城市建筑深基坑变形与数值模拟浅析

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摘要：文中以潍坊市站南广场基坑工程为例，通过现场布设的18个监测点，对复杂环境下城市建筑深基坑顶部竖向沉降和水平位移进行实时监测，变形最大值分别为21mm、21.4mm，均未超过预警值。利用FLAC3D软件数值模拟，能够较好地反映实际开挖过程。结果表明，该支护设计方案确保了现场安全，对其他地区类似基坑工程设计与监测有重要参考意义。

关键词：城市复杂环境；深基坑；工程监测；数值模拟；位移

0引言

随着城市化建设的不断推进，特别是大中城市高层及超高层建筑物的兴建及地下空间的开发利用，基坑开挖向着更深更大的方向发展，必然导致出现很多深基坑工程。深基坑工程位置多处于复杂环境下城市繁华街区，基坑开挖会对周边建筑物以及地下结构及光缆管线等造成不同程度影响，对人们的生产生活造成影响。鉴于此，有必要对深基坑边坡稳定性进行进一步研究。国内外众多学者对基坑工程以及基坑监测技术、变形沉降等问题［1-3］进行了研究，Wong等［4］通过现场基坑工程监测分析了新加坡地下工程的基坑变形以及土层支护，得出了基坑竖向沉降与水平位移与基坑下方土层的力学性质有密切关系；周秋月［5］等基于具体的综合管廊基坑工程，根据现场监测数据得出了沉降速率受开挖速率的影响，并得出基坑开挖速率过快会导致沉降速率加大的规律；宋建学［6］等根据具体基坑工程监测，指出基坑变形监测的重点在于累积变形值以及变化速率等预警值；尹利洁［7］等通过分析兰州地铁雁园路站基坑施工过程中支护结构及变形监测数据并利用MIDASGTS有限元软件对基坑开挖过程进行了数值模拟。通过对基坑监测技术以及变形沉降进行分析，以便采取有效措施保证基坑工程的变形与沉降并使其他不利因素处于预警值以内。本文以潍坊市站南广场深基坑工程为实例，通过现场监测数据以及FLAC3D数值模拟对比分析，对该监测项目变形以及沉降规律进行了探讨，为类似基坑工程施工、变形控制以及周边环境保护提供参考。

1工程概况

1.1项目概况

潍坊城市景观广场地下空间项目场区位于潍坊市潍城区仓南街以南、向阳路以东、和平路以西用框架结构、独立基础加防水板。现状地面整平标高为36.0~36.5m，基底标高为23.95~24.15m，基坑挖深为12.5m。

1.2工程地质及水文条件

根据现场场区工程勘察，该施工场区原为拆迁地，场地地形总体平坦，场地地下水类型主要为潜水及风化基岩裂隙水。勘察期间测得该场区地下水位平均埋深为7.8m，近年最高水位埋深6.0m，降水产生的地面沉降较小。表1表示场区基坑开挖影响范围内主要土层物理力学参数。

1.3基坑周边环境条件

该地下空间项目南、北侧两倍基坑深度范围内无任何建构筑物。东侧燃气管道埋深1.6~1.8m，距基础边线最近处4.6m。东侧和平路地下管廊为双仓综合管廊，距该建筑基础边线最近处7.1m，现场开挖自立性较好。西侧自来水管线埋深2.0m，距基础边线最近处4.4m，电缆管沟埋深1.5m，距坡顶最近处5.0m。西南角距坡顶15.8m处有地下过街通道，相邻位置过街通道埋深9.0m，埋深最大处距基础边线22.0m，过街通道采用框架结构独立基础。由此可见该地下空间工程周边环境复杂。

2基坑支护设计方案及现场监测

为确保地下工程开挖过程中基坑边坡、周围建筑物及道路的安全与稳定，依据场地地层、周边环境及基底标高情况，在基坑开挖前设立支护结构并全程进行监测［8］。

2.1支护结构方案

该项目基坑支护设计平面图如图1所示。在支护过程中，土石开挖较深区域，可采取土钉墙及复合土钉墙支护，设计选取桩锚支护形式以保证场地基坑安全开挖，支护剖面如图2所示。

