隧道基坑開挖對鄰近建筑物影響分析

馬 強

（四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610015）

0 引言

一般來說，深基坑工程多位于城市中心，城市高度密集的建筑給深基坑工程帶來一定的挑戰，基坑工程的施工很大程度上會對周邊環境產生一定的影響，周邊淺基礎建筑由于基礎深度較淺且土層條件較差，受基坑開挖的影響較明顯?；邮┕み^程中很多因素都有可能造成周邊建筑的開裂、傾斜甚至破壞，一些老舊建筑尤其是淺基礎建筑的安全受到比較大的挑戰。因此，研究基坑開挖對建筑物影響具有一定的實際意義?；诨娱_挖與建筑物變形的關系建立淺基礎建筑物沉降預測能一定程度上幫助施工人員預判可能發生的問題并規避風險[1]。

基坑的開挖使基坑內的土體卸載，進而引起基坑周圍土體的變形和損壞，這就會造成基坑鄰近建筑物的變形，建筑物變形過大會影響建筑物的正常使用[2]；基坑降水的過程中，地下水會滲流，這樣會導致土體的固結壓縮，從而導致地面的不均勻沉降，進而引起建筑物的變形?；拥拈_挖和降水都會使建筑物產生變形，嚴重時會導致建筑物的破壞，給建筑物的正常使用帶來影響?；娱_挖會導致基坑周圍土體變形，土體變形會導致建筑物的變形，建筑物變形過大會影響建筑物的正常使用，從而對建筑物的使用安全構成一定的威脅[3]。國內外眾多學者對基坑開挖引起建筑物的變形進行了深入的研究。朱大鵬等[4]基于廣州某深基坑工程，分析了深基坑開挖引發鄰近建筑物的變形機理。鄭翔等[5]依托實際工程，探究了基坑施工對鄰近建筑物的影響。溫淑荔[6]通過數值模擬的方法，研究了深基坑加固措施對既有建筑物的影響規律。韓健勇等[7]采用有限元分析軟件，探討了基坑開挖對鄰近建筑物的影響。施有志等[8]通過數值模擬的方式探究了深基坑開挖對不同基礎型式建筑物的影響。謝康和等[9]研究了成層土中基坑開挖降水引起的土體應力以及周圍地表沉降的變化。

隧道基坑的開挖會引起鄰近建筑物的變形，因此探究隧道施工對鄰近建筑的影響至關重要，而數值模擬是常用的手段[10-11]。本文通過數值模擬的方法，分析隧道明挖段及盾構始發井施工對鄰近小區建筑物的影響。

1 工程概況

某隧道明挖段及盾構井側穿小區，與小區最小水平凈距約16 m。此區間地層依次為人工填土、粉質黏土、粗圓礫土，半島小區房屋為6+1層磚混結構，基礎采用ф300～ф350摩擦樁作基礎，樁基長8～10 m，基礎位于黏土（膨脹土）內。隧道與半島小區房屋基礎位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與小區位置關系Fig.1 Location relationship between tunnel and community

2 基坑開挖及支護方法

（1）明挖段

明挖部分采用φ1200mm@2200mm的圍護樁，樁頂設置1200mmí800mm冠梁；其中除了明挖區間上跨地鐵區間及下穿機場高速高架橋區段圍護樁采用人工挖孔樁以外，其余區段圍護樁采用旋挖樁成孔；圍護樁頂設置1500mmí800mm和1200mmí800mm冠梁；沿冠梁頂外側設置1.5 m 高、0.25 m 厚的鋼筋砼擋墻。明挖區間基坑豎向采用三道/兩道支撐+一道倒撐，支撐為φ609 mm、t=14 mm的鋼支撐，鋼材型號Q235B，鋼支撐水平間距為 3 m。第一道支撐頂在圍護樁的冠梁上，第二～四道支撐頂在鋼圍囹上，倒撐頂在主體結構側墻預埋鋼板上，在基坑開挖至鋼支撐設計高程下0.5 m時，停止開挖并立即架設鋼支撐，嚴禁超挖[12]。鋼支撐布置平面圖如圖2所示。

圖2 明挖段鋼支撐布置平面圖Fig.2 Layout plan of steel support in open cut section

鋼支撐縱斷面圖如圖3所示。

圖3 明挖段鋼支撐布置縱斷面圖Fig.3 Longitudinal section of steel support layout in open cut section

