纪海东
天津市勘察院 天津天津 300191
摘要：以天津市某项目为背景，采用FLAC3D有限元软件建立三维数值分析模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。笔者研究了基坑采用不同方式开挖时，基坑周边地表的变形情况。研究表明：（1）对于面积较大且深度较深的基坑，采用分区开挖的方式有利于控制基坑周边地表的变形；（2）基坑分区开挖时，当各自分区完成底板的施工时，就应该进行下一个分区的施工。
关键词：基坑施工；开挖方式；分区开挖；FLAC3D
1 引言
随着城市建设的迅速发展，基坑的开挖深度越来越深，这导致基坑的开挖对周边环境的影响越来越大，对基坑的开挖方式成为减小对周边环境影响的一个关键因素。
本文以天河城购物中心项目为研究对象，采用有限元软件建立三维数值模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。研究深基坑工程的不同施工方式对周边地表变形的影响，探讨深基坑开挖对周边地表紧影响的控制措施，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。
2 基坑卸载分析
基坑开挖的过程就是基坑卸载的过程，在不断的开挖过程中，卸载也逐渐增大，由此会产生一种“空间效应” [1]。由于卸载会引起坑底土体产生向上的隆起、基坑围护结构侧向变形以及基坑周边地层的移动。
在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态将发生改变，即由原来的静止土压力状态向主动或被动土压力状态转变，其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围，都将造成基坑的失稳破坏进而会使周围邻近建筑物、周边地表及地下结构遭到破坏。因此，基坑稳定及变形对周围地表的安全有着至关重要的作用，控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界亟需解决的一个难题。
近年来，基坑开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。实测表明，深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因，其开挖造成的基坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多，卸荷对周边地表的影响也要复杂得多。
3 工程概况
天津天河城购物中心坐落于天津市和平区和平路步行街东端，东至赤峰道，西至哈尔滨道，南至和平路，北至大沽北路，基坑总平面图如图1所示。
图1 基坑总平面图
该工程地下空间部分沿哈尔滨道长约185m，沿大沽北路长约85m，基坑周长约540m。项目紧邻已开通运营的地铁线路，地下室与地铁共用地连墙，地面建筑局部落在地铁主体之上。主体结构地上八层，地面高度约47米，地上总建筑面积约13.68万平方米。地下三层，地下深度约19米。基坑与地铁线路共用地连墙。
4 基坑开挖方式的介绍
4.1 方案一：基坑按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺序依次独立开挖，前一基坑的顶板封闭后再进行下一基坑的开挖。
4.2 方案二：按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺序依次施工，前一基坑的底板封闭后，即可进行下一基坑的开挖，在下一基坑至上而下开挖的同时，前一基坑地下结构进行至下而上顺作回筑。
4.3 方案三：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ基坑同步开挖，开挖至坑底后再进行地下结构的顺作回筑。
图2 基坑分区示意图
5 有限元模拟分析
5.1 计算假定
在建模过程中，对部分条件进行了优化假设，考虑了以下基本假定：
（1）车站结构及基坑围护结构均为线弹性结构；
（2）层状地层采用地质勘察报告提供的地质参数值来描述各层土的物理力学特性；
（3）施工期间，考虑水力渗流作用的影响；
（4）采用施工步来模拟整个施工过程，考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应。
（5）基坑周边建筑如渤海大楼、中国大戏院、国民饭店、盛锡福帽庄按各自占地面积上施加等效楼层荷载考虑。
5.2 三维计算模型
模型计算采用FLAC3D有限差分计算软件，建立三维实体模型。垂直地铁车站线路延伸方向取300m（包含整个基坑区域），平行于地铁车站（区间盾构隧道方向）取388m，深度取50m。和平路站边墙、顶板、中板、底板及围护结构均采用弹性实体单元，车站内部混凝土柱采用梁单元；四个基坑围护结构、边墙采用弹性实体单元，基坑桁架撑采用梁单元。地应力场按自重应力场考虑。建模时土体部分选用三维六面体实体单元，有限元模型如图4.1~图4.7所示，共划分94646个实体单元，101036个节点，1218个结构单元，1512个结构节点。
5.3 计算结果分析
对三种方案均取所有顶板施加楼层荷载后的模拟结果进行分析。
施工方案1分析
图12 基坑外侧土体沉降趋势图
由图可知，土体最终沉降及水平变形趋势可以很明显的看出，距基坑越远，沉降值及水平变形越小，模型边缘受到的基坑开挖影响很小。这也说明，模型的大小能够满足计算要求。同时可看出，基坑开挖后，周边土体产生沉降及水平变形。坑外土体沉降及水平变形随着基坑开挖的深度的增加而加大。当基坑开挖完毕后土体各向位移趋于稳定。最终最大沉降发
生在Ⅱ号基坑远离车站侧，最大沉降值为11.61mm；最终最大沉降发生在Ⅱ号基坑远离车站侧，最大水平变形值为13.27mm。
施工方案2分析
图13 基坑外侧土体沉降趋势图
由图可知，土体最终沉降及水平变形趋势可以很明显的看出，距基坑越远，沉降值及水平变形越小，模型边缘受到的基坑开挖影响很小。这也说明，模型的大小能够满足计算要求。同时可看出，基坑开挖后，周边土体产生沉降及水平变形。坑外土体沉降及水平变形随着基坑开挖的深度的增加而加大。当基坑开挖完毕后土体各向位移趋于稳定。最终最大沉降发生在Ⅱ号基坑远离车站侧，最大沉降值为11.69mm；最终最大沉降发生在Ⅱ号基坑远离车站侧，最大水平变形值为13.34mm。
施工方案三分析
由图可知，土体最终沉降及水平变形趋势可以很明显的看出，距基坑越远，沉降值及水平变形越小，模型边缘受到的基坑开挖影响很小。这也说明，模型的大小能够满足计算要求。同时可看出，基坑开挖后，周边土体产生沉降及水平变形。坑外土体沉降及水平变形随着基坑开挖的深度的增加而加大。当基坑开完毕后土体各向位移趋于稳定。最终最大沉降发生在Ⅰ、Ⅱ号基坑远离车站侧，沉降值为25.86mm，最大水平变形发生在Ⅰ、Ⅱ号基坑远离车站侧，水平变形值为15.83mm。
图14 基坑外侧土体沉降趋势图
6 结论
基于FLAC3D软件建立的三维有限元模型，分析了天河城购物中心工程项目基坑工程实例，模拟了基坑施工方式对基坑周边环境的影响，得到以下结论：
1、从上述三种施工方案得出的模拟结果可以看出，对于面积较大且深度较深的基坑，采用分区开挖的方式有利于控制基坑周边地表的变形。
2、从方案一和方案二的结果比较可以得出，按照方案二对基坑施工与方案一施工对周边环境的影响相差不大，而方案二明显可以节省施工工期，建议采用方案二的施工方法。
3、从上述三种施工方案可以看出，基坑开挖对周边环境水平位移的影响也很大，所以在考虑周边环境沉降影响的同时，不能忽略水平位移的影响。
参考文献：
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论文作者:纪海东
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/10
标签：基坑论文; 水平论文; 结构论文; 模型论文; 地表论文; 车站论文; 位移论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;