2.2基坑监测内容

为确保该项目施工过程中基坑周围建筑物和道路的结构安全与使用稳定，对开挖范围复杂区域进行坡顶竖向沉降和水平位移现场监测，监测点布置如图1所示。2020年5月13日对监测项目进行了初值测量，坑顶沉降位移和水平位移均为0。整个基坑开挖过程对其进行每日实时监测，直至底板混凝土浇筑完毕。主体施工开始后进行每周监测，直至基坑回填结束。

2.3监测结果分析

2.3.1基坑竖向沉降变化。图3表示基坑开挖阶段各监测点累计沉降结果。分析可知，随着基坑开挖工序的进行，各监测点竖向位移逐渐增大，最大竖向累计位移位于6号监测点，累计变化量为21mm，但均在竖向位移警戒值32mm以内。由此可知，所采取的基坑支护方案能够满足该地下工程稳定的要求。鉴于该地下空间项目周围环境复杂，选取靠近道路一侧监测点进行分析［9］，监测点随时间竖向位移变化趋势如图4所示。由图可以看出，5月、6月为基坑开挖初始阶段，监测点竖向位移变化波动剧烈。5月3日施工进度至TD-3施工结束，此时竖向位移变化量达到第一个区域峰值-0.5mm，表明此时三层土钉墙支护起到被动支护作用；6月10日，第一道锚杆施工完毕，此时竖向位移变化量达到第二个区域峰值0.4mm且后续变化量减小，表明此时锚杆支护起到主动围护作用；6月18日，第二层锚杆施工完毕，此时沉降位移变化量达到第三个区域峰值-0.5mm且后续变化量减小，表明此时锚杆起到主动围护作用。7月为基坑清槽、垫层及抗浮锚杆施工阶段，随着施工进度的开展，基坑底板逐渐浇筑封底，基坑沉降值逐渐趋于稳定，且沉降值较低。2.3.2基坑水平位移变化。图5表示基坑开挖阶段各监测点累积水平位移变化趋势。分析可知，随着基坑开挖工序的进行，各监测点水平位移逐渐增大。监测区间内水平位移变化与竖向位移变化相似，水平位移增加较大，其最大值出现在监测点8处，其值大约为21.4mm，均为超过水平位移警戒值（32mm）。图6表示各监测点坑顶水平位移变化趋势。分析可知，自5月30日至TD-3施工结束，此时水平位移变化量达到第一个区域峰值-9mm，表明此时三层土钉墙支护起到被动围护作用。施工至6月10日，第一道锚杆施工完毕，此时水平位移变化量达到第二个区域峰值-6mm且后续变化量减小，表明此时锚杆支护起到主动围护作用。施工至6月18日，第二道锚杆施工完毕，此时水平位移变化量达到第三个区域峰值-6mm且后续变化量减小，表明此时锚杆起到主动围护作用。按照施工进度，7月为基坑清槽、垫层及抗浮锚杆施工阶段。可见，随着施工进度的推进，基坑底板逐渐浇筑封底，基坑水平位移值逐渐趋于稳定，说明桩锚支护与土钉支护两种支护结构对基坑坑顶水平位移的控制起到良好的效果［10］。

3数值模拟分析

3.1模型及边界条件

为进一步验证该支护方案的可行性，选择基坑开挖区域标准段建立基坑模型，基坑长约为152.7m，宽约为136m，深度约为12.5m。各土层之间力学性质复杂且具有较大差异性，根据圣维南原理，模型的平面尺寸参数取基坑开挖深度的3~5倍，模型尺寸选为500m×500m×100m，运用MIDASGTS软件建立基坑的三维地质模型，共划分36292个单元，17503个节点。开挖段土层依据土层设计参数划分为6层，各土层物理力学参数见表1所示。假设土体处于均匀分布状态且不考虑地下水渗流的影响。为便于分析模型计算时应力变化规律，对基坑开挖阶段设置以下几个工况［11］，如表2所示。

