1、超大基坑施工对临近建筑物影响研究 付江山 姚佳兵 徐新 王明明 中国水利水电第四工程局有限公司 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 摘 要： 地铁站超大基坑的施工对繁华商业区的影响极为敏感, 因此, 明确影响超大基坑施做关键步骤, 控制超大基坑施做关键步骤是整个超大基坑施工成败的关键因素。依托深圳地铁 7 号线的华强北站超大基坑工程, 基于 FLAC3D 有限差分数值模拟软件, 对华强北站超大基坑全过程开挖中的基坑及基坑周边建筑物的施工力学特性进行了分析, 通过对比基坑侧向位移及周边建筑物的不均匀沉降, 探明了超大基坑施做过程中的关键步骤, 并提出关键施工步序具体控制措施。关键词： 超大
2、基坑; 繁华商业区; 施工力学特性; 不均匀沉降; 关键施工步序; 作者简介：付江山 (1970) , 男, 山东济南人。高级工程师, 主研方向:地下建筑及水工隧道。E-mail:。收稿日期：2016-11-19Study on Influence of Super Large Foundation Pit Construction on Adjacent BuildingsFU Jiangshan YAO Jiabing XU Xin WANG Mingming SINOHYDRO Engineering Bureau 4 Co., Ltd.; Key Laboratory of Trans
3、portation Tunnel Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University; Abstract： The construction of super large foundation pit for subway station is very sensitive to the influence of downtown business district. Therefore, finding out and control the factors influencing the key excav
4、ation steps thereof is crucial. Taking the super large foundation pit in Huaqiang North Station of Shenzhen Metro Line 7, the mechanical properties of the pit and the adjacent buildings in the excavation were analyzed with FLAC3 D finite difference numerical simulation software and, by comparison wi
5、th the lateral displacement of the pit and the uneven settlement of the adjacent buildings, the key sequence of super large foundation pit construction was verified and the specific control measures for this sequence were proposed.Keyword： super large foundation pit; downtown business district; mech
6、anical properties in construction; uneven settlement; key construction sequence; Received： 2016-11-190 引言随着我国地铁的快速发展, 修建地铁车站的数量与日俱增, 地铁车站基坑所面对的工程地质条件也愈加复杂。部分基坑位于繁华商业区内, 周围建筑物多, 对沉降敏感, 安全要求高。因此, 基坑施工对周围环境的影响问题越来越受到重视, 同时也成为基坑施工的研究热点。针对这样的形势, 国内外的学者做了以下研究:Bose S K 等1运用二维有限元法来模拟基坑的分步开挖过程和支撑结构型式的变化, 土体的
