上海地區深大基坑施工安全分析

張阿晉

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

隨著經濟高速發展及城市化進程的快速推進，我國很多城市迎來了房地產開發的熱潮，城市里的基坑工程越來越多，并且開挖規模越來越大，開挖深度也越來越深。對于深大基坑，在施工過程中由于其卸荷量大，導致其產生的位移、應力場影響非常顯著[1]，嚴重時將直接影響到基坑的穩定和安全，尤其是在上海等軟土地區，其土體含水量高、壓縮性大，抗剪強度低、靈敏度高，深大基坑工程施工面臨著周邊保護建（構）筑物眾多、各類市政生命管線縱橫交錯、施工場地狹小等制約因素，因此對深大基坑的施工安全開展研究和分析具有非常重要的社會意義。

有限元法由于其強大的適用性，正日益成為基坑開挖安全分析強有力的工具。大量學者基于數值的方法對基坑開挖以及基坑開挖對鄰近既有設施的影響進行了模擬[2-7]。然而眾多基坑開挖有限元分析經驗表明，有限元模擬結果的可靠性極大地依賴于所使用的土體本構模型和計算參數。模型以及參數選取的正確與否將直接決定著基坑施工安全分析評價的合理性。

本文將基于深大基坑實體工程，結合有限元與現場監測方法對深大基坑施工安全展開分析和研究，通過對比數值分析和實測數據結果，驗證利用有限元法開展深大基坑施工安全分析的合理性和可行性。

1 工程概況

1.1 項目概述

本項目位于上海市黃浦區，為小東門街道616、735街坊項目T1地塊，在王家嘴角街以東，中山南路以西，董家渡路以北，新碼頭街以南。整個地塊下設4層地下室，基坑周長約307 m，面積約為5 845 m2，開挖深度為25.9 m，基坑圍護結構采用地下連續墻＋6道臨時水平混凝土支撐，其中地下連續墻厚1.2 m，水平混凝土支撐采用C30混凝土（圖1）。

圖1 T1地塊基坑支撐平面布置示意

1.2 工程地質條件

依據現場的工程地質勘察資料，場地地基土在勘察深度范圍內均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。場地土層中①、④、⑤層土為Q4沉積物，⑥、⑦、⑨層土為Q3沉積物，⑩、?、?、?、?、?為Q2沉積物。根據場地土層分布情況，場地屬于濱海平原相土層。本項目基坑主要處于①3黏質粉土、④淤泥質黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質黏土、⑥粉質黏土、⑦1砂質粉土、⑦2細砂中。

2 數值模型

數值分析采用國際通用的大型專業的三維巖土有限元商用軟件Midas/GTS。

2.1 有限元模型

在模型網格劃分（圖2）中，土體采用實體單元進行模擬，地下連續墻采用板單元進行模擬，橫向支撐采用梁單元進行模擬。模型尺寸依據基坑開挖邊界效應的影響進行選?。簒方向為模型長度方向，取為270 m，y方向為模型寬度方向，取為290 m，z方向為基坑開挖深度方向，取為60 m。

2.2 邊界條件

在模型左、右邊界施加y方向約束，在模型前、后邊界施加x方向約束，在模型的下部邊界施加z方向約束。

2.3 參數選取

土體采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構，地下連續墻及圍護結構采用彈性本構。地下連續墻與土體間的接觸關系以及支撐與地下連續墻間的接觸關系均采用共節點的接觸關系。土體的物理力學材料參數參照工程地質勘探報告取得，地下連續墻及圍護結構物理力學參數依據C30混凝土的材料參數取得（表1）。

表1 土體的物理力學計算參數

2.4 工況分析

本次模擬采用彈塑性計算，分步施工。根據實際工程施工部署，步序為：初始地應力場（圖3）→地下連續墻施工→依次開挖土體并施加支撐至坑底。

圖2 模型網格劃分示意

圖3 初始地應力場分布

3 結果分析

3.1 地下連續墻變形

基坑開挖至坑底后，從地下連續墻的水平位移云圖（圖4）中可以看出，四側地下連續墻的最大水平位移較為接近，最大水平位移為58.5 mm，出現在靠左側的地下連續墻中。

圖4 地下連續墻水平變形

從左側地下連續墻A-A處深層水平位移隨地下連續墻深度分布情況的數值結果與現場結果對比（圖5）中可以看出，數值結果與現場結果有著較好的吻合，然而地下連續墻水平位移最大值并沒有出現在基坑坑底，而是出現在第6道支撐附近，這可能與第6層土超挖或地下連續墻插入比等因素有關。在地下連續墻變形最大處，其后土體變形也較大，土體容易發生塑性變形或破壞。而對于高靈敏度軟土地區，該區域土體結構受擾動最大，對工后影響較大。在軟土基坑工程中，地下連續墻水平位移最大值與開挖深度比一般控制在0.3%，圖5中顯示的地下連續墻最大水平位移滿足設計要求。

圖5 地下連續墻水平位移分布

3.2 基坑底部隆起

基坑開挖至坑底后，從基坑開挖面隆起云圖（圖6）中可以看出，基坑底部中心位置隆起最大，最大值為100.6 mm。

3.3 地表豎向位移

在地表豎向位移分布的數值結果與實測結果對比（圖7）中，s表示與地下連續墻的距離，正值表示隆起，負值表示沉降。從圖7中可以看出，地表沉降呈“凹槽”形分布，在距離地下連續墻40 m位置處的豎向位移已基本收斂。沉降實測和模擬最大值分別為25.9 mm和22.4 mm，出現在距離地下連續墻后約15 m位置處，數值結果比實測結果稍小，但是分布趨勢相近。在接近地下連續墻的位置，地表發生隆起，這是由于地下連續墻向上發生位移引起的。在軟土地區的基坑設計中，地表沉降最大值與基坑開挖深度比一般控制在0.2%，可見在該項目基坑施工中，地表豎向位移能完全控制在此范圍內。

圖6 基坑隆起云圖

圖7 地表豎向位移分布

4 結語

本文從實際工程出發，采用數值模擬和現場監測手段對深大基坑的施工安全及其影響展開了分析，主要得到以下結論：

1）通過對比有限元計算和現場監測結果，發現兩者有著較好的吻合，采用基于修正Mohr-Coulomb本構模型的有限元計算方法對深大基坑圍護結構變形以及周圍土體應力位移場進行模擬和分析是合理的。

2）通過數值和現場結果分析表明，基坑圍護變形及周圍土體沉降均能滿足軟土地區深大基坑設計要求。

3）在基坑開挖至坑底后，地下連續墻最大水平位移并未發生在基坑坑底附近，而是發生在第6道支撐處，這可能是受第6層土體超挖或地下連續墻插入比設計等因素的影響。

4）基坑開挖對鄰近地表的影響范圍在地下連續墻后40 m范圍內，其最大沉降值出現在地下連續墻后15 m處。