3.2基坑竖向位移分析

根据现场实际情况，进行六步开挖，对基坑的位移变化进行分析。基坑开挖完毕后纵向沉降最大值约为25.3mm，左侧坡顶中部边坡平均变形为25.0mm，第二道锚杆对左侧坡顶位移产生了较好的约束作用，基坑右侧坡顶中部位置变形最大，最大值为25.5mm，右侧坡顶长边中部边坡平均变形为25.0mm。纵向切片剖面内部最大值两侧分别为25.5mm、25.1mm，左侧内部变形小于右侧内部变形，基坑左侧锚杆的增加降低了基坑内部变形。选取建模区域内竖向位移监测点CN1，将监测值和模拟值在不同工况下的变化曲线对比分析，如图7所示。分析可知，因在监测前现场已对周边建筑进行提前加固处理，所以基坑周边建筑物沉降实测值都小于模拟变形值［12］，最小为1.0mm，最大为6.0mm，差值不大，数值模拟结果可以较好地反映基坑沉降变形；基坑阳角处为最不利位置，因施工过程中及时加固，桩顶沉降实测值均小于模拟变形值，差值变化较均匀，平均值为3.0mm，数值模拟结果可以较好地反映桩顶的沉降变形；实际监测值最大位移与模拟值最大位移均未超过预警值，表明开挖过程中支护结构稳定性良好。

3.3基坑水平位移分析

根据现场实际情况，进行六步开挖，对基坑的位移变化进行分析。基坑开挖完毕后北侧变形最大值为约19.2mm，北侧坡顶长边中部边坡平均变形为19.0mm，第二道锚杆对北侧坡顶位移产生了较好约束作用，基坑南侧坡顶中间位置变形最大，最大值为17.9mm，南侧坡顶长边中部边坡平均变形为17.0mm。Y方向切片剖面内部最大值两侧分别为19.2mm、17.9mm，南侧内部变形小于北侧内部变形，基坑南侧锚杆的增加降低了基坑内部变形。选取建模区域内水平位移监测点CN2，将监测值和模拟值在不同工况下的变化曲线对比分析，如图8所示。通过分析可知，基坑北侧狭阳角位置为基坑最不利位置，因施工过程中加固及时，所以桩顶沉降实测值略大于模拟变形值，差值变化较均匀，平均值为3.0mm，数值模拟结果可以较好地反映桩顶的水平变形；模拟值很好地反映了实际监测值的变化，整体趋势与实际监测数据趋势大致相似，随着基坑开挖的进行，坑顶水平位移变化幅度较大，支护墙顶位置向着基坑内产生缓慢水平移动；土层继续开挖，直至工况6第二道锚杆施工完毕，水平位移逐渐降低并趋于稳定。二者均未超过预警值，基坑开挖过程处于安全状态。综合模拟结果可得，模拟值和监测实测值相差不大，均在合理范围之内。可采取数值方法在施工前对基坑开挖过程进行模拟，以获得更好的数据分析。

4结语

本文依托潍坊市站南广场基坑工程，针对城市复杂环境下建筑深基坑顶部竖向沉降和水平位移进行实时监测，并通过FLAC3D有限元软件对基坑开挖过程进行了数值模拟对比分析，总结了该地区基坑开挖变形规律，主要结论如下：（1）深基坑沉降最大值21mm、水平位移最大值21.4mm，均未超过设计预警值，在土方开挖期间沉降和水平位移变化较大，随着垫层以及抗浮锚杆的施工完毕，变形得到了有效控制，沉降及水平位移值逐渐降低并趋于稳定。（2）深基坑沉降以及水平位移值均在控制范围内，不仅与基坑周边建筑环境有关，还跟围护结构的布置进度有密切关系，桩锚支护与土钉支护两种支护结构以及垫层抗浮锚杆的布置对基坑坑顶水平位移的控制有良好的效果。（3）深基坑竖向位移以及水平位移监测结果与数值模拟结果对比分析得出，由于边界条件等因素影响，两者数据在数值上并不完全一致，但总体变化趋势大致相同，表明了数值模拟软件在基坑工程中的应用具有一定的可靠性。

作者:孙若翔 单位:中国铁建投资集团有限公司