基于MIDAS的基坑施工对周边建筑影响分析

黄林江，张瀚宇，曹献华

(1.深圳招商房地产有限公司，广东 深圳 518067; 2.金地集团武汉房地产开发有限公司，湖北 武汉 430000)

1 概述

南山智谷大厦项目位于深圳市南山区沙河西路与文光路西南侧，为区政府重点投资项目。项目建筑面积约208 875.37 m2，共包含三层地下室，基坑最深深度距离现状地表约14 m～15 m。项目施工场地西侧与北侧分布着数十栋房屋，如图1所示。房屋建设年限较早，建筑较为老化，且离基坑边缘较近，与本项目支护结构最近距离约4.1 m，该基坑的安全等级为一级，项目施工具有一定的风险性。

本项目为深基坑施工，施工过程中可能会导致周围一定区域土体应力场及位移场的改变，使土体发生侧移或沉降，周边房屋受周边土体位移作用的影响，会产生一定变形。参照GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[1]，建筑物地基变形允许值如表1所示。建筑物变形超过规范允许值，会对房屋造成严重的安全质量隐患，因此施工过程存在一定的安全风险性。施工前利用计算工具对基坑开挖不同阶段的周边建筑物变形情况做相应仿真分析，有利于提前掌握施工过程中不利情况，并针对性采取安全防范措施，有利于规避施工风险，极大程度上确保项目施工安全。

表1 建筑物地基变形允许值

MIDAS软件是土木工程等领域常用的数值分析(有限元)软件，功能强大且操作简单，被广泛运用于岩土力学仿真计算。本文拟采用技术路线如下：以工程勘察报告、基坑支护设计方案、周边建筑现状调查报告等资料为基础，采用MIDAS对地基基础工程施工全过程进行空间三维数值模拟分析，计算项目施工对周边房屋结构变形的影响，根据数值模拟计算结果提前分析出施工过程中的不利情况，并提出相关建议，用于指导实际施工。

2 有限元计算原理介绍

2.1 软件对施工过程的模拟方法

使用MIDAS程序时，定义在任意阶段添加(或称激活)的单元不受前阶段作用的应力或荷载影响。荷载释放系数为100%的单元被称钝化后，此类单元内部应力将全部分配给余下的其他单元，从而导致剩余单元的应力发生变化。与此相反，荷载释放系数接近为0%的单元被删除时，其内部应力将不分配给剩余单元[2]。适当调整荷载释放系数，可以对分配给剩余单元的应力进行有限调整，从而可以比较真实地模拟实际施工过程。

2.2 本构模型

2.2.1 岩土材料本构模型

基坑施工过程中，产生的附加应力可能超过岩土材料比例极限(线弹性)，从而使材料达到塑性状态。所以本文对岩土材料采用MIDAS提供的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型[3]。

Mohr-Coulomb屈服条件在三维应力空间的表达式为:

其中，θσ为洛德角；c为岩土黏聚力；φ为内摩擦角；I1为应力张量第一不变量；J2为应力偏量第二不变量。

2.2.2 结构材料本构模型

结构梁和结构柱在基坑开挖以及项目土方回填过程中变形较小，故材料一般不会达到屈服状态，本项目计算中均采用线弹性材料进行模拟。

2.2.3 收敛标准

软件中共有三种收敛标准，分别为：位移、不平衡力以及不平衡能量收敛标准。三个标准均使用欧几里得范数(enclidean norm)表示，按下列公式计算：

其中，‖d‖为向量d的范数；di为向量d的第i个成分；n为向量中成分数量。

位移收敛标准是到第i次迭代计算中的位移增量范数与第i次迭代计算前的位移增量范数的比值作为收敛标准。不平衡力收敛标准是当前阶段迭代计算的不平衡力范数与当前阶段使用的外力范数的比值作为收敛标准。

