裂、傾斜、門窗變形等直接影響到房屋的正常使用，甚至會引起房屋破壞倒塌，出現危險,造成意想不到的損失。

2 工程概況

天津濱海新區中心商務區德盛道下穿中央大道地道工程位于中央大道與德盛道交口，中央大道為南北走向，德盛道呈東西走向，德盛道主線做成地道型式下穿中央大道，兩側輔道與中央大道平交。地道主線為雙向4車道，城市次干路標準。

該項目地道全長370m，工程起終點樁號為K0+190.276~K0+560.276，主體結構分為U型槽和箱體兩部分，東側U型槽長175m，西側U型槽長126m，中間箱體段長69m；地道全寬29.7m。

圖1 德勝道基坑工程基坑周邊環境圖

德勝道基坑工程基坑周邊環境如圖1所示，地道U形槽北側是渤?；▓@住宿樓，距離地道U形槽最近距離約為7.2m，是地道明挖過程中重點保護對象。該住宿樓一共六層，建筑基礎為伐板基礎。

3 地道明挖對建筑基礎影響的數值分析

3.1 計算方法的采用

由于擬建地道結構外邊緣離附近居民樓的最小距離約7.2m，為了研究基坑開挖對附近樓房沉降的影響，故采用巖土隧道分析專業軟件MIDAS GTS NX，建立三維空間模型模擬地道基坑開挖過程對鄰近樓房基礎的影響。

GTS NX（New Experience of Geo-Technical analysis System）是一款針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件，支持靜力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析、邊坡穩定分析等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準確建模與分析，并提供了多種專業化建模助手和數據庫。

3.2 結構離散與模型的建立

（1）基礎計算模型尺寸

根據基坑與建筑基礎的位置關系，取地道基坑、建筑基礎及其周邊一定范圍土體為研究對象。周圍土體為無限體，但根據工程經驗基坑開挖施工對土體影響范圍一般大于基坑開挖深度的3倍。綜合考慮計算結果的可信度與計算機模擬的可行性，建立實體單元模型時，土體結構三維尺寸取180x180x40m（LxBxH）。有限元模型如圖2所示，共劃分為39492個單元。

圖2 整體有限元模型

MIDAS/GTS NX中共提供13種巖土模型?？紤]到摩爾庫倫準則在實用的約束壓力范圍內具有較高的準確性，對基坑開挖模擬和實測結果匹配較好，同時模型具有表達式簡單、參數較少、容易確定、使用方便、工程應用廣泛等特點。本文土體材料采用摩爾庫倫模型。

（2）樓房基礎、支護樁以及支撐的模擬

樓房及樓房基礎采用三維實體單元，尺寸按實際輸入。支護樁以及支撐均采用線彈性模型。建立支護樁時采用軟件特有的樁單元，即樁與土是通過接觸來傳遞力與位移。MIDAS GTS建立樁單元是在嵌入式梁單元的基礎上，直接考慮與周邊其他單元的連接特性。建模時所有樁基長度均按20m考慮（與實際略有差別），樁徑為φ1.2m。

對支撐體系采用特有的植入式梁單元進行模擬。由于橫向支撐體系采用植入式梁單元，所以支撐體系與土體之間的接觸問題軟件會自動考慮，不需要重復設置模型的接觸單元; 支撐體系內部通過設置剛性節點來模擬橫、縱、豎三向支撐之間的連接。

支護樁與支撐有限元模型如圖3

圖3 支護樁與支撐有限元模型

（3）邊界條件

在整體計算模型中，采用位移邊界條件，土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，側面限制水平位移。由于模型所截取土體尺寸（180x180x40m）數倍于開挖基坑尺寸，因此邊界條件的約束情況，對計算結果影響較小，可以忽略。

（4）施工階段模擬

a) 初始地應力平衡

初始應力條件的確定是模型建立的關鍵問題，初始應力場是基坑即將開挖時的應力場。初始應力場是彈塑性有限元計算的基礎，基坑開挖各個階段的計算都是在此基礎上進行在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍構筑物荷載作用下，已經固結沉降完畢，在此基礎上進行隧道開挖，需要將已經固結沉降完成的原狀土作為后續開挖步的初始狀態。因此，在利用有限元模擬基坑開挖過程時，若要達到天然土層的初始狀態，必須平衡初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。模型中第一階段為土體未開挖的初始階段，通過GTS的位移清零功能消除已經完成的沉降位移，并構造初始應力場。

b) 鄰近建筑物荷載對初始應力狀態的影響

采用有限元軟件中“ 單元生死” 的方法, 在基坑開挖前激活鄰近建筑物模型和荷載, 考慮其對初始應力場的影響。同時在第一步開挖荷載步工況對初始位移歸零, 忽略鄰近建筑物荷載產生的初始位移。

c) 基坑開挖過程模擬

隨著地層自重固結應力狀態穩定后，對地層和結構的位移進行清零，接著利用軟件對基坑開挖以及立支護樁、內撐每個工序進行模擬。

4 數值分析結果

當地層自重固結應力狀態穩定后，對地層的位移清零。在基坑開挖至坑底時基坑結構和建筑基礎在各個方向的位移情況，如下圖所示。

圖4 基坑開挖至坑底水平變形云圖

圖5基坑開挖至坑底豎直變形云圖

圖4和圖5為基坑開挖至坑底時水平變形云圖和豎直變形云圖。從圖上可以看出，在基坑開挖至坑底的過程中，房屋頂出現最大水平變形為7.7mm，最大豎向位移為14.3mm。

5 結論

從MIDAS GTS NX的計算結果可以看出：在基坑開挖的過程中，建筑基礎出現水平變形和沉降，開挖至基坑底部時，房屋基礎的變形量達到最大值，房屋基礎最大變形量14.3mm處于安全范圍之內。因此，在施工組織和施工方案均合理的情況下，修建地道不會造成鄰近的房屋基礎受力狀態發生明顯改變。結果表明采用有限元來分析基坑開挖對鄰近建筑基礎的影響，能夠取得一些定性的指標，對工程設計在后續更進一步的定量分析具有較好的指導意義。建議在進行有限元數值模擬時需根據實際情況采用合適的本構模型，并結合工程實際情況考慮地下水降水的影響。這樣才能得出與實際更相符的結論。

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