地下通道基坑开挖对邻近建构筑物影响分析

地下通道基坑开挖对邻近建构筑物影响分析

汪洪涛

深圳市综合交通与市政工程设计研究总院有限公司，深圳  518000

摘要：近下面基于某地下通道的基坑施工,通过运用Plaxis有限元软件研究其对通道周边邻近建构筑物的影响,从而分析设计方案的可能性,并指导工程项目的基坑支护方案设计。

关键词：地下通道；基坑开挖；邻近；建构筑物；有限元分析

近几年，随着社会经济的飞速发展，城市建筑和地下道路工程的建设都在迅速发展，地下空间开发已成为城市发展中的重要环节。在地下道路工程建设过程中，地下道路与沿线建构筑物的距离也越来越近，不可避免地出现在已建建构筑物附近施工基坑的情况。此时，地下道路基坑施工可能会对邻近建构筑物产生一定的影响。因此，分析基坑开挖后对周边邻近建构筑物的影响，对地下道路基坑及邻近建构筑物的安全显得尤为重要。下面基于某地下道路（通道）工程的基坑设计，通过运用Plaxis有限元软件研究其对周边邻近建构筑物的影响，从而指导道路（通道）工程的基坑支护设计方案。

1 工程概况

北横通道新建工程江苏路匝道，是从北横通道在中山公园工作井附近引出，距离中山公园井约170m，总长1550米，沿长宁路方向，涉及路口有：定西路（丁字路口）、华阳路（十字路口）、江苏北路（十字路口）、长宁支路（丁字路口）。其中匝道Z6A为单孔单层车道，从匝道Z5双孔叠层车道的南侧下层车道分离出来，包含暗埋段和敞开段。单孔净宽约7.5m，底板埋深约0m～9.1m。

图1江苏路匝道Z6A明挖段平面图

匝道Z6A基坑南侧邻近兴安小区及兴联大厦，其中兴安小区为2层混砖混结构，距离基坑约8.9m，基础埋深约2.5m；兴联大厦为22层钢筋混凝土结构，距离基坑约8.3m，有1层地下室；基坑南侧还分布有电力管线。北侧为已经施工完成的匝道5结构，如下图所示。

图2  Z6A基坑周边环境平面图

2 地质水文情况

本线路工程位于上海市区的长宁区，沿线地形较平坦，属滨海平原地貌类型。根据本工程详细勘察成果，场地内分布的土层自上而下可划分为九大层、若干亚层和透镜体夹层，其中①1层为填土层，①2层为淤泥层，②1层~⑤4层为全新世Q4沉积层，⑥层~⑨层为上更新世Q3沉积层。基坑开挖影响范围内的具体土层物力参数详见表1，基坑及围护桩所处土层信息详见图3。

表1   地基土承载力建议值

图3   Z6A匝道横断面

根据本项目详细勘察结果，地下潜水位的埋藏深度在0.90~3.50m之间，并且受潮汐、降水量、季节、气候等因素影响而改变。根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》(DGJ08－37－2012)中第12.1条规定，并结合上海地区经验：潜水埋深一般为0.3~1.5m，上海市年平均高水位埋深一般为0.5m，年平均低水位一般埋深为1.5m。故本项目在基坑设计时，计算水位统一取地面以下0.5m。

3 有限元计算分析

由于土的本构模型及传统理论不够完善，对于土体扰动后的性质变化很难准确判断，而基坑开挖引起的土体位移对周边邻近建构筑物的影响机理更为复杂，为了能更全面、详尽的评价基坑支护施工对建构筑物的影响，除采用传统的基坑设计方法外，应用数值模拟方法是必不可少的。通过有限元运算结果，再结合实际工程经验，判断基坑开挖对邻近建构筑物的影响趋势和程度，并以此作为基坑支护方案的设计依据。综合考虑方案建模与分析的合理性以及运算速度，本项目采取二维平面应变有限元模型进行分析。

选取北横通道新建工程江苏路匝道Z6A中某横断面进行分析，断面里程为Z6K0+725，基坑宽度约10.5m，深度约9.0m，围护采用Φ850@600的SMW工法桩，竖向共设置1道700×700混凝土支撑+1道φ609×16钢管支撑；该剖面的周边环境如下：基坑北侧为已经施工完成的5#匝道结构；基坑南侧为兴安小区，2层混砖混结构，距离基坑约8.9m，基础埋深约2.5m；基坑南侧还分布有电力管线。

