深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形研究

趙 平,王占棋

(1.銅陵學院 建筑工程學院，安徽 銅陵 244000；2.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211106)

近年來，隨著基坑工程向更深、更復雜地質條件和更嚴峻施工環境不斷發展，基坑工程事故屢見不鮮。深入研究深基坑開挖變形影響對于基坑工程防災減災和促進新技術的應用與發展具有重要意義[1-2]。基坑開挖對環境的影響是巖土工程中的研究熱點，當前深基坑設計理念以“變形控制”為重點[3]，許多學者在合肥地區針對深基坑開挖的相關問題開展了研究。謝樂等[4]對合肥地區地鐵車站深基坑穩定性開展了相關分析，研究了地鐵車站深基坑施工對周邊建筑物的影響。謝沃等[5]研究了合肥地區深基坑開挖對鄰近管線的影響規律，結果表明在基坑開挖過程中，管線出現向基坑側變形的趨勢。陳海微等[6]以合肥某地鐵車站基坑工程為依托，針對工程中的坑中坑的施工難點，提出一種坑中坑四角環形開挖的新型施工方案。劉偉楠等[7]以合肥市軌道交通某車站深基坑工程為研究對象，開展了半蓋挖車站深基坑工程的施工監測與數值模擬。胡博健[8]以合肥市某一改造項目深基坑逆作法施工為研究背景，揭示了基坑在開挖過程中變形形態及規律。彭川等[9]針對合肥南站南廣場基坑開挖對地鐵盾構區間影響開展了分析，同時探討了該項目基坑開挖對地鐵的影響。吳超[10]以合肥地鐵4號線創新大道站車站深基坑工程為研究背景，研究分析了基坑開挖的支護結構受力變形和地表沉降。朱榮軍等[11]對合肥地鐵1號線上部基坑開挖過程中隧道的位移進行了數值模擬，分析了不同工況下隧道橫向和縱向變形。李俊麗等[12]結合合肥某基坑工程實例，運用有限元軟件建立雙排樁支護結構三維模型,通過有限元分析，研究了開挖深度、排距、結構形式等因素對雙排樁受力與變形的影響。

從既有研究可以看出，目前合肥地區關于深基坑開挖變形特性等方面的研究成果頗豐，但針對合肥地區臨近地鐵線路深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形及其空間效應的研究相對較少。鑒于此，研究在總結前人研究成果的基礎上，以合肥地鐵2號線附近某基坑開挖工程為依托，通過建立三維數值模型，分析了深基坑在開挖支護過程中緊鄰土體深層水平位移的發展規律，并把數值模擬結果與現場監測數據進行比較，論證模擬施工過程的合理性和可行性，該研究可為今后類似深基坑開挖及環境保護提供參考。

1 工程概況

研究對象為合肥地鐵2號線附近某深基坑開挖工程，該基坑周邊交通繁忙，建筑物密集，基坑周邊有生活管線。基坑平面形狀為矩形，基坑長、寬分別為60 m、40 m，開挖深度為12 m。基坑的支護結構由地下連續墻和3道內支撐組成，內支撐直徑為800 mm，位置在距離地表以下-2 m、-6 m以及-9 m處，地下連續墻埋深為18 m，厚度為800 mm。基坑共分4次開挖，開挖深度分別為2 m、4 m、3 m、3 m。根據巖土工程詳細勘察報告，簡化后的土層為4層，從上部到下部依次為：雜填土(厚度6 m)，全風化泥質砂巖(厚度6 m)，強風化泥質砂巖(厚度5 m)，中等風化泥質砂巖(厚度43 m)。具體力學參數如表1所示。

表1 計算模型力學參數

2 建模與計算

2.1 基本假定

由于施工過程和現場工程條件比較復雜，為了便于計算，數值模型設計有必要對實際情況進行一定簡化[13]，研究基本假設如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續且均勻分布；③不考慮地下水對圍護結構變形的影響；④地下連續墻和內支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質、各向同性。

2.2 建立模型

參考劉健航等[14]研究成果，考慮工程實際情況，研究建立的整體三維模型長(x)、寬(y)、高(z)分別為160 m、140 m、60 m，遠大于預計基坑開挖影響范圍。邊界約束條件：地表為自由面，模型四周邊界均受到法向、水平向位移約束，模型底部設置x、y、z3個方向約束。模型支護結構的具體參數如表1所示。模型中土體為3D實體單元，地下連續墻采用2D板單元，基坑內支撐采用1D梁單元。整體三維模型網格劃分情況如圖1所示。數值模型共計182 665個單元，190 510個節點。該基坑周邊存在交通繁忙、建筑物密集等情況，在距基坑邊緣4 m范圍內施加22 kPa大小的豎向均布荷載。