（2）盾構井

盾構始發井段采用φ1500mm@1800mm、φ1200mm@2000mm的圍護樁，圍護樁頂設置1500mmí800mm 和 1200mmí800mm 冠 梁；沿 冠梁頂外側設置1.5 m高，0.25 m 厚的鋼筋砼擋墻。明挖盾構始發井基坑豎向采用四道支撐。支撐為φ609mm、t=16 mm的鋼支撐，鋼材型號Q235B。

始發井鋼支撐布置平面圖如圖4所示。

圖4 始發井鋼支撐布置平面圖Fig.4 Layout plan of steel support of departure shaft

始發井鋼支撐縱斷面圖如圖5所示。

圖5 始發井鋼支撐布置縱斷面圖Fig.5 Longitudinal section of steel support layout of departure shaft

3 數值模擬

FLAC3D對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準確、合理[13]。另外即使模擬的系統是靜態的，仍采用了動態運動方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不穩定過程不存在數值上的障礙。這使得FLAC3D非常適合基坑開挖的模擬，但是前處理功能較弱，復雜三維模型的建立比較困難。因此選擇通過Midas GTS建立模型，然后將網格導入到FLAC 3D中的方法進行數值模擬[14]。

3.1 模型建立

在Midas GTS 中建立模型[15]，模型寬145 m，長166 m，高40 m，明挖部分土體根據每次開挖高度進行分組，高度分別為第一次開挖 0.9 m、第二次開挖 4.1 m，第三次開挖 6.8 m，第四次開挖 1.5 m，第五次開挖 5.7 m，明挖部分底板 1.2 m；始發井部分第一次開挖 0.9 m，第二次開挖 5.6 m，第三次開挖 5.5 m，第四次開挖 4.5 m，第五次開挖 5 m。盾構井底板 1.6 m。最終模型有單元 251 045個，節點263 368個，模型如圖6所示。

圖6 模型分組示意圖Fig.6 Schematic diagram of model grouping

3.2 基坑開挖過程模擬

（1）初始應力場平衡

在FLAC3D中對不同地層進行分組，分組結果如圖7所示。

圖7 地層劃分示意圖Fig.7 Stratigraphic division diagram

由于小區地下部分樁基較密集，建模和網格劃分困難，所以將樁基作為一個整體考慮，將剛度和密度進行相應折減，地上部分按施工經驗，密度取為 433 kg/m3。對各地層進行參數賦值，施加z向重力加速度g=9.8m/s2，形成自重應力場，如圖8所示。

圖8 自重應力場Fig.8 Self weight stress field

（2）基坑開挖

第一步開挖 0.9 m，之后進行求解，開挖求解完成后添加鋼支撐，因為基坑中鋼支撐數量較多且截面較小，因此用FLAC 3D中的beam單元進行模擬，beam單元的材料為Q235鋼，明挖區間beam單元的截面面積為0.0265m2，盾構井區間beam單元的截面面積為0.0303m2。添加鋼支撐后再進行一次求解，至此第一步開挖模擬結束，之后進行下一步開挖，之后的開挖與第一步開挖過程一致因此不再贅述。第一步開挖以及第一道鋼支撐如圖9、10所示。

圖9 第一步開挖Fig.9 Step 1 excavation

圖10 第一道鋼支撐Fig.10 First steel support

開挖至最后一道鋼支撐后，進行最后一次開挖，開挖至底板底面位置，激活底板分組并賦予參數，至此基坑開挖模擬結束。最后一步開挖如圖11所示。

圖11 最后一步開挖Fig.11 Final excavation

3.3 結果分析

基坑開挖完成后，小區最大沉降值為 2.05 mm，發生在南方小區遠離基坑一側，靠近基坑一側隆起0.81 mm，小區左右側沉降差值為 2.86 mm，有向左側傾斜的傾向，如圖12所示，但形變值較小，無傾覆風險。

圖12 南方小區Z向位移云圖Fig.12 Z-direction displacement cloud map of South Community

開挖完成后小區樁基處有向基坑方向的位移，最大位移值為 3.88 mm。樓頂處有向遠離基坑方向的位移，位移值為 0.026 mm，小區樁基與樓頂位移差值為3.906 mm，如圖13所示，相差較小，無傾覆風險。

圖13 南方小區X向位移云圖Fig.13 X-direction displacement cloud map of South Community

4 結語

本文通過FLAC3D有限差分軟件研究了隧道明挖段及盾構始發井施工對建筑物的影響，分析了基坑施工對鄰近建筑物的影響規律。數值計算結果表明本基坑開挖對鄰近建筑物沉降、位移及受力影響非常小，保證了鄰近建筑物的安全，基坑開挖的施工方案安全可靠。