翟永勇周子瑜沈明航邬建华濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江苏 南京 210007；2. 陆军工程大学国防工程学院 江苏 南京 210007；3. 黑龙江省人防设计研究院 黑龙江 哈尔滨 150000

我国各大主要城市正在积极兴建或者准备兴建大型地下工程，这就很可能会直接涉及深基坑工程[1]。而基坑的安全性问题也成为工程界关注的焦点。本文结合某基坑支护工程，对该项目及周围建筑物的安全性进行分析和研究，利用有限元软件模拟基坑支护的过程，深入研究基坑支护对周围土体的影响，通过数值模拟计算得到基坑支护对周围环境的位移、轴力、剪力、弯矩的影响，确保最大程度满足规定的要求，以确保工程的安全性与稳定性。

1 国内外研究概况

自20世纪30年代，太沙基和皮克等专家学者已经首次进行了大型基坑开挖工程的科学技术研究，在参与美国的大型基坑基础建设中，他们就已经初步对基坑进行了基础施工和质量监测[2]。自1970年后，许多国家陆续制订了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等开挖技术外，又有了新的进展[3]。

我国在1980年初才开始出现大量的基坑工程。进入20世纪90年代后，在改革开放和国民经济持续高速增长的形势下，全国工程建设亦突飞猛进[4]，多层地下室逐渐增多，基坑开挖深度超过10 m的比比皆是，其埋置深度也就越来越深，对基坑工程的要求越来越高。我国城市地下工程、隧道和地下井孔开挖工程等先后成功引入了多种明挖法、暗掘法、盖式隧道开挖的方法、盾构法、沉管法、冻结开挖法和污水注入泥浆开挖法等，这些开挖方法技术中的一些或其中应用的部分技术现在已经基本达到了国际先进的技术水平。

2 工程概况

本工程位于江苏省南京市，地上建筑为核心筒结构，建筑高度为93 m，共23层，其中5层带裙楼；地下部分为2层车库。

基坑开挖面积大约为6 800 m2，周长390 m，最大开挖深度为12.05 m（图1），本次开挖基坑的工程安全技术保障等级为一级。

图1 基坑平面

3 基坑支护方案确定

基坑支护工作的基本原则如下[5]：

1）保障基坑开挖过程中的安全和施工人员的人身安全，保障附近的已修建建筑物、道路、基坑等支护结构体系的安全。

2）价格经济适宜。在保障安全的必要条件下，尽可能多地节省支护性工程费用。

3）为了确保基坑内各个分项工程的施工按时有序展开，尽量减少前期的基坑支护性施工时间及全部地下工程的施工时间。

本基坑周边环境较为复杂，本工程地质条件极差，综合场地的工程地质、水文地质条件及基坑开挖深度，以“安全可靠、经济合理、技术可行、方便施工”为原则，确定基坑支护方案采用钻孔灌注桩＋2层钢筋混凝土支撑，坑内采用三轴深搅桩格栅加固，三轴深搅桩止水，结合管井疏干。

4 水文地质条件

4.1水文条件

场地人工填土由于密实度差，其间的大孔隙往往成为地下水的赋存空间，且连通性较好，富水性及透水性较好，属弱透水层，雨季水量较丰富。潜水含水层由①层人工填土，②1、②2、②3、②4层新近沉积的黏性土构成。弱承压含水层水头埋深为4.00 m，标高为3.00 m，年变化幅度为1.00～2.00 m。

4.2地质条件

基坑部分影响范围内土层自上而下依次为：①1层杂填土，层底埋深1.30～4.80 m；①2层素填土，层底埋深2.70～5.40 m；②1层粉质黏土，层底埋深4.30～5.70 m；②2层淤泥质粉质黏土，层底埋深16.90～22.50 m；②3层粉质黏土，层底埋深30.50～37.40 m；②4层粉质黏土夹薄层粉砂，层底埋深46.50～50.70 m；③1层粉质黏土夹粉砂，层底埋深54.20～59.10 m；③2层粉砂夹粉质黏土，层底埋深62.00～64.60 m；⑤1层强风化泥岩，层底埋深63.20～65.80 m；⑤2A层中风化泥岩，层底埋深66.50～72.40 m；⑤2B层中风化泥岩，未穿透。

5 有限元模型建立

为避免模型建立得过大，导致出现模型节点数目过多、计算复杂的情况，依据相关的经验，基坑的开挖对周围土体和建筑物的影响区域大致为3～5倍的开挖宽度，5倍的开挖深度[6]。

选取得到了模型的尺寸应当为长226.807 m、宽226.807 m、高80.000 m。本次建模模型涉及的节点数目为34 331个，单元数目为38 747个。基坑模型以及基坑支护模型见图2、图3。

