不同開挖方式對基坑變形的影響

龐丹丹， 鄭釗鋒， 王哲， 楊樂， 任康， 李中浩

（1.騰達建設集團股份有限公司，上海 300122；2.浙江工業大學巖土工程研究所，杭州 310023）

0 引言

近年來，隨著城市化進展不斷加快，城市土地資源的越來越緊缺。因此，城市地下空間的開發越來越受到人們的重視，基坑朝著更大、更深、更復雜的方向邁進。然而在城市密集區域建造深大基坑不可避免會對周圍建筑和周圍隧道管線造成影響［1-3］。所以，如何確定圍護結構在深基坑工程中的變形，如何精準估算深基坑開挖對周邊土體及建筑物的影響，以及怎樣解決簡單化深基坑開挖過程中的空間效應問題，是目前需要解決的重要工程技術難題。

目前眾多學者通過數值模擬、現場試驗等方式對基坑圍護結構變形控制展開了研究。在開挖方法方面，孫建波和張大等［4，5］對基坑不同開挖方式進行了開拓性研究，并對每種開挖方式的優點和缺點做了說明，他們認為基坑開挖具有明顯的空間效應，通過選擇恰當的開挖方式可以削弱空間效應的影響。沈健［6］將基坑變形的空間效應歸納為三個方面，其中一方面就是施工方法和施工順序引起的空間效應。舒魏碧章等［7］針對深基坑工程的空間效應問題，提出了階梯式分段開挖的有限元建模方法，研究了階梯式基坑開挖下不同層超挖、不同超挖深度以及不同超挖寬度的影響。武坤鵬［8］在三維開挖的基礎上探究了基坑開挖中的島式開挖，并且研究基坑的降水、圍護結構與土體的接觸作用、開挖的空間和時間效應等因素對基坑開挖的影響。

在數值模擬方面，Hashash［9］通過有限分析，討論了支撐條件、圍護結構嵌入深度等因素對地表土體沉降、圍護結構水平位移的影響。呂昌久［10-13］運用ABAQUS有限元軟件討論了基坑不同的開挖方式對基坑隆起與坑外周邊土體變形的影響。朱文斌［14］基于工程案例和實測數據，通過Midas·GTS建立數值模型，研究不同開挖過程中土體與支護結構的動態變化規律。肖萌［15］使用Midas·GTS建立三維基坑開挖模型，研究采用島式開挖和盆式開挖兩種不同開挖方式時產生的支護結構與周邊環境變形控制情況和規律。

文中依托實際工程，選取HS土體本構模型，采用三維有限元模擬階梯型開挖、水平分層分塊開挖和水平分層開挖，對比分析開挖選型對地鐵基坑圍護結構水平位移的影響，探究在3種開挖方式下圍護結構位移隨工況變化的規律，最后總結歸納出適合工程的開挖方式。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地鐵站基坑的總平面如圖1所示，西側為一個花鳥城，南側為河坊街，地處鬧市區，基坑長120m，標準段寬約25.7m，頂板覆土2m，底板墊層底埋深約23.97m。基坑僅南側有較大的偏壓，處在深厚黏土混角礫地層上，支撐系統為鋼混支撐體系，第1、4道支撐為混凝土支撐（截面尺寸分別為800×1000，1200×1200），第2、3、5、6道為傳統的609mm鋼支撐。

圖1 基坑布置總平面

工程的基坑監測剖面如圖2所示，選擇4個支撐軸力監測點監測軸力、布置6個地表沉降監測點監測坑外地表沉降，同時選取靠近監測斷面的測斜孔來監測地墻水平位移。

圖2 基坑監測剖面

1.2 工程地質

工程范圍內的土層主要可以分成5個，自上而下分別為：①表層雜填土厚度在4.8～11.3m；②黏土混角礫厚度范圍在5.9～11.7m；③黏土混角礫厚度范圍在20.1～20.5m；④黏土混角礫厚度范圍在5.3～11.9m；⑤最下層為中風化含生物碎屑灰巖。各土層的物理力學性質指標如表1所示。

