基坑開挖對現狀長條形地下結構隆起影響分析

黃鼎中

（深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東深圳518000）

1 引言

隨著我國城市化水平越來越高，近10年城市地下空間的開發利用力度也在逐漸加大，越來越多的工程建設過程中會面對既有地鐵、管廊、管線等構造物，因此，基坑開挖對現狀構造物的影響一直是目前工程研究的重點及難點。基坑開挖是卸載的過程，會引起基坑的回彈變形，基坑回彈量越大，對現有地下結構的影響就越大，可引發各種工程問題。深入研究基坑回彈并提出實用性強的回彈量計算方案，具有重要的理論意義和工程應用價值[1]。

目前，計算基坑回彈量的方法主要有規范法、經驗公式法、理論公式法和數值模擬法。國內專家學者也對基坑隆起對下臥結構的影響進行了深入研究。陳郁[2]等嘗試選計算出開挖之后的附加應力，再通過彈性地基梁理論求算隧道隆起的定量計算。李紅麗[3]則嘗試用MIDAS GTS進行三維有限元計算，得出基坑開挖對下臥地鐵結構的影響。本文嘗試運用二維有限元模型計算基坑開挖卸載對長條形地下結構的影響，并與規范隆起計算結果進行對比，綜合現場情況進行對比分析。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程位于深圳市前海片區海濱大道與月亮灣大道2條快速路的相交節點西南側，由于河道改線，需在現狀電力隧道上方進行基坑開挖，并形成永久河道。永久河道位于現狀填土區域，雜填土層較厚，下臥有粗砂層，地質條件較差。河道底面寬13.5 m，兩側采用漿砌片石護坡，護坡坡率為1∶2，河道開挖深度約7.5 m。而現狀電力管廊已先行施工完畢，結構頂位于現狀地面線以下9.8 m，與河道基坑底相差2.3 m。

2.2 計算方法及土層參數取值

采用GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中的規范法以及Midas GTS NX的二維有限元進行計算。該段區域地勘條件及選取參數表如表所示。

表1 地勘參數選擇表

2.3 計算結果

2.3.1 方法一：規范法

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，本項目無相鄰荷載影響，也不考慮河道通水后水壓力潮汐的影響，模型不考慮電力管廊的整體剛度對隆起的影響，只將其看成土體的一部分。先根據式（1）計算地基變形計算深度。再計算基坑底面以上土的自重應力，再根據式（2）計算地基土的回填變形量：

式中，Zn為地基變形計算深度，m；b為基礎寬度，m。

式中，SC為地基的回彈變形量；ψC為回彈量計算的經驗系數；PC為基坑底面以上土的自重壓力，kPa；Eci為土體的回彈模量，kPa；Zi、Zi-1分別為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；aˉi、aˉi-1分別為基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數。

帶入數據計算可得：Zn=13（2.5-0.4ln13）=19.2m。

基坑底卸載相當于在基坑底部加載了與所挖土重力大小相等方向相反的荷載，計算開挖土體的自重應力，計算時忽略卸載后基坑側向土擠壓產生的變形，由此可計算得出基坑底部卸去的均布力p=122.745 kPa。

根據公式（2），由基坑卸載作用引起的基坑回彈量為：

2.3.2 方法二：二維有限元法

本工程采用Midas GTX NX軟件進行二維仿真模擬，對電力隧道隆起進行計算，模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫倫模型進行計算。電力管廊及邊坡加固措施材料參數如表2所示。

表2 電力隧道參數選擇表

計算模型采取二維模型，地面標高為0，整個模型總長150 m，總深度為40 m，基坑長13.5 m，河道邊坡坡率1∶2，二維計算忽略了三維空間對其變形的影響，模型計算斷面如圖1所示，開挖后模型計算斷面如圖2所示。

圖1 二維有限元計算模型

圖2 二維有限元開挖后模型

施工階段分為2部分。一部分為初始地應力適應階段，另一部分為邊坡開挖及邊坡加固階段。開挖后整體模型計算斷面如圖3所示。

圖3 二維有限元開挖計算斷面模型

通過提取開挖后的現狀地面線總沉降，并以最邊緣沉降量為基點進行計算，基坑中部電力管廊隆起約為2.34 cm，電力隧道邊坡底邊緣隆起約為2.06 cm，第一級邊坡平臺下方電力隧道隆起約為1.5 cm，邊坡頂位置電力隧道隆起約0.8 cm，而一倍基坑深度以外（約10 m）電力管廊隆起量少于0.1 cm，影響已經很小，計算結果如表3所示。

表3 電力隧道結構隆起計算結果

2.4 計算結果對比

通過對比，參照本工程案例，按照規范法計算隆起，與二維有限元計算結果，由于規范法完全沒考慮結構剛度，因此，總體隆起量偏大，而二維有限元法隆起與監測數據較近，總體偏大約15%～20%，隆起量為規范法計算的55%。

3 結論

1）根據規范方法得出結果，基坑底回彈量為4.33 cm。考慮到現實中電力管廊整體剛度更大，電力管廊整體上浮量應比計算值小。

2）有限元計算采取的是二維模型，且未包含導改渠通水后對電力管廊的影響，模型未考慮電力管廊三維結構的影響，也未考慮通水后的影響，而對電力隧道的質量選取是采用綜合重度進行。有限元法能夠直觀地看出整個地質模型的變形情況及趨勢，根據提取的結果，有限元方法中電力管廊基坑開挖段最大相對上浮量為2.54 cm。

3）對于深厚雜填土地段，上部地質較為松散，實際監測數據較2種方法的結果都小，隆起量約為有限元計算結果的80%～85%。

4）由計算結果可得，該段河道改造需要對現狀電力隧道進行抗隆起設計，保證結構安全性及耐久性。且由于上方河道長期浸水，應加強該段電力管廊防水保護措施。

5）規范法以及二維有限元法均能快速計算評估基坑開挖卸載后對長條形地下結構隆起的影響，而二維有限元法精度較高，且更加反映整個場地的變化。且對于工程計算而言，計算精度能滿足初步判斷要求。