7、本构关系利用了修正剑桥模型, 研究了支护墙体的贯入深度、基坑的开挖宽度和支撑预加轴力大小等因素对基坑支护体系变形和坑底隆起变形的影响;Finno R J 等2用平面应变有限单元法来分析基坑支护结构的变形以及坑底的回弹变形。夏明耀3运用模型试验研究了坑底的隆起量与土层力学性质、连续墙的插入深度、坑边的超载等的关系;魏汝龙4提出基坑开挖属于卸载情况, 强度理论应充分考虑应力历史的影响, 并提出了一种综合性的强度指标, 针对其中有关卸载强度曲线讨论了卸载时墙前土压力的计算问题;陈书申5针对高层建筑深基坑支护结构工作特点和软土地层的具体条件, 指出考虑变位、强度、开挖深度诸因素影响的土压力计算方法;高
8、文华等6基于横向剪切变形的 Mindlin 厚板理论, 建立深基坑围护结构的三维有限元分析模型模拟基坑施工, 考虑了由地基流变而引起的时间效应, 研究了基坑施工后基坑所在地层及围护结构的受力和变形;杨卓文7运用 FLAC3D 软件模拟小天竺车站深基坑支护, 对其稳定性施工力学进行了深入研究;徐奴文8针对基坑开挖过程中支护结构的变形及土压力的性状进行了研究, 并得出了基坑支护结构变形和周围地层沉降发展变化的一些规律;杨有海等9-10就支护结构刚度、基坑开挖与支撑顺序、支撑排列方式和坑内土体加固深度等设计、施工因素对支护结构变形和内力的影响进行深入研究。上述研究多集中在基坑施工对周围地层及基坑围护
9、结构的影响, 施工过程对基坑及周边建筑物沉降变形特性的影响研究较少。因此, 本文依托华强北站基坑开挖工程, 运用 FLAC3D 对繁华商业区内超大基坑施工对基坑及周边建筑物影响进行相关研究。揭示基坑施工全过程对周围影响规律, 对于基坑的安全施工具有重要的指导意义。1 工程概况华强北站为地下三层岛式站台车站, 华强北站全长为 329.9 m, 宽为 28.1 m, 标准段基坑深度约 25.726.4 m。华强北站超大基坑西侧建筑由南向北依次是华强集团、华强电子世界、华强广场酒店、华强电子世界和华强广场酒店地下室, 基坑东侧建筑由南向北依次为赛格广场、宝华大厦、康乐电子有限公司、广博现代之窗大厦,
10、 其工程平面, 见图 1。图 1 华强北站工程平面 下载原图华强北站地质剖面, 见图 2。图 2 地质剖面 (单位:m) 下载原图地层依次为上覆第四系全新统人工填土层 (Q 4) 、冲洪积层 (Q 4) , 第四系上更新统坡积层 (Q 3) , 第四系花岗岩残积层 (Q) , 下伏燕山期花岗岩 ( 5) 。地下水主要为孔隙水及基岩裂隙水, 稳定地下水位埋深 3.106.30 m, 水位高程 8.6713.45 m。地下水的排泄途径主要是蒸发和径流, 主要补给来源为大气降水。2 计算模型及参数2.1 假定条件华强北站基坑长达 355.4 m, 宽 28.1 m, 深约 25.726.4 m, 属
11、于超大基坑。计算模型地层分布按照标准断面均匀分布, 且整个模型地下水位按照其分布最高水位地下 1.32 m 均匀分布。2.2 边界条件由于计算模型过大, 在计算的精度和效率的要求下, 将该模型基坑划分为三个计算区段。为保证各计算区段方式及计算结果的合理性及正确性, 在各计算区段的边界上均采用滚轴支撑, 在模型的四周施加水平约束, 在模型的底部施加竖直约束, 从而保证各计算区段之间的力学特性的连续性。在模型未进行开挖之前进行施加重力加速度, 初始地应力平衡, 进行分别求解。计算模型, 见图3。图 3 计算模型 下载原图2.3 模型计算参数在 FLAC3D 中的计算模型中, 基坑周边的土体、围护、
12、支撑结构采用计算软件中的实体单元, 并以摩尔-库伦强度准则作为破坏和失稳的依据11-13, 其中钢支撑采用计算软件中的 beam 单元, 基坑周边建筑物以等效荷载的形式进行施加, 根据建筑结构荷载规范, 其各建筑物的等效荷载14, 见表 1。表 1 建筑物荷载取值 下载原表 基于现场工程地质报告及土力学试验得出相应的物理力学参数15, 并结合相关资料得出数值模拟相关参数, 见表 2。表 2 模拟材料力学参数表 下载原表 结合华强北站超大基坑实际施工步序约定计算施工步序, 见表 3。表 3 施工步序 下载原表 2.4 计算监测为保证计算结果能够反映基坑周边临近建筑物的整体变形及不均匀沉降, 其监
13、测点一般选在建筑的轮廓点, 具体建筑物监测点布置, 见图 4。以圆圈圈出位置作为监测点。图 4 监测点布置 下载原图3 计算结果分析通过对华强北站超大基坑全过程开挖数值模拟计算结果的分析比较, 得出了基坑开挖全过程力学特性, 确定了各个施工步序对基坑侧向位移及其周边的建筑物不均匀沉降的影响。3.1 施工步序对基坑侧向位移的影响基坑开挖完成其侧向、竖向位移云图, 见图 5、图 6。图 5 基坑侧向位移云图 下载原图图 6 基坑竖向位移云图 下载原图基坑侧向位移随施工步序变化关系, 见图 7。图 7 基坑侧向位移随施工步序变化关系 下载原图由图 7 可见:基坑顶部、中部、底部的侧向位移总体上随施工
