狹小空間條件下基坑開挖對周邊環境的影響分析

顏 超

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

在軟土地層進行基坑開挖，對周邊環境影響很大，因此對基坑的變形進行控制至關重要。隨著基坑開挖過程的進行，周邊土體有向土體卸載方向滑移的趨勢，因而導致周邊地表產生沉降、坑底產生隆起、坑壁產生水平變形。因此，為明確基坑開挖對周邊工程環境的影響，需采用平面有限元的方法，結合設計、施工的工況，對基坑開挖過程進行模擬分析，以事先掌握周邊環境隨施工進展的變化趨勢和發展規律，進而采取合理有效的控制措施[1-2]。

本文以上海市某住宅樓基坑工程為例，應用大型有限元軟件Plaxis-2D分析了在基坑最不利剖面情況下，基坑開挖對周邊環境的影響。

1 工程概況

某住宅樓工程位于上海市金山區楓涇鎮，分為北地塊和南地塊2個部分。工程主要為19棟預制剪力墻結構的5層疊墅，10棟預制剪力墻結構的11～17層公寓、安置房及保障房，3層公建，1～2層地下室和變電站等建筑。

2 周邊環境

場地南至楓蘭路，與中冶·楓郡隔路相望；東至涇波路-涇竹路，距在建桃園名庭約50 m；西至陳家灣港，對岸為朱楓公路；北至楓沛路（圖1）。楊家婁河從本工程南北2個地塊中間穿過。陳家灣港、楊家婁河均為已整治河道。涇波路、楓蘭路為城市次干道，下設有較多的城市管網。場地周邊環境比較復雜，對環境保護要求比較高，因此需通過有限元模擬，對周邊環境的附加變形進行預測分析。

圖1 周邊環境示意

3 工程地質條件

本場地為湖沼平原I1區地貌，土層主要由①1雜填土、①2素填土、①3浜底淤泥、②粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③t砂質粉土、③3黏土等組成。其中：①3浜底淤泥（浜填土）呈流塑狀態，易產生蠕變和剪切破壞；③t砂質粉土在動水作用下有發生流砂管涌的可能，對本工程基坑開挖不利。

場地淺部地下水屬于潛水，低水位埋深在地表下1.5 m，高水位在地表下0.3 m。根據地勘資料，場地地下水與陳家灣港、楊家婁河無明顯水力聯系。

4 基坑概況

4.1 基坑工程特點

1）基坑面積大。本工程北地塊基坑面積16 700 m2，南地塊基坑面積47 700 m2。大面積、長時間敞開式開挖使圍護結構變形增大，時空效應對環境影響顯著。

2）圍護用地空間小。圍護可用場地寬僅約3.2 m，給圍護施工帶來一定限制。

3）市政管網密布。基坑南側緊貼紅線內外分布有大量井口，且其中部分為總管。

4）地質條件復雜。土層層面起伏變化較大，土質不均，局部填土較厚，淺層有暗浜、粉性土揭露，深層存在承壓含水層。

4.2 圍護結構選型

根據上述基坑工程的特點，并結合以往類似工程的設計經驗，對2個地塊分別選用了如下圍護結構：

1）北地塊地下1層基坑寬約139 m，普遍區域開挖深度5.5 m，采用“椅子式”水泥土重力式內插型鋼圍護；地下2層基坑寬約60 m，普遍區域開挖深度9.3 m，采用鉆孔灌注樁結合2道鋼筋混凝土水平支撐圍護。

2）南地塊地下1層基坑寬約240 m，普遍區域開挖深度5.0 m，采用“椅子式”水泥土重力式內插型鋼（東部、南部2個區域內插雙排樁）圍護；地下2層基坑寬約103 m，普遍區域開挖深度8.8 m，采用鉆孔灌注樁結合2道鋼筋混凝土水平支撐圍護。

5 有限元模型建立

5.1 土體本構

在對本項目進行有限元分析時，土體的本構采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土，簡稱HS）模型。HS模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型土體行為的模型，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準則[3-4]。

在參數方面，考慮了3種應變參數[5]：主偏量加載引起土體塑性應變的參考割線剛度模量、主壓縮引起土體塑性應變的參考切線剛度模量以及彈性卸載/重加載的卸荷模量。

5.2 分析剖面

結合周邊環境的情況及相關管理單位的保護要求，在進行有限元數值模擬時，應選取最不利剖面對周邊環境進行分析。本項目對2個地塊分別選取的剖面如下（圖2）：北地塊選取1個剖面，為基坑西側靠近河道駁岸重力壩區域（A-A剖面）；南地塊選取2個剖面，為基坑南側靠近管道重力壩區域（B-B剖面）、基坑東側地下2層靠近管道鉆孔灌注樁區域（C-C剖面）。

