軟土地區小凈距相鄰基坑同步開挖變形特性研究

陳 娟 （中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

隨著城市化進程的不斷加快和土地集約化的要求，地下空間的開發密度不斷增加，相鄰基坑工程同步施工的情況已成為常態[1-3]。目前對此類問題的研究主要集中在相鄰基坑間距大于2倍坑深范圍以上，且基坑非同步開挖的工況。史海瑩[4]結合實際工程案例，研究了采用合理的施工工序后相鄰深基坑圍護結構的承載力和變形特性；丁智等[5]以杭州下穿湘湖某相鄰基坑工程為例，對相鄰基坑在施工過程中內支撐軸力及深層土體水平位移等進行研究；李輝[6]對間距小于2倍坑深范圍的相鄰基坑，同步開挖的相互影響進行研究，通過有限元分析臨界安全工況，并提出推薦工序。

對于小于1倍基坑深度的小凈距相鄰基坑同步開挖工況下，基坑之間相互影響程度，圍護結構變形特性等，目前鮮有研究。本文以杭州某市政隧道臨近地鐵基坑工程為例，采用有限元分析軟件并結合現場監測數據對此類基坑的變形特性進行研究，并提出合理的施工工序。

2 工程概況

杭州市某市政隧道平行于地鐵車站基坑。兩個基坑凈間距8.2m～9.9m，兩者剖面關系如圖1所示。

市政隧道與地鐵基坑相鄰段長度約95m，基坑寬度28m～40m，開挖深度16.7m～18.6m。支護結構為800mm地下連續墻+五道內支撐，其中第一、三道分別為800*800、1000*1000鋼筋混凝土支撐，支撐間距6m，第二、四、五道為?800，壁厚16mm的鋼管支撐，支撐間距3m。

地鐵基坑寬度21.8m～23.7m，開挖深度17.5m～18.4m，支護結構為1000mm地下連續墻+五道內支撐，其中第一、三道分別為800*1000、1000*1000鋼筋混凝土支撐，支撐間距9m，第二道為?609，壁厚16mm的鋼管支撐，支撐間距3m。第四、五道為?800，壁厚20mm的鋼管支撐，支撐間距3m。

同時受場地條件制約，相鄰基坑中間需要作為施工及運輸通道，因此在基坑中間地面設置混凝土鋪蓋板，與兩個基坑的圍護結構共同形成棧橋系統。

3 工程地質條件

本工程場區地貌單元為沖海積平原，場地淺部20m內為粘性土、淤泥質土，中部為厚約13m～15m的軟可塑狀粉質粘土，下部為性能較好的粉砂、礫砂、圓礫，底部為泥質粉砂巖或砂礫巖。

場區內地下水類型主要是第四紀松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。孔隙潛水主要賦存于淺部第四系淤泥質土、粉質粘土層內，水位一般為0.20m～4.50m，相應高程1.02m～5.66m，水位年變幅為1.0m～1.5m。地層分布情況及各土層的物理力學參數見下表。

土層物理力學指標參數

4 相鄰基坑間土壓力作用模式

常用的經典朗肯土壓力或庫倫土壓力理論采用的是半無限體土體的假設，當相鄰基坑間距較小時，破裂角，朗肯及庫倫土壓力已不適用。有限土體的破壞形式如圖2所示。深度，當時，兩側基坑中間土體的破裂面相交，可采用楔體法計算作用在圍護結構上有限土體土壓力，此時土壓力小于朗肯土壓力。

圖2 有限土體的破壞形式、土壓力簡圖

5 同步開挖相互影響分析

5.1 施工工況

由于兩個工程工期緊張，相鄰基坑需要同步開挖，在滿足工期的前提下需確保同步開挖期間相鄰基坑的安全，因此對施工工序進行細化，首先相鄰基坑同步開挖至第三道混凝土支撐底，澆筑完第三道混凝土支撐，此時第一道、第三道混凝土支撐與基坑圍護結構形成穩定的框架結構，隨后兩個基坑錯開施工，形成以下兩個分析工況。

工況一：相鄰基坑澆筑完第三道混凝土支撐，地鐵基坑停止施工，市政隧道繼續向下開挖至坑底，并澆筑完底板，隨后地鐵基坑繼續向下開挖到坑底并澆筑底板。

工況二：相鄰基坑澆筑完第三道混凝土支撐，市政隧道停止施工，地鐵基坑繼續向下開挖至坑底，并澆筑完底板，隨后市政隧道繼續向下開挖到坑底并澆筑底板。

5.2 有限元計算分析

為了準確預測兩種工況下基坑同步開挖的相互影響，采用有限元軟件Mi?das GTS NX進行計算分析，計算模型由地鐵基坑、隧道基坑及周邊土體組成，模型尺寸150m*52m，周邊土體取基坑開挖深度的3倍范圍[6]。

