0 引言

　　随着城市经济和规模的不断发展及人们对地下空间需求的日益提升，出现了越来越多的深基坑甚至超深基坑。基坑开挖会破坏原有土体的应力平衡场，导致应力重分布，从而对既有构筑物及地下管线产生一定影响^[1,2,3,4]。

　　深基坑开挖一方面由于自身坑内土体开挖卸荷导致支护结构发生位移变形，进而引起坑外周边土体沉降，最终导致紧邻基坑构筑物随土体发生下沉;另一方面由于深基坑开挖直接对附近构筑物产生新增水平和竖直位移，甚至导致构筑物变形和移动。

　　目前，已有许多国内外学者针对基坑施工过程对既有邻近构筑物的影响展开了深入研究，如Zhang等^[5]提出了一种分析方法来分析开挖过程中邻近隧道引起的应力、应变响应;Hu等^[6]基于ABAQUS有限元软件模拟深基坑开挖引起的土体扰动对地下埋深管线的影响;邹玉强等^[7]考虑深基坑三维空间效应，采用Midas-GTS有限元计算软件研究基坑开挖对邻近结构的影响;张明等^[8]利用FLAC3D有限元软件计算基坑施工对邻近地铁车站新增位移和附加应力的影响;郑刚等^[9]考虑不同支护体系对围护结构产生的变形形式差异，研究基坑开挖时采用不同支护形式对坑外土体位移及邻近建筑物变形开展精细化分析;王浩然等^[10]依托上海某实际工程，基于土体硬化本构模型，采用三维有限元方法研究深基坑开挖支护结构变形及施工过程对邻近建筑物的影响。以上研究充分表明，基坑开挖时对邻近构筑物控制位移变形至关重要。然而，大多数模拟研究均基于传统顺作法施工工序，少有学者针对逆作法施工过程对邻近构筑物影响展开研究。

　　本文以湖南省旺旺医院(二期)———医疗大楼扩建工程(以下简称“湖南旺旺医院(二期)”)中大型基坑开挖为背景，采用“先顶后底”逆作法施工技术，借助有限元软件对基坑开挖进行二维有限元建模，分析逆作法基坑开挖对邻近构筑物的位移影响，根据现有规范评估基于所提施工方案的邻近构筑物沉降风险。

　　1 工程概况

　　湖南旺旺医院(二期)项目地下建筑共7层，建筑面积约6万m²，基坑开挖深度达32m。基坑南侧为一期医疗大楼，大楼采用扩底嵌岩桩基础，嵌岩深度约1m，大楼与基坑边线最近距离约5.5m;基坑南侧邻近13层住宅楼，住宅楼采用嵌岩桩基础，与基坑边线最近距离约18.5m。此外，基坑南、北侧存在雨水、排水、集水、排水和燃气管线，埋深1.5～2.5m。

　　1.1 工程地质概况

　　拟建场地土层分层较明显，由上而下分别为人工填土层、植被层、第四系冲积及残积层、下伏基岩为第三系泥砂岩。地层岩性特征如下。

　　1)人工填土该层分布于地表上0～9m，颜色主要为褐黄和褐灰色，该层主要由黏性土及卵石组成，堆积填土时间约10年，仍处于固结过程中，湿度处于稍湿～湿，结构处于松散状态。

　　2)植被层该层分布于地表上0.5～1.7m，呈褐灰色，主要覆盖土为黏性土，同时夹带植被根茎，为可塑状态，部分区域表现为软塑状态。

　　3)粉质黏土该层分布于地表上0.3～2.5m，颜色呈褐黄色，质地稍湿，土质塑性状态为可塑状态。

　　4)夹带含有机质的粉质黏土该层分布于地表下0～0.75m，颜色呈灰色，质地较湿，为软塑状态。

　　5)中砂主要分布于地表下0.30～2.40m，主要表现为浅褐色和深灰色，主要组成为石英，质地处于湿～较湿，结构处于松散～稍密状态。

　　6)圆砾主要分布于地表下0.90～5.50m，颜色主要为黄色和黄褐色，主要组成为石英，同时混有少量砂土及黏土，质地处于湿～饱和，结构为中密状态。

　　7)第三系泥质粉砂岩为场地下伏基岩，褐红、紫红色，主要矿物成分为石英、云母及黏土矿物等，主要为泥质胶结，少量钙质胶结，粉细粒结构，厚层状构造，具有失水易干裂、浸水易软化的特性。按其风化程度不同分为强风化、中风化2层，其野外特性分别为:(1)强风化泥砂岩分布于地表下0.37～6.20m，主要呈褐红和紫红色，受风化作用明显，表层矿物已被腐蚀变质，节理、裂隙发育良好，岩石破碎剥落，可分类为极软岩;(2)中风化泥砂岩

　　分布于地表下0.55～4.21m，主要表现为紫色及少量褐红色，风化程度中等，仅有部分矿物发生变质，节理较发育，属于软岩。

　　场地内各土层物理力学参数如表1所示。

　　表1 地基场地各土层物理力学参数 

　　表1 地基场地各土层物理力学参数

　　1.2 邻近管线埋设

　　项目北侧设有医院内部管线排水管DN400、埋深约2.5m，雨水管DN400、埋深约2.0m及给水管(混凝土全包管)，与本工程地下室最近距离分别约为16,17.5,19m。项目南侧埋设有电力管线(2根直径3mm管线，埋深约0.8m)、天然气管(DN300，埋深约1.0m)、给水管(DN400，埋深约1.0m)及排水管(直径2 000mm，顶埋深约1.5m)等，与本工程距离为20～50m。