圖1 三維有限元模型 圖2 基坑圍護結構示意圖

2.3 模擬施工

基坑開挖過程施工工況具體內容如表2所示。結合該基坑開挖變形的特點，選取有代表性的測點進行研究，本次主要側重研究位于基坑長邊中部(JC1測點)、基坑短邊中部(JC2測點)及基坑端部坑角位置處(JC3測點)不同深度土體水平變形規律，基坑圍護結構及測點布置如圖2所示。

表2 基坑開挖工況具體內容

工況內容5開挖2,基坑開挖4m,同時設置第二道支撐6開挖3,基坑開挖3m,同時設置第三道支撐7開挖4,基坑開挖3m,基坑開挖至距離地表12m處

2.4 現場監測方案設計

為了確保基坑工程施工的安全，有必要對該工程施工過程進行監測，進而指導現場施工。依據相關規范和要求，結合施工現場的具體情況制定了監測方案，具體內容：對基坑開挖過程中的深層土體水平位移監測，共埋設了3根測斜管(分別位于JC1測點、JC2測點和JC3測點)，數值模擬與現場監測選取的研究對象一致，測斜管的平面布置圖如圖2所示。

3 結果分析

3.1 各測點水平位移分析

基坑長邊中部附近JC1測點水平位移曲線圖如圖3所示。由圖3可見，JC1測點的不同深度位置，其水平位移受基坑開挖的影響不同，同時不難發現最大水平位移值出現的位置隨著開挖深度的增加而不斷下移，在開挖面附近達到最大值。此外，JC1測點在同一深度的水平位移也在隨著開挖深度的變化而不斷變化，且呈現出相似的規律性。總體來看，數值模擬結果表現為隨著基坑的開挖，JC1測點不同深度位置的水平位移變化呈現出“弓形”形態的規律。具體來看，基坑開挖至-2 m(開挖1)時，水平位移值較小，最大值約為4 mm，出現在深度為0的位置，且隨著深度的增加，水平位移值不斷減小，當深度為18 m時，趨于穩定，穩定值接近0。這是因為開挖1為基坑開挖初期，土體開挖量較小，開挖形成的基坑內外土壓力差值不大，基坑四周的土體變形較小，此時僅對圍護結構上部的水平位移產生較大影響，位移變化幅度較小。基坑開挖至-6 m(開挖2)時，水平位移發展明顯，且隨著測點深度的增加呈現出先增大后減小的“弓形”變形規律，最大水平位移值約為9.0 mm，最大值出現在深度為-6 m(開挖面)附近。同時，基坑開挖至-9 m(開挖3)時，最大水平位移值約為14 mm，出現在深度為-9 m附近。此外，基坑開挖至-12 m(開挖4)時，最大水平位移值約為18 mm，出現在深度為-12 m附近，最大水平位移小于報警值20 mm。通過分析不難發現，在基坑開挖過程中，鄰近土體水平位移對基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈弓形形態，最大水平位移發生在開挖面附近。此結論與徐中華[15]的研究結論一致。因基坑中部土體變形過大易產生破壞，故施工時應加強基坑中部圍護結構水平方向的監控與管線的保護。

圖3 JC1測點水平位移曲線圖 圖4 JC2測點水平位移曲線圖

基坑短邊中部附近JC2測點水平位移曲線圖如圖4所示。由圖4可見，基坑開挖在基坑短邊中間部位引起的水平位移變化規律與基坑長邊中部附近JC1測點水平位移基本一致，限于篇幅，不再贅述。通過對比不難發現，當開挖工況相同時，同一深度情況下JC2測點水平位移比JC1測點水平位移略小。如：基坑開挖至-12 m時，當測點深度為12 m時，JC2測點水平位移約為13 mm，JC1測點水平位移約為18 mm。這是因為JC1測點所在位置臨空開挖面更大，卸荷作用更加明顯，且存在一定的空間效應。