表1 土層物理力學性質指標

2 有限元數值模擬分析

文中依據基坑實際工程條件，采用數值模擬的方法研究分層開挖、階梯型開挖，分層分塊開挖對該工程圍護結構變形的影響。

2.1 MidasGTS的介紹

MidasGTS是為能夠迅速完成對巖土及隧道結構的分析與設計而開發的“巖土隧道結構專用有限元分析軟件”，是一款采用windows風格操作界面的完全中文化軟件，能夠提供完全的三維動態模擬功能。程序提供應力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、邊坡穩定分析、襯砌分析和設計功能，并提供莫爾庫倫、修正莫爾庫倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構及用戶自定義本構模型；程序還提供便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結果；可以廣泛應用于地下結構、巖土、水工、地質、礦山、隧道等方面的分析及科研。

2.2 假定條件與模型參數

為了簡化模型計算，模型只考慮了基坑的圍護結構和支撐布置方式及其所在地層的土質情況，其周圍的相鄰基坑及建筑物均不考慮。并且根據勘察資料及設計施工圖紙，結合江建紅［16］文中的本構模型、模型參數、邊界條件選取原則，確定模型所需的各項參數如下：

（1） 模型中結構構件如基坑圍護結構、支撐體系結構均采用彈性模型。

（2） 土層參數。采用HS模型進行模擬，所選土層參數如表1所示。

（3） 鋼支撐采用點對點錨桿單元建立，混凝土圍護結構及混凝土支撐均采用梁單元建立，地下連續墻采用板單元建立。實際工程中由于活絡頭及抱箍的存在使得鋼支撐在工程中應用的剛度遠小于實際的鋼材剛度。雷霆等［17］通過研究后發現用梁單元模擬鋼支撐時，建議對其剛度折減0.38。故文中鋼支撐剛度按0.38倍折減，各結構構件材料特性見表2。

表2 結構材料參數

（4） 數值模型中構件-土及構件-構件間的連接綁定方式依據實際工程均采用剛性連接。

2.3 計算模型和邊界條件

根據基坑地層條件，模型共模擬了5層土體（雜填土、黏土混角礫、黏土混角礫、黏土混角礫、強風化泥巖）。如圖3所示，模型均采用混合型網格，共包含161094個單元和100199個節點，由土體的邊界性質可知土體底部固定而四周法向位移為零，所以對模型四周添加x、y向約束，底部添加x、y、z向約束。

圖3 基坑開挖模型

2.4 不同基坑開挖方式的介紹

（1） 分層開挖。分層開挖是指在基坑工程中，如開挖較深，一次挖掘深度無法達到要求時，可將土方開挖沿深度方向分成若干分層施工段，逐層依次進行開挖的開挖方式。

根據基坑的地質條件和各級邊坡的深度，又可以將基坑分層開挖分為每級放坡不分層開挖、每級放坡分層開挖兩種。

（2） 階梯型開挖。階梯型開挖是先沿著基坑按某一長度L分段開挖，每段開挖中又分土層厚度H這樣的開挖方式進行開挖。階梯開挖比較適用于寬度相對于長度來說較窄的長條形基坑。

（3） 水平分層分塊開挖。水平分層分塊開挖是將每層土劃分為若干個區域并編號，然后采用“跳挖”技術按照編號進行開挖的開挖方式。

分層分塊開挖在滿足變形控制要求的前提下，可以多個工作面同步進行流水作業，大大縮短了施工工期，同時減小土體應力釋放產生的不利影響。

2.5 模擬工況

除基坑內第一層土是整層一次性挖去外，其余剩下的土將被分為大致相等的45塊，分別采用階梯型開挖、水平分層分塊開挖、水平分層開挖3種開挖方式進行開挖（所有數值模型均只選取一種開挖方式，不交叉進行）。

階梯型開挖的模擬可以分為31個階段，具體開挖方法如圖4所示。首先開挖模型第1層最右側的土方，在開挖完成后施作混凝土支撐，之后開挖第2層的最右側兩塊。最后，將坑內剩余土體分為6層，每層又被分成若9塊，從基坑右上角往左下角進行階梯型施工，不斷開挖。

