曾燕鹏
深圳市粤通建设工程有限公司 广东深圳 518000
摘要：合理评估基坑开挖对邻近结构安全性尤为重要。以某基坑开挖为例，运用有限元分析软件GTS－NX模拟基坑开挖施工中地连墙、邻近建筑物及地铁结构的变形情况，研究相应的变形规律，评判结构变形是否满足规范的要求。结果表明:地连墙、桩基往基坑内倾斜，建筑物沉降，桩基侧移及隧道衬砌沉降均满足规范要求。
关健词：基坑开挖;数值分析;地连墙;桩基;隧道
引 言
近年来，随着我国城市化建设进程的加快，越来越多的城市轨道交通规划进入未建成区，由轨道交通建设来带动周边地块的开发已成为城市发展的一种主流选择。由于地铁车站主要设置于客流集中的区域，地铁站位置的选择导致地铁线路沿线规划待开发的地块越来越多，使得在地铁保护区范围内进行基坑开挖成为一种常态。针对上述发展现状，本文以某工程基坑开挖为例，运用有限元分析软件GTS－NX进行数值建模，分析了施作连续墙、基坑开挖过程中，基坑支护连续墙、邻近建筑物以及地铁结构的变形情况，并将各结构的数值模拟结果结合相关规范，研究相应的变形规律，评判结构变形是否满足规范的要求。
1、工程实例
某基坑项目周围建筑情况:左边为观井楼，距开挖的基坑7.0 m，有2层地下室(面积5 486 m 2，埋深9.3 m，底板标高为0.6 m);右边为观海楼，距开挖的基坑7.5 m，亦有2层地下室(面积14780 m 2，埋深9.3 m，底板标高为0.6 m)。基坑附近隧道区间段距车库底板距离约16.0 m，隧道二衬采用一型结构及配筋形式，外径尺寸为7000 mm，厚度为400 mm。隧道二次衬砌:采用C35P10防水钢筋混凝土。
开挖基坑长71.25 m，宽62.50 m，深度9.30 m。其东、西两侧直接采用观井楼、观海楼现有地下室的侧墙作为基坑的围护。在基坑北侧则采用800@1000 mm钻孔灌注桩加800 mm旋喷桩进行桩间止水，并从地表向下施作连续墙15.00 m;南侧采用放坡开挖，并采用锚杆加固。基坑与邻近建筑和既有地铁的关系，见图1。
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图1基坑与邻近建筑和既有地铁的关系
1.2工程地质
基坑及其附近场地的地质包括:杂填土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩等，土层厚度分别为:杂填土4.5 m、砂土状强风化花岗岩4.8 m(与碎块状强风化花岗岩同一地层)、碎块状强风化花岗岩4.8 m、中风化花岗岩45.7 m。既有隧道处于中风化花岗岩地层中，计算长度设定为180.0 m。基坑周边环境及地质剖面，见图2。
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图2基坑周边环境及地质剖面(单位:m)
2、有限元三维数值建模
2.1基本假定
在基坑开挖的过程中忽略土体变形的时间效应;考虑土体的分层，且土体为各向同性的连续弹塑性体;不考虑地下水的作用;不考虑浆液硬化，结构只考虑弹性变形。
2.2计算参数
本次分析的地层参数和结构参数，见表1、表2。
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本项目根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量平均值E S，在初定弹性模量E=(2～5)E S的基础上，结合已有工程经验，本模型采用的本构关系为修正摩尔－库仑模型，其中三轴试验割线刚度E 50ref、主压密加载切线刚度E 0edref取值为弹性模量E，卸载弹性模量取值为3E 50ref。
2.3建立计算模型及边界条件
本例的基坑开挖面积约60.0 m×70.0 m，开挖深度约9.3 m，规定计算模型几何尺寸X，Y，Z分别为180.0，180.0，55.0 m，整体计算模型，见图3。
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图3整体计算模型
上部建筑结构中，观井楼(左)、观海楼(右)模型高度分别设为18.0，56.3 m。边界条件为约束有限元模型底部的竖向位移，和计算模型各侧面的法向位移。计算过程中的主要荷载包括各土层的重力，各结构构件的重力(包括地下室结构、桩和隧道衬砌等)，观井楼上部结构荷载6187 kPa，观海楼上部结构荷载1250 kPa。观井楼、观海楼上部结构荷载，见图4。
图4上部结构荷载
上部结构自重通过在基础底端部施加集中力来实现。地下室桩基和上部结构无重力柱均采用梁单元模拟，上部结构的楼板采用无重力板模拟，基坑支护锚杆采用植入式桁架模拟。各种结构模型，见图5～图8。
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图5隧道及地下室结构模型图6上部结构模型