　　1.3 水文地质概况

　　1)地表水拟建场地地表水主要为地表大气降水及邻近建筑生活用水，场地内无明显地表径流。

　　2)地下水施工区域内地下水类型主要为上层滞水和潜水。前者通常分布于人工填土及第四系地层中，主要接受大气降水及地表水补给，补水量较小，暂未形成连续稳定的水位面;后者主要分布于土层级配碎石中，主要补给来源为大气降水和附近生活用水下渗，补水量较大，且水位高度不稳定，具有一定的季节变化规律。

　　3)地层渗透性施工区域内主要含水层为粉砂、中砂和圆砾，为测其渗透性，在XK9,XK23号钻孔中各进行1次抽水试验。根据室内渗透试验及抽水试验结果，研究区域内各土层饱和渗透系数为4.12×10^-6～6.72×10^-3cm/s。根据项目勘察报告注水试验结果，场地内圆砾饱和渗透系数平均值为2.54×10^-2cm/s。

　　2 有限元分析

　　2.1 本构模型选取

　　本工程在建模时采用通用岩土工程有限元分析程序，根据平面应变连续介质条件假设进行有限元计算模拟。本构模型选择等向硬化弹塑性模型(HS)，该模型能同时适用于软土和较硬土层数值模拟。与邓肯-张本构模型思想类似，等向硬化弹塑性模型假设在三轴试验中的偏应力与轴向应变在应力-应变平面内呈双曲线关系。然而，二者的不同之处在于，应力、应变关系在等向硬化弹塑性模型中以弹塑性增量形式表示，而邓肯-张模型采用动态模量的弹性方程来表达。而且，等向硬化弹塑性模型能模拟土体剪胀效应及中性加载条件，因此相对于邓肯-张模型更有优势。与理想弹塑性模型不同，等向硬化弹塑性模型屈服面在主应力空间随土体的塑性应变动态变化，因此，可同时考虑土体硬化效应(如剪切硬化、压缩硬化等)。最后，该模型采用莫尔-库仑破坏准则，能较好地模拟计算基坑开挖。

　　2.2 模型参数

　　计算模型参数可分为物理力学参数和结构参数2部分。其中，部分土层物理力学参数如表1所示，另一部分通过大量类似工程监测数据反演分析得到。结构参数涉及围护结构材料参数及支撑计算参数。围护结构采用梁单元模拟，相应截面积与惯性矩等几何参数按每延米宽度等效计算;支撑采用弹簧单元模拟，刚度按设计的支撑布置情况进行计算。

　　2.3 接触面单元

　　围护结构与土体相互作用采用接触面(goodman单元)来模拟，该接触面单元切线方向服从莫尔-库仑破坏准则。

　　2.4 网格划分及边界条件设立

　　采用有限元模型自适应网格加密方式建立模拟土体、结构和界面单元的有限元网格模型。模型底部边界约束竖向和水平位移，左、右边界约束水平位移。

　　3 计算结果

　　为研究逆作法施工对邻近构筑物及管线位移影响，模型在基坑南、北侧邻近管线位置分别设置了节点位移监测线。采用逆作法施工基坑开挖至基底时土体位移云图如图1所示。由计算结果可知，当基坑开挖深度为32m，即逆作法施工结束时，地下连续墙最大水平位移14.2mm。一期综合大楼最大水平位移0.5mm(向坑内侧)，最大竖向位移0.2mm(沉降);地下车道最大水平位移4.7mm (向坑内侧)，最大竖向位移13.3mm(沉降)。

　　图1 基坑逆作法施工完成时土体位移云图  

　　基坑北侧和南侧邻近各管线在逆作法各施工工况下的位移计算结果分别如图2,3所示。现场将地下3层与地下4层合为一体一次性开挖，地下6层与地下7层合为一体一次性开挖，即现场共分5个工况进行土石方开挖，对应图中施工工况2～6。由图2,3可知，各管线竖向位移一般大于水平位移;同时，随着开挖施工的不断推进，基坑邻近管线位移量呈显著递增趋势。这是随着基坑逐步被开挖、土体卸荷后应力释放导致的。

　　基坑周边管线位移模拟值与实测位移值对比如表2所示。由表2可知，有限元模拟各邻近管线位移值往往大于实测值，但最大误差≤8%，说明计算虽然偏于保守，但有利于安全。

　　根据模拟计算结果，由GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》^[11]和CCES 03—2016《城市软土基坑与隧道施工队邻近建(构)筑物影响评价与“先顶后底”逆作法施工方案能保证基坑开挖对附近构筑物及地下管线位移影响在可控范围内。

　　图2 基坑北侧邻近水管线位移曲线  

　　图3 基坑南侧邻近水管线位移曲线  

　　表2 基坑邻近管线位移 

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　　表2 基坑邻近管线位移

　　4 结语

　　本文以湖南长沙旺旺医院(二期)工程为背景，借助有限元模拟逆作法施工过程对邻近构筑物及地下管线的位移影响，结论如下。

　　1)基坑开挖对邻近管线位移影响随着开挖的推进而逐渐增大，当基坑开挖见底时到达最大值，且竖向位移往往大于水平位移。这是由于开挖卸荷作用导致的应力释放，建议施工至底板时注意底板施工工作，避免其长时间暴露在空气中而产生变形回弹。

　　2)采用本文提出的逆作法施工工序能有效保证基坑开挖后邻近构筑物位移均控制在允许范围内，且与实测值较接近。

　　3)建议基坑施工过程中，还应加强对邻近构筑物沉降、侧移和倾斜的监测工作，通过信息化施工反馈并指导基坑施工，保证周边邻近构筑物安全。