相鄰基坑開挖的相互影響分析

摘要：以地鐵線路明挖區(qū)間基坑鄰近安置房基坑為背景，采用MIDAS/GTS軟件建立二維有限元模型，通過對比單側(cè)基坑開挖和雙側(cè)基坑開挖的施工工序及相鄰基坑間距等因素，分析