坑角JC3測點水平位移曲線圖如圖5所示。由圖5可見，JC3測點水平位移變化規律與JC1、JC2測點基本一致。觀察易知，JC3測點水平位移最大值僅約為4.0 mm，出現在開挖4，測點深度為-12 m的位置，遠小于JC1的18 mm和JC2的13 mm。這是由于JC3測點位于坑角位置，該部位兩個方向圍護結構會產生相互的約束作用，從而降低了圍護結構向側向產生水平變形的內應力，基坑的空間效應更為明顯。此結論與俞建霖等[16]研究結論相一致。

圖5 JC3測點水平位移曲線圖 圖6 基坑開挖完成時各測點水平位移曲線圖

3.2 基坑開挖完成時不同測點的位移對比分析

基坑開挖完成時3個測點(JC1、JC2與JC3)水平位移對比曲線圖如圖6所示。由圖6可見，在基坑開挖完成時，3個測點的最大水平位移值不同，最大水平位移值大小為JC1>JC2>JC3，位置均在開挖面附近，即深度為12 m處。由此可見，在深基坑開挖情況下，基坑長邊中部位置受到的影響最大，基坑短邊中部受到的影響次之，而坑角處受影響最小。因此在工程施工中，應該重點關注基坑開挖對長邊中部附近的建筑或者管線造成的變形，并及早采取保護措施，以避免發生工程事故。

3.3 各測點最大水平位移隨工況變化對比分析

不同開挖步下測點最大水平位移對比圖如圖7所示。由圖7可見，隨著開挖深度的增加，不同測點的最大水平位移也在增加，且JC1測點與JC2測點最大水平位移值相對較大，JC3測點的最大水平位移值最小。具體來看，從開挖步1到開挖步4過程中，各個測點的最大水平位移在迅速增加。開挖步1時，JC1、JC2與JC3對應的最大水平位移值分別為4.0 mm、3.7 mm以及1.5 mm；開挖步3時，JC1、JC2與JC3對應的最大水平位移值分別為14 mm、11 mm以及2.8 mm；開挖步4時，JC1、JC2與JC3對應的最大水平位移值分別為18 mm、12.9 mm以及3.9 mm。由此可見，土體側向變形對開挖深度敏感。因此，在基坑施工過程中，應重點加強基坑長邊中間部位側向位移監測，這對保障基坑工程的安全性起著重要作用。

圖7 不同開挖步下測點最大水平位移 圖8 基坑開挖完時數值模擬與監測對比圖

3.4 數值模擬與現場實測對比分析

基坑開挖完成時(基坑開挖至地表以下12 m)JC1、JC2與JC3的3個監測點不同深度水平位移數值模擬結果與現場監測對比圖如圖8所示。由圖8可見，通過觀察對比不難發現施工現場實測值與數值模擬結果并不完全一致，但變化趨勢大致相似，反映出所建模型能夠很好地反映實際變形情況，可以為深基坑工程的設計提供可靠的理論依據，表明數值模擬技術在該地區深基坑開挖工程中的應用可行。具體來看，數值模擬的最大值約為18 mm，現場監測的最大值約為18.5 mm，均小于報警值20 mm，最大水平位移均發生在開挖面附近位置。此外，實測數據略大于模擬計算結果，這主要是由于建模時采取了許多簡化假定，如：不考慮地下水對圍護結構變形的影響，而實際基坑開挖支護的過程難免會受到降雨的影響，降雨導致土體抗剪強度降低，土體重度增大，促使土體變形不斷增大，再加上該基坑周邊交通繁忙，基坑附近的車輛動荷載也會對基坑鄰近土體的深層位移造成不利的影響，以及施工荷載對土體的擾動等，這些均可導致實測數據大于模擬計算結果。

4 結論

通過建立三維有限元模型，重點分析了基坑開挖過程中緊鄰土體深層水平位移發展規律，并將數值模擬結果與施工現場監測數據進行對比，主要結論如下：

(1)鄰近土體水平位移對基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈“弓形”形態，最大水平位移區域隨著開挖深度的增加而逐漸下移，在開挖面附近達到最大值。基坑開挖設計應遵循“分層開挖”“快挖快支”等原則。

(2)基坑側壁土體水平位移具有明顯的空間效應，基坑長邊測點水平位移最大，短邊測點次之，坑角最小。基坑開挖施工期間應更加注意加強基坑長邊中間部位附近地下管線的保護。

(3)該深基坑開挖過程中施工現場實測值與數值模擬兩者數值并不完全一致，但變化規律大致相似，表明數值模擬技術在該地區深基坑開挖工程中的應用可行，研究結論可為類似工程參考借鑒。