圖2 分析剖面位置示意

5.3 模型建立

為了避免模型邊界對計算結果的影響，相關剖面外的計算寬度取值不小于基坑開挖深度的7倍（圖3），即：A-A剖面外計算寬度約45 m，計算深度取坑底以下55 m；B-B剖面外計算寬度約45 m，計算深度取坑底以下50 m；C-C剖面外計算寬度約60 m，計算深度取坑底以下60 m。坑外地表超載均為20 kPa。

圖3 各剖面有限元模型示意

土體及水泥土攪拌樁采用平面應變15節點二維等參單元，型鋼、鉆孔灌注樁及周邊構筑物采用板單元模擬，支撐采用錨定桿單元來模擬。

其中：A-A剖面重力壩深度為12 m，采用700 mm×300 mm的H型鋼，長為11.5 m；B-B剖面重力壩深度為11 m，雙排樁采用樁長為12 m的φ700 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁，中間采用700 mm×600 mm的鋼筋混凝土連梁；C-C剖面采用樁長為18.5 m的φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁，第1道C30支撐截面尺寸為1 000 mm×700 mm，第2道C35支撐截面尺寸為1 200 mm×800 mm。模型邊界條件采用標準邊界，即模型底部限制水平和豎向位移，兩側限制水平位移。

6 有限元模型分析

6.1 基坑開挖過程工況

Plaxis-2D軟件通過“單元殺死”來模擬施工工況，從而實現基坑開挖的全過程。各剖面的基坑開挖全過程分別為：A-A剖面工況1激活周邊荷載，工況2施工重力壩、插入型鋼，工況3基坑開挖至底；B-B剖面工況1激活周邊荷載，工況2激活管線、“殺死”管內土體，工況3施工重力壩，工況4施工雙排樁，工況5基坑開挖至底；C-C剖面工況1激活周邊荷載，工況2激活管線、“殺死”管內土體，工況3施工鉆孔灌注樁，工況4基坑開挖至第1道支撐底并設置第1道支撐，工況5基坑開挖至第2道支撐底并設置第2道支撐，工況6基坑開挖至底。

6.2 基坑開挖結果分析

一般情況下，當基坑開挖至設計標高時，坑內土體的卸荷量以及臨空面達到最大，此時圍護結構體系將承受周邊附加荷載以及水土壓力所產生的最大側向荷載作用，因此在最不利工況下對圍護結構進行分析至關重要。

通過有限元分析，可以得到各剖面在最不利狀態下圍護結構的水平位移和坑內土體的垂直位移。各剖面的位移極值如表1所示。

表1 各剖面最不利工況下位移極值匯總

通過有限元分析可得到以下結論：

1）“椅子式”水泥土重力式內插型鋼圍護和內插雙排樁圍護，圍護結構水平位移最大處在頂部，并且隨著開挖深度逐漸減小。

2）鉆孔灌注樁結合2道鋼筋混凝土水平支撐圍護，圍護結構水平位移最大處在坑底附近，并向樁兩側逐漸減小，形似“正態分布曲線”。

3）“椅子式”水泥土重力式圍護比水泥土重力式圍護更能夠有效地控制圍護結構的側向位移，減小圍護結構的用地空間。

4）坑底土體隆起較大，在實際施工的過程中要控制坑底變形，以便保證基坑的安全。

總體上來說，3種圍護結構的最大側移均在基坑設計規范要求的變形范圍內，說明能夠有效地控制基坑變形。

6.3 周邊構筑物結果分析

通過進行有限元模型分析，不僅能夠有效地反映圍護結構的變形及受力情況，而且能夠反映基坑開挖對周邊建（構）筑物的影響。各剖面周邊構筑物的位移極值如表2所示。

表2 各剖面最不利工況下周邊構筑物位移極值

通過有限元分析，3種圍護結構在基坑開挖的過程中對周邊的建（構）筑物影響均較小，滿足規范規定的環境保護要求；河道駁岸和管線在基坑土體卸載的情況下，均往基坑內側的方向發生位移，進一步反映了本模型分析的合理性。

7 結語

本文依據上海市某住宅樓項目，結合大型有限元軟件Plaxis-2D數值模擬基坑開挖對周邊環境的影響，得出如下結論：

1）Plaxis-2D采用HS本構模型能夠很好地反映土體的實際狀況，并且可得到合乎規范要求的理想結果。

2）在狹小施工空間和復雜的周邊環境條件下，采用“椅子式”水泥土重力式圍護比常規的水泥土重力式圍護更能有效節約圍護結構的施工空間，從而滿足紅線要求。

3）在“椅子式”水泥土重力式圍護中插入型鋼或者雙排樁，能夠降低基坑開挖對周邊環境的影響，從而起到保護作用。