坑中坑基坑施工的空間效應研究

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0 引言

基坑的空間效應是指由于空間的結構形式和受力特點，各部分支護結構的受力和變形相互影響而發生變化的性質。

坑中坑基坑的空間效應本文定義為：由于內、外坑相對空間位置關系，導致內坑開挖引起的外坑各部分支護結構在空間上不同的受力和變形性質。

目前已有許多科研工作者對常規基坑空間效應進行了研究。如楊雪強[1]等探討了兩坑壁端部對坑壁支護結構上土壓力的整體屏蔽作用，提出了考慮空間效應的土壓力計算公式。王美華［2］通過緊鄰地鐵超深基坑工程施工的實例分析，介紹了空間效應原理在軟土深基坑工程中的應用，取得了很好的變形控制效果，保證了鄰近運營地鐵的安全，對類似軟土深基坑工程具有一定的指導意義。

雷明鋒[3]等提出了黏性土條件下長大深基坑施工空間效應的簡化計算方法。劉念武[4]等研究了沿基坑縱向方向上的距離、開挖深度等因素對空間效應的影響。李大鵬[5]等分析深基坑工程空間效應的形成機理，推導考慮空間效應的支護結構土正應力計算公式。

以上成果從理論分析、有限元模擬及施工總結等方面對常規基坑空間效應進行了研究。但針對坑中坑基坑空間效應的研究尚沒有成果出現，因此本文以坑中坑基坑空間為研究對象，通過建立6種坑中坑基坑三維有限元模型，分析內外坑相對位置不同時內坑施工對外坑圍護結構不同方向上的水平變形以及土壓力變化規律。從而確定內坑的施工在外坑水平方向上形成的危險區域，力求為基坑設計、施工提供理論參考。

1 坑中坑基坑空間形式分類

為研究方便，參考實際工程中坑中坑基坑常見形式，根據內外坑平面相對位置關系可將坑中坑基坑分為5大類。第1類：中心內坑基坑，指內坑與外坑各邊都不接觸；第2類：墻邊內坑基坑，指內坑與外坑圍護邊接觸；第3類：角部內坑基坑，指內坑與外坑在角部雙邊接觸；第4類：三邊內坑基坑，指內坑與外坑三邊接觸；第5類：夾心內坑基坑，指內坑與外坑在中間兩邊接觸[6]。

2 有限元模型

坑中坑基坑三維有限元模型整體模型尺寸為：長×寬×高=90 m×60 m×50 m，其中外坑尺寸為：長×寬×深=30 m×20 m×7 m，在地表及地表以下4 m處各設有1道支撐。中心內坑、短邊內坑、長邊內坑、角部內坑尺寸均為：長×寬×深=10 m×10 m×4 m；三邊內坑的尺寸為：長×寬×深=15 m×20 m×4 m；夾心內坑的尺寸為：長×寬×深=10 m×20 m×4 m。內坑設置1道支撐，位置與內坑圍護結構頂標高相同。

模型地質參數取上海市深度30 m范圍內地質參數加權平均值，土體本構模型選取D-P模型。通過ANSYS建立坑中坑基坑三維數值模型如圖1所示。

3 坑中坑基坑空間效應分析

取標高-9 m處（內坑開挖面以上2 m，外坑坑底以下2 m）外坑圍護結構水平截面為研究位置。提取截面上各點的位移值、土壓力值與內坑開挖前數據相減，其差值結果作為內坑開挖對外坑在空間上的影響值。

在圖2～圖6中，灰色填充線框代表圍護結構；虛線代表內坑開挖前后圍護結構位移變化趨勢，若虛線位于圍護結構以內，代表該位置處外坑圍護結構朝向坑內運動，若虛線位于圍護結構以外，代表該位置處外坑圍護結構朝向坑外運動；直線填充區域代表內坑開挖前后圍護結構土壓力變化值，圍護結構以外區域代表內坑開挖后土壓力減小，圍護結構以內區域代表內坑開挖后土壓力增大。圖中有2套坐標系統，坐標原點都位于圖形4個角部，一套坐標系統顯示土壓力值變化和大小，以kPa為單位。另一套坐標系統顯示位移變化，以mm為單位。

1）中心內坑空間效應如圖2所示。從圖2可以看出，當內坑恰好處于外坑幾何中心時，外坑也呈對稱變化。每條邊中心部位是位移和土壓力變化最為明顯的位置，且長邊的變化值要大于短邊的變化值，如長邊內坑位移變化最大值接近1 mm，而短邊內坑位移變化最大值還不到0.4 mm。4個角部位移變化最小，幾乎為零。位移變化與土壓力變化相對應，位移變化顯著的位置，土壓力變化同樣顯著。

圖1 坑中坑基坑三維數值模型

圖2 中心內坑空間效應

2）墻邊內坑空間效應如圖3所示。從圖3可以看出，墻邊內坑開挖后，外坑位移最大變化出現在與內坑緊鄰的圍護邊，變化值約為-4 mm，變化范圍約為左右1倍內坑邊長。外坑左右相鄰兩邊呈現非對稱變化趨勢，變化最大值點在近內坑邊1/3距離處，變化值約為0.6 mm。遠離內坑邊位移變化量最小，約為0.2 mm。

3）角部內坑空間效應如圖4所示。從圖4可以看出，角部內坑開挖后，外坑位移、土壓力變化主要集中在角部。位移變化最大值為-4 mm，出現在外坑圍護邊較長一側。其余邊土壓力及位移變化較小，可以忽略。

圖3 墻邊（長邊）內坑空間效應

圖4 角部內坑空間效應

4）三邊內坑空間效應如圖5所示。三邊內坑相對于外坑來講所占面積通常較大，因此開挖后外坑土壓力及位移變化值較大。從圖5可以看出，三邊內坑開挖后，外坑圍護結構位移最大變化值為9 mm，土壓力最大變化值為30 kPa。

5）夾心內坑空間效應如圖6所示。從圖6中可以看出，夾心內坑開挖后，外坑圍護位移變化值最大點出現在內外坑交界處，最大位移值為2 mm，土壓力變化最大值為30 kPa。相鄰兩邊土壓力變化值也同時大幅度減小，減小量約為2 kPa。

圖5 三邊內坑空間效應

圖6 夾心內坑空間效應

4 結語

1）外坑位移最大值點都出現在內外坑接觸邊界位置。內坑對外坑空間上的影響程度由內外坑距離、外坑圍護結構剛度兩者共同決定。

2）內坑對外坑角部影響最小，在同樣距離的情況下對外坑短邊的影響程度要弱于對長邊的影響。

3）當內坑與外坑交界時，兩邊影響區主要發生在1倍交界長度內。主要影響區域的位移及土壓力變化可以達到其余邊界的10倍左右。

綜上所述，在坑中坑基坑工程中，內坑面積越大，離外坑圍護距離越近，對外坑的影響也就越大。在施工過程中要特別注意監測外坑圍護長邊中點、內外坑搭界1倍邊長范圍內的外坑位移及土壓力變化。在設計時要加強該范圍內的外坑圍護結構厚度及配筋。