圖4選取了基坑的兩個視角（俯視、左視），從圖4中可以清楚的了解基坑自右上角往左下角開挖的施工工序。

圖4 階梯型開挖模擬演示

水平分層分塊開挖模擬可以分為33個階段，具體開挖方法如圖5所示。在將第一道混凝土支撐上方的坑內土一次性開挖后，把坑內剩余土體分為6層，每層又被分成9小塊進行開挖施工。此外，模擬將按照逐層開挖進行，如第1層從兩邊往中間開挖如圖5（a）、圖5（b）所示，第2層則是在第1層完全開挖完后再在從兩邊往中間開挖見圖5（c）、圖5（d），以此類推。

圖5 水平分層分塊開挖模擬演示

水平分層開挖流程如圖6所示，首先進行圍護結構（地下連續墻）的施工，然后按照順序依次進行第1層土的開挖和施作混凝土支撐，之后則是在第2層土方開挖完成后進行鋼支撐施作，總計分6層開挖。支撐形式第一、四道為混凝土撐，其余為鋼支撐。

圖6 基坑水平分層開挖模擬演示

2.6 有限元模擬結果

階梯型開挖的地墻部分側向位移云圖如圖7所示，當自右上角往左下角進行階梯型施工時，地墻最大變形位移不斷向左下方向蔓延。當基坑開挖完成時，基坑的側墻最大變形位移是25.55mm，最大變形的位置是在基坑中間位置。地連墻側向位移與工況的關系則如圖8所示。其中在有限元數值模擬中選取了3個節點，節點1、節點2、節點3，分別對應圍護地連墻的上部中部和下部（節點位置信息，下同）。

圖7 階梯型開挖部分工況地墻側向位移模擬結果云圖

圖8 階梯型開挖地墻側向位移與工況關系

水平分層分塊開挖的地墻部分側向位移云圖如圖9所示，每層由兩邊往中間分層分塊開挖，地墻最大變形位移為27.03mm，最大變形的位置是在基坑縱向1/4位置處。地連墻側向位移與工況的關系則如圖10所示。

圖9 水平分層分塊開挖部分工況地墻側向位移云圖

圖10 水平分層分塊開挖地墻側向位移與工況關系

水平分層開挖的地墻部分側向位移云圖如圖11所示，土層1層層從上往下開挖，地墻最大變形位移為20.47mm，最大變形的位置發生在靠近基坑中間截面位置處。地連墻側向位移與工況的關系如圖12所示。

圖11 水平分層開挖部分工況地墻側向位移云圖

圖12 水平分層開挖地墻側向位移與工況關系

3種開挖方式對應的模擬結果如上所述。階梯型開挖位移云圖顯示最大變形區域從右上角向左下角不斷擴張，最終造成的地墻最大位移為25.55mm，其最大位移所在的橫截面靠近基坑中間；水平分層分塊開挖最終造成得地墻最大位移為27.03mm，最大位移所在的橫截面靠近基坑兩側；水平分層開挖位移云圖顯示最大變形區域整體逐漸下移，最終造成的地墻最大位移為20.47mm，最大位移所在的橫截面靠近基坑中間。由此可知3種開挖方式造成的最大位置區別不大，最大最小值相差6.56mm。階梯型開挖和水平分層開挖的最大位移所在截面位置接近，均靠近基坑中部位置，而水平分層分塊開挖的最大位移所在截面位置靠近基坑兩側。

3 結語

（1） 根據有限元模擬的結果，當采用HS土體本構時，不同的開挖方式對圍護結構的最終最大變形結果有一定影響，圍護結構水平位移變形最大的是分層分塊開挖，最小的是分層開挖，階梯型開挖處于兩者中間。

（2） 根據有限元模擬的結果得出，當采用HS土體本構時，能比較全面反映出基坑圍護結構最大變形所在的截面位置，從而分析得出圍護墻結構的需要加強監測的區域，為今后類似工程的提供參考意義。