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图7基坑支护连续墙模型图8基坑支护锚杆模型
2.4模拟工况
本次分析主要有7种工况，模拟工况，见表3，表中简述所提及的“激活”、“钝化”的单元模块，如图5、图8。
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3、数值计算结果分析
3.1基坑支护连续墙变形规律基坑开挖导致连续墙产生的侧向位移(Y向)云图，见图9
图9连续墙侧向位移(Y向)云图
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图10连续墙侧向位移(Y向)随深度变化曲线
由图10得知:开挖深度一定时，连续墙沿着深度方向的侧向位移先增大后减小，并且往基坑内倾斜。随着基坑开挖深度的增加，连续墙的水平侧向位移有所增加，最大值在连续墙顶部，侧向位移为－2.35 mm，方向沿基坑向内。根据现行《建筑基坑支护技术规范》，该基坑周边临近建筑物和既有地铁，安全等级为一级，连续墙最大侧向位移绝对值2.35 mm小于控制值0.003×9.3 m=27.90 mm，满足规范要求。
3.2建筑物沉降与桩基侧移
3.2.1建筑物沉降
本文通过观海楼、观井楼地下室的下角点位移量来判断基坑开挖对相邻建筑结构沉降的影响。并规定竖向位移向上为正。经过计算分析，基坑开挖完成后相邻建筑物地下室沉降云图，见图11。
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图11地下室沉降云图
由图11得知:在基坑开挖后观井楼和观海楼的地下室整体表现为沉降变形的趋势。左侧观井楼地下室宽43.0 m，宽度方向两个下角点的沉降分别为－0.004，0.103 mm，其沉降差为0.107 mm;右侧观海楼地下室宽36.5 m，宽度方向两个下角点的沉降分别为－0.004，0.102 mm，其沉降差为0.106 mm。
根据现行《建筑地基基础设计规范》的相关规定，倾斜度为基础倾斜方向两端点沉降差与其距离的比值。故本工程中，观井楼的倾斜度为0.107/43=0.002＜0.008，观海楼的倾斜度为0.106/36.5=0.003＜0.005，均小于规范要求的限值，满足规范要求。
3.2.2桩基侧移
观海楼、观井楼最靠近基坑一排桩基的最中间位置的桩基侧移随开挖深度而变化的位移曲线，见图12、图13。
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由图12、图13可知:地下室桩基侧向位移(X向)随桩深的变化有两个阶段:侧向位移(X向)先增大后减小至零，再反向持续增大，桩基在桩深为9.83 m时，侧向位移(X向)为零。根据变形可以看出，基坑开挖使得桩基向坑内侧移。
3.3隧道衬砌沉降规律
为研究基坑开挖对隧道衬砌沉降的影响，选取隧道－1拱顶分析沿纵向的沉降。隧道衬砌沿纵向的沉降曲线。见图14。
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图14隧道衬砌沿纵向的沉降曲线
由图14得知:在基坑开挖过程中，隧道衬砌的沉降沿纵向先增大后减小，峰值出现在隧道拱顶中部。随着基坑开挖深度的增加，隧道衬砌的沉降有所增大，最大值在隧道拱顶中部，沉降为2.04 mm，小于《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)中规定的报警值10 mm。处于安全状态，满足设计要求。
4、结束语
本文运用有限元软件GTS－NX建立某基坑开挖的三维计算模型，分析了基坑开挖对邻近建筑及既有地铁的影响，得出以下结论:
(1)基坑开挖深度一定时，连续墙沿着深度方向的侧向位移(Y向)先增大后减小，并且往基坑内倾斜。随着基坑开挖深度的增加，连续墙的侧向位移(Y向)有所增加，最大值在连续墙顶部，为－2.35 mm，方向沿基坑向内。连续墙最大侧向位移(Y向)绝对值2.35 mm小于控制值27.90 mm，故满足规范要求。
(2)观井楼的倾斜度为0.002，观海楼的倾斜度为0.003，均小于规范要求的限值，满足规范要求。地下室桩基侧向位移(X向)随桩深的变化有两个阶段:先增大后减小至零，再反向持续增大，基坑开挖使得桩基向坑内侧移。
(3)基坑开挖过程中，隧道衬砌的沉降沿纵向先增大后减小，峰值出现在隧道拱顶中部，随着基坑开挖深度的增加，隧道衬砌的沉降有所增大，最大值在隧道拱顶中部，沉降为2.04 mm，小于规定的报警值10.00 mm，处于安全状态，满足规范要求。
参考文献
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