14、步序增大, 在完成第 17 步工序 (施作负三层底板) 后, 最终侧向位移分别为 0.064, 0.024, 0.063 m;基坑顶部侧向位移在施工步序 4 (开挖至第一道钢支撑) , 7 (开挖至负一层底板) , 10 (开挖至负二层底板) , 16 (开挖至负三层底板) 中都有较大的增幅, 而其他的基坑降水对基坑顶部的侧向位移变化的影响较直接开挖的施工步序要小的多, 其中在施工步序 4, 7, 其侧向位移增幅最大。基坑中部侧向位移在施工步序 7 (开挖至负一层底板) 中急剧增大, 与基坑顶部侧向位移变化趋势不同, 在施工步序 7 完成后, 基坑中部侧向位移逐渐减小。基坑底部侧向位移和基坑顶
15、部侧向位移的变化规律一致, 在施工步序分别为 4, 7, 10, 16 完成后, 其侧向位移均有较大的增幅, 但在施工步序 16 (开挖至负三层底板) 完成后, 基坑底部的侧向位移增幅较施工步序 4, 7, 10 大。基坑开挖过程直接扰动地层, 使基坑两侧失去被开挖土体的横向支撑, 因此, 在开挖的施工工序完成后, 基坑的侧向位移都有较大增幅;在随基坑开挖后支护结构的施作, 由于基坑结构的横向支撑作用, 后续的基坑侧向位移增量变小。3.2 施工步序对基坑周边建筑物的影响在华强北站全过程施工力学模拟中, 基坑周边建筑物赛格工业大厦发生了最大不均匀沉降, 其基坑周边所有建筑物都是采用等效荷载形式进
16、行模拟。因此, 赛格工业的施工力学特性能代表其他建筑物在基坑开挖过程中施工力学, 为此, 着重对赛格工业大厦在基坑开挖全过程施工力学特性进行分析。赛格工业大厦不均匀沉降随施工步序变化关系, 见图 8。图 8 赛格工业大厦不均匀沉降随施工步序变化关系 下载原图由图 8 可知:赛格工业大厦不均匀沉降量总体上随施工步序逐步增大, 在后续施工步序中, 赛格工业大厦的不均匀沉降量的变化速率减小;在施工步序 4 (开挖至第一道钢支撑) ;10 (开挖至负二层底板) 的两个施工步序中, 其不均匀沉降量较其他施工步序大, 因此, 在地铁车站施工过程中, 基坑开挖至 1/32/3 全基坑深度的范围内, 是整个施
17、工过程的关键阶段, 应特别注意基坑的施工安全;由于基坑开挖, 基坑所在地层失去原有土体的横向直接支撑作用, 而基坑降水, 减小土体孔隙中孔隙水压力, 从而增大土体的有效应力, 引起地层的不均匀沉降, 造成建筑物的不均匀沉降, 因此, 相对于基坑开挖, 由于基坑降水引起的不均匀沉降沉降量较小, 因此更应当重视由基坑开挖施工步序对基坑周边建筑物不均匀沉降的影响。从现场实际监测的情况可以看出, 赛格工业大厦的实际不均匀沉降和计算模拟所得出规律基本一致, 同样是在基坑开挖至 1/32/3 全基坑深度的范围内, 赛格工业大厦不均匀沉降量急剧增加, 因此, 为保证地铁车站基坑施工的安全, 应在基坑开挖至
18、1/32/3 全基坑深度的范围内, 增设钢支撑, 同时加大钢支撑的预应力。4 结语采用 FLAC3D 有限差分数值模拟方法, 模拟分析了华强北站地铁车站超大基坑开挖全过程施工力学特性, 探明了基坑侧向位移、基坑周边建筑物的不均匀沉降量随施工过程的时空分布规律, 得出以下结论:(1) 基坑侧向位移及建筑物的不均匀沉降随施工步序的进行, 总体上呈增大的趋势, 同时随后续基坑的支护结构的施作, 后续施工步序对基坑侧向位移及周边建筑物不均匀沉降的影响较小。(2) 相对于基坑降水, 由于基坑开挖使得基坑两侧失去原有土体的横向支撑, 因此, 基坑开挖对基坑侧向位移及建筑物不均匀沉降的影响较大。(3) 在整
19、个基坑开挖过程中, 基坑开挖施工步序中, 基坑的侧向位移和建筑的不均匀沉降的变化较大, 尤其在开挖至 1/32/3 全基坑深度的范围基坑侧向位移及建筑物不均匀沉降变化最大。因此, 要尤其关注在这个范围内施工关键步序, 以保证整个超大基坑的施工安全。参考文献1Bose SK, Som N N.Parametric study of a braced cut by finite element methodJ.Comput Geotech, 1998, 22 (2) :91-107. 2Finno R J, Harahap IS, Sabatini PJ.Analysis of braced ex
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