基坑支护分析过程中，数值模拟采用弹塑性有限单元法来进行。由于围护桩与周边土体两种材料的刚度相差非常大，在有限元分析中采用了接触面单元，同时考虑到计算中的收敛性，单元类型采用非线性弹簧单元，屈服准则采用线性库仑模型。在接触面的节点处分别设置法向和切向两根弹簧来模拟桩土之间的接触特性。分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用法向约束。由于施工工程中基坑周边存在大型机械，采用均布面荷载来模拟基坑周边地面超载，超载值设为20kPa。采用Plaxis有限元软件模拟基坑开挖对建构筑物的影响，土层采用H-S本构模型，计算模型如下图所示。

图4 邻近建筑物基坑计算模型

图5 开挖至坑底时水平位移云图       

图6  基坑南侧兴安小区基础底板位移图

由计算可知，围护墙最大的侧向位移为20.1mm，围护墙后的地表最大沉降约为8.1mm。

基坑南侧：坑外兴安小区的左侧基础沉降为3.3mm，靠近坑边的右侧基础沉降为3.0mm，因此相邻柱基的沉降差为0.3mm，小于规范规定的35mm（0.005L，L为柱跨）；靠近坑边柱的柱顶和柱底水平位移分别为3.7mm和3.3mm，倾斜率为0.05‰，远小于规范规定的倾斜率1‰。坑外管线的最大位移为5.9mm<10mm。经过分析，计算结果满足控制标准。

4 工程难点及应对措施

匝道Z6A基坑南侧邻近兴安小区及兴联大厦，北侧为已经施工完成的5#匝道结构，基坑宽度约10m，开挖深度约为9m，基坑施工面临以下问题：                        

（1）基坑支护施工条件与场地用地方面：由于本基坑位于长宁路下，道路两侧有众多市政管线，以及施工期间还要保证部分交通通行，围护施工空间和场地用地非常紧张；

（2）环境保护要求方面：基坑两侧紧邻众多已建建筑和市政管线，部分建筑为天然基础且在一倍挖深范围内，大部分市政管线在一倍挖深范围内。因此，环境保护要求非常高。

因此，采用以下应对措施：

（1）基坑开挖前，整个路段都存在管道搬迁，交通改道的问题。基坑施工前，首先应将位于基坑范围内的管线均迁移至坑外两侧，然后待管线铺好后交通改道至坑外两侧；

（2）采用加大围护体及内支撑刚度、增加围护桩的插入深度等方法控制围护墙变形；

（3）基坑坑底普遍位于第④层，坑底土层为灰色淤泥质粘土，土质较差，考虑到对邻近建构筑物的保护，采用双轴水泥搅拌桩对坑底土层进行加固，加固深度为坑底至坑底以下4米，加固宽度为2.8m，提高被动区土体强度，加强基坑抵抗变形能力。

并且，在基坑施工过程中，为加强基坑施工安全管理，对施工提出下列要求：

（1）严格按照相关规范标准和设计文件要求进行基坑开挖施工，充分利用“时空效应”作用，开挖应分段分层进行，做到随挖随撑，严禁超挖，减少基坑无支撑暴露时间；

（2）加强信息化施工，设计提出的措施应得到保证；

（3）基坑施工前，在邻近建构筑物及周边地面上设置位移及沉降观测点，及时与参建各方反馈监测数据，结合监测情况适当调整施工速度和施工工况，并做好应急预案。

5 结论

本文以北横通道新建工程为项目研究背景，利用数值模拟分析建立了基坑开挖数值计算模型，研究了地下通道基坑开挖对邻近建构筑物的影响。研究表明，当基坑周边存在临近建构筑物时，在基坑施工过程中可采用增加围护桩的嵌固深度、加大围护桩及内支撑刚度、对坑底土体进行加固等方案均可有效控制围护结构变形，从而减少对基坑周边邻近建构筑物的影响。在施工过程中，还需制定合理的基坑开挖及降水方案，加强施工过程中对基坑邻近建构筑物位移及沉降的监测以确保安全。

参考文献：

[1] 龚晓南, 高有潮. 深基坑工程设计施工手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.

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[4] 潘久荣. 地铁车站施工基坑开挖对临近建筑物的影响研究[D]. 华东交通大学, 2012.