连载丨基坑工程对邻近既有浅基础建筑物的影响分析（2）

3 基坑施工对邻近既有建筑物影响三维分析

3.1 分析模型

本项目利用Midas GTS软件建立数值模型，模型尺寸为400 m（长）×300 m（宽）×40 m（深），模型如图5、图6所示。支护桩采用壳单元模拟，冠梁、支撑和立柱采用梁单元模拟， 900@1 100围护桩根据等刚度换算为0.71 m墙。

图5 模型几何图

图6 建筑物与基坑剖面关系

采用土体弹塑性Mohr–Coulomb本构模型对土体进行钝化来模拟基坑开挖。模型四周约束其水平位移，模型底部边界约束其X、Y、Z方向的位移，地表为自由边界，土体参数见表1，结构材料参数见表3。

表3 结构材料参数

为了真实反映基坑施工过程对邻近既有建筑物的影响，模拟步骤与实际开挖步骤一致，先撑后挖，随挖随撑。施工步骤见表4。根据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》综合确定基坑影响等级为一级，建筑物层高15.12 m，其中设备夹层3.1 m、一层3.4 m、二层3.85 m、三层5.07 m，建筑物变形控制标准见表5。

表4 施工步骤

表5 建筑物变形控制标准

3.2 分析结果

根据模拟分析可知，围护结构施工期间，既有建筑物产生的最大水平位移为0.21 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为0.08 mm，发生在底部。相比之下，围护结构施工对建筑物水平位移的影响比竖向位移更大，围护结构桩基成孔期间，土体以侧向位移为主。根据模拟分析可知，基坑土方施工期间，既有建筑物产生的最大水平位移为0.73 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为0.41 mm，发生在底部。土方施工对建筑物水平位移和竖向位移的影响相当，对水平位移的影响略大一些。同时，水平位移呈现整体性，向基坑一侧变形；竖向位移呈现两端大中间小，沉降形状为马鞍形。

图7为土方开挖从第1层到第4层各阶段既有建筑物变形曲线。从图7可知，随着开挖深度增加，建筑物变形水平、竖向变形不断增加，水平、竖向变形增加曲率分别为25.9 %和28.1 %，水平、竖向变形增加曲率基本一致。所以，土方开挖深度越大，邻近既有建筑物变形越大，降低开挖深度，能有效控制对相邻建筑物的影响。根据模拟分析可知，上部结构施工期间，既有建筑物产生的最大水平位移为0.51 mm，发生在顶部；既有建筑物产生的最大竖向位移为0.32 mm，发生在底部。上部结构施工导致建筑物水平位移和竖向位移略有回弹，上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放。

图7 土方开挖各阶段既有建筑物变形曲线

由以上分析结果可知，自施工基坑围护结构开始到基坑开挖至坑底，既有建筑竖向和水平位移逐渐发展，变形值依次增大，既有建筑竖向和水平位移最大值分别为0.41 mm和0.73 mm；上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放，既有建筑竖向和水平位移均有减小，其最终最大竖向和水平位移分别为0.32 mm和0.51 mm。

根据建筑层高计算，项目实施过程中既有建筑最大变形倾斜率为0.06 ‰<4 ‰，满足安全要求。

基坑施工期间，采用人工监测方法对既有建筑竖向位移、水平位移、地下水位等参数进行了监测，监测范围为项目正投影段及两端各外扩20 m，监测布置在既有建筑4个角部。根据实际项目实施期间监测结果（表6）可知，施工期间既有建筑水平位移最大值为1.1 mm，累计竖向位移最大值为0.6 mm，地下水位变化1.2 m。监测结果与midas GTS（水平0.73 mm、竖向0.41 mm）、Visual MODFLOW（1.0 m）数值模拟结果较为接近，也证明数值模拟能较好地反映基坑施工过程对既有建筑的影响。

表6 既有建筑监测值

4 结论

本文以某高层住宅小区地下室基坑工程对邻近既有3层条形+筏形浅基础结构的影响为研究对象，分别从抽排降水、基坑开挖、上部结构施工角度分析基坑工程对邻近既有建筑物变形的影响，可以得出以下结论。（1）既有建筑物侧设置一定范围止水帷幕隔断措施可较好地保护周边地下水水位，达到与全封闭措施同样的效果，避免不必要的经济浪费。（2）围护桩成孔引起应力释放，土体以侧向位移为主，该阶段对建筑物水平位移的影响比竖向位移更大。（3）随着开挖深度的加深，建筑物水平、竖向变形不断增加，水平、竖向变形曲率基本一致，既有建筑物变形与基坑深度相关。同时既有建筑物水平位移呈现整体向基坑一侧变形的规律，既有建筑物竖向位移呈现两端大中间小的马鞍形形状。（4）上部结构施工补偿了基坑土方开挖卸荷造成的土体应力释放，因而既有建筑物水平位移和竖向位移略有回弹。

（本文已完结）