图2 基坑模型

图3 基坑支护模型

在模型的建立过程中共划分了6个土层，3个开挖网格，2道支撑，同时也划分了冠梁、腰梁、格构柱与立柱桩，边界条件包括自然边界，综合楼与周围土体接壤的抗扭转约束，静力荷载为自重，施工阶段共分为5步，分别是：初始地应力、围护结构及立柱桩、第1次开挖、第2次开挖、第3次开挖。

6 计算结果分析

6.1基坑及周围监测

以该工程基坑施工区域周围3倍基坑开挖深度范围的地下管线、周边土体和基坑围护结构本身作为本工程监测及保护的对象[7]。基坑周边3倍开挖深度范围内的土体地面沉降比较明显地反映出基坑围护结构的变形情况和周边环境受基坑的影响，故基坑周围垂直于基坑走向要布设若干组地表沉降监测断面；设置的监测内容和监测点必须满足本工程设计和符合有关规范规程的要求，并能全面反映本工程施工过程中周围环境和基坑围护体系的变化情况；基坑开挖过程对周围环境，包括周边建筑、周围道路、地下管线有可能产生各种影响，因此必须对这些保护对象进行监测。

6.2结果分析

1）立柱位移。从模拟结果可以得到：第1次开挖过程中立柱位移最大值为5.89 mm；第2次开挖过程中立柱位移最大值为18.40 mm；第3次开挖过程中立柱位移最大值为23.69 mm。因此，本工程在基坑开挖过程中，立柱的最大位移发生在第3次开挖过程中，最大沉降值为23.69 mm，未超过设计监测的标准，满足安全性的要求[8]。

2）围护结构位移。从模拟结果可以得到：第1次开挖过程中围护结构的位移最大值为1.82 mm；第2次开挖过程中围护结构的位移最大值为11.61 mm；第3次开挖过程中围护结构的位移最大值为20.20 mm。因此，本工程在基坑开挖过程中，围护结构的最大位移发生在第3次开挖过程中，最大位移值为20.20 mm，未超过监测标准，满足安全性的要求。

3）第1道支撑轴力。从模拟结果可以得到：第1次开挖梁单元最大轴力值为704 kN和619 kN；第2次开挖梁单元最大轴力值为2 360 kN和1 910 kN；第3次开挖梁单元最大轴力值分别为3 840 kN和10 000 kN。因此，本工程在基坑开挖过程中，最大轴力发生在第3次开挖过程中，最大轴力值为10 000 kN，未超过设计监测的标准，满足安全性的要求。

4）第1道支撑剪力。从模拟结果可以得到：第1次开挖梁单元y方向最大剪力值分别为279 kN和228 kN，z方向最大剪力值分别为131 kN和256 kN；第2次开挖梁单元y方向最大剪力值分别为1 050 kN和866 kN，z方向最大剪力值分别为403 kN和531 kN；第3次开挖梁单元y方向最大剪力值分别为1 330 kN和878 kN，z方向最大剪力值分别为1 340 kN和2 580 kN。因此，本工程在基坑开挖过程中，最大剪力发生在第3次开挖过程中，最大剪力值为2 580 kN，未超过设计监测的标准，满足安全性的要求。

5）第1道支撑弯矩。从模拟结果可以得到：第1次开挖梁单元y方向最大弯矩值分别为239 kN·m和166 kN·m，z方向最大剪力值分别为648 kN·m和380 kN·m；第2次开挖梁单元y方向最大弯矩值分别为913 kN·m和662 kN·m，z方向最大剪力值分别为2 590 kN·m和1 270 kN·m；第3次开挖梁单元y方向最大弯矩值分别为1750 kN·m和1 210 kN·m，z方向最大剪力值分别为4 120 kN·m和2 810 kN·m。因此，本工程在基坑开挖过程中，最大弯矩发生在第3次开挖过程中，最大弯矩值为1 750 kN·m，最大剪力值为4 120 kN·m，未超过设计监测的标准，满足安全性的要求。

7 结语

通过对某基坑开挖的步骤进行三维有限元模型的建模，以评估基坑开挖的安全性，建立了考虑复杂土体、支撑结构、腰梁、冠梁、立柱桩与格构柱共同配合作用下的基坑三维有限元模型，实现了理论与实践的结合。建模过程中采取弹塑性摩尔-库仑模型模拟了基坑开挖的整体过程。

对计算结果进行分析可知：开挖过程中立柱最大竖向位移、最大轴力、最大剪力、最大弯矩均发生在第3次开挖时，最大值均符合相关监测的要求，围护结构最大水平方向的位移值为20.20 mm。地下水引起的地面沉降与对周围建筑物的影响需要结合所在区域的经验定性地分析和定量地计算。

通过将仿真的结果与监测值进行比较，并根据监测报告，数据均未超过报警值，可知此次基坑支护体系能够满足规范要求和基坑开挖的安全性要求，且与有限元模型结果相近，验证了模型的正确性，依据其支撑结构体系的轴力、剪力和弯矩，也为进一步的设计和施工优化提供了依据。