模型土體采用基于修正Mohr-Coulomb破壞準則的理想彈塑性模型，模型位移約束條件是表面為自由面，兩側約束水平方向位移，底部為固定約束。土體采用2D平面應變實體單元，圍護樁采用等效厚度的梁單元，基坑支撐采用1D梁單元模擬。

通過兩種工況計算后發現，當相鄰基坑均開挖到底時，基坑圍護結構的最大水平位移均出現在外側，且最大位移位于坑底附近，而相鄰基坑中間圍護結構的變形較小，最大變形約13mm～21mm，遠小于基坑外側圍護結構水平位移，驗證了相鄰基坑間有限土體的土壓力遠小于外側無限土體土壓力。

提取兩個工況下相鄰基坑外側圍護結構的水平變形進行分析，如圖3、圖4所示。

圖3 工況一地鐵北側、隧道南側圍護水平位移

圖4 工況二地鐵北側、隧道南側圍護水平位移

工況一：兩個基坑先同步開挖至第三道支撐時，地鐵北側圍護結構最大水平變形13mm，隧道基坑南側圍護結構最大水平變形23mm。地鐵停止開挖，隧道基坑開挖到底后，隧道南側圍護結構最大水平變形40mm，在等待隧道基坑開挖到底的過程中，地鐵基坑圍護結構水平變形增加2mm，且最大增量的位置位于地鐵開挖面以下，隨后地鐵基坑繼續開挖到底，地鐵北側圍護結構水平變形增加至31.2mm。

工況二：兩個基坑先同步開挖至第三道支撐時，地鐵北側圍護結構最大水平變形11mm，隧道基坑南側圍護結構最大水平變形20mm。隧道停止開挖，地鐵基坑開挖到底后，地鐵北側圍護結構水平變形26.5mm，在等待地鐵基坑開挖到底的過程中，隧道基坑圍護結構水平變形增加2mm，且最大增量的位置位于開挖面以下，隨后隧道基坑繼續開挖到底，隧道嫩側圍護結構水平變形增加至35mm。

對比分析可知，兩個工況下隧道基坑圍護結構最大水平變形均大于地鐵基坑水平變形，主要是隧道基坑地連墻厚度小，抗變形能力較弱。

相鄰基坑同步開挖到第三道支撐位置，地鐵基坑圍護結構水平位移大于隧道基坑圍護結構水平位移，當地鐵基坑先開挖到底，地鐵基坑圍護最大變形比隧道基坑先開挖到底時減少4mm，隧道基坑圍護結構最大變形減少5mm。由此可見，地鐵基坑先開挖對相鄰基坑的變形控制更有利，主要是由于地鐵基坑窄，支護結構剛度大，抗變形能力強，因此地鐵先開挖，地鐵基坑自身圍護結構變形小，對周圍土體及相鄰基坑的擾動小。隧道基坑開挖中，地鐵基坑也能提供足夠的剛度來平衡隧道基坑兩側的土壓力。

6 現場監測數據分析

結合現場施工情況，由于地鐵基坑面積小，且開挖速度快，在第三道混凝土支撐下，基本保證了地鐵基坑先開挖到底并澆筑底板，隨后隧道基坑開挖第三道混凝土支撐以下土方。選取了市政隧道和地鐵基坑同一個斷面上圍護結構水平位移監測點CX18、CX27、CX15、CX16進行分析，其中隧道基坑南側測點CX18和地鐵基坑北側測點CX16水平位移如圖5所示。

圖5 隧道CX18、地鐵CX16水平位移

監測數據顯示，市政隧道南側測點CX18最大水平位移45.13mm，北側圍護結構監測點CX27的最大累計變形20.94mm。地鐵基坑北側測點CX16最大水平位移32.33mm，南側測點最大水平位移16.57mm。

可知現場實測結果與有限元計算結果基本一致，隧道基坑圍護變形大于地鐵基坑圍護變形，且相鄰基坑中間的圍護變形均遠小于外側圍護變形，進一步驗證了有限元計算的可行性。

7 結論

通過對地鐵與市政隧道小凈距相鄰基坑工程同步開挖的有限元及現場實測分析，得出以下結論。

①當相鄰基坑凈距小于滑裂面確定的臨界寬度時，作用在圍護結構上土壓力可采用有限土體土壓力計算，且小于無限土體土壓力。

②小凈距相鄰基坑同步施工，基坑內側圍護結構受有限土體的土壓力作用，圍護結構變形較小，外側圍護結構受無限土體土壓力作用，變形較大。

③相鄰基坑同期實施時，盡量在工序上錯開施工，若因工期原因無法完全錯開，淺層可同步開挖，深層采用錯開工序施工。

④為確保同步施工相鄰基坑的穩定性，建議基坑寬度小、圍護剛度較大的基坑先施工。

⑤采用多道混凝土支撐能增加基坑的整體剛度，減小相鄰基坑施工過程中的偏載效應。