3 工程案例应用

3.1 项目概况

南山智谷大厦项目基坑支护采用“旋喷桩+咬合桩+两道内支撑”形式。咬合桩荤桩(配筋桩)、素混凝土桩的桩径均为1.2 m，配筋桩与素混凝土桩咬合0.3 m。基坑共有两道钢筋混凝土支撑(桩顶冠梁+一道腰梁)。咬合桩桩身混凝土等级采用C30，冠梁混凝土和腰梁混凝土采用C35。考虑到周边建筑安全性，旋喷桩最外部又增加了两排袖阀管注浆。基坑开挖深度约14 m～15 m，采用“分层分段”的开挖方式。

基坑1.5倍深度范围内分布16栋老建筑，因建筑年限较久，原施工图纸全部丢失，无法确定建筑物的基础形式和结构形式。为了保证数据准确性，委托专业的房屋调查机构，对16栋建筑的结构形式及基础形式进行了详细调查(通过基础开挖等形式进行调查)。建筑结构形式主要为框架结构和砌体结构，建筑基础主要为独立基础和浅基础[4]。

3.2 主要参数和计算条件设定

混凝土和岩土材料主要计算性能参数详见表2,表3。

表2 弹性材料参数表

表3 岩土材料参数表

模型的长宽高分别为333 m，268 m及39 m。模型边界条件设定采用迈达斯GTS软件提供的“地面支承”命令，其中模型上表面为自由边界，下表面Z方向位移固定，左右边界为X方向位移固定，前后边界为Y方向位移固定。划分单元格后，计算模型如图2所示。

3.3 工况设定

根据项目实际施工方案，选取10种工况进行仿真分析计算，如表4所示。

表4 仿真工况计算表

3.4 计算结果

根据相关参数，运用MIDAS建立三维有限元模型，对10种工况进行三维仿真数值计算，生成建筑结构变形和基坑支护结构变形云图进行分析，最不利工况如图3所示。

经过仿真计算随着基坑施工的进行，周边建筑物的沉降变形逐渐增大，最不利工况为拆除第一道支撑梁(工况10)，该工况下建筑物倾斜变化量最大，变化量如表5所示。根据模拟结果，在基坑施工期间，所有建筑物(基坑深度1.5倍范围内)倾斜变化量均在规范值允许范围内，基坑施工过程中周边建筑是安全的。

表5 各楼栋建筑物(框架和砌体结构)

4 结论及建议

根据计算结果，珠光苑A，C，D，E，F栋为倾斜量变化最大的建筑，应加大这几栋建筑监测点的布置数量。另外，在基坑施工过程中，应加密对该几栋建筑的监测频率，提前编制相应的应急预案，监测数据出现异常及时反馈处理，确保基坑施工安全。

根据数值模拟计算结果，基坑施工最不利工况为拆除第一道支撑梁期间，后期施工应采取有效措施减小拆撑时支护结构的变形；拆换撑前需编制详细的拆撑换撑方案，换撑方案应经过专家论证，并进行相应的审批。

保证支护桩施工质量：旋挖机钻进过程做好咬合桩垂直度控制，防止咬合分叉，分层开挖土方过程中，若发现个别桩有偏差应引起注意，越往坑底偏差会越大，应及早处理。

支护桩施工期间采取适当措施减少入岩时的机械振动，尽量减少振动导致的周围土体扰动；采取合理措施(施工过程中确保护壁泥浆浓度等)减少支护桩施工时可能发生的塌孔现象，减少周边水土流失导致的建筑物不均匀沉降，尽量减少施工过程对周边建筑的影响。

在施工时序上充分发挥施工的时间及空间效应的有利作用：1)土方开挖遵循分层、分段、均衡、适时的原则。2)采用信息化施工，施工中做好实时监测，动态设计，建全信息施工制度，及时掌握每一次施工工况中的基坑围护结构及周围环境的变形变化值确保安全。

后期实际施工过程中，及时采取实时监测数据，与仿真计算数据进行对比，出现偏差及时分析偏差原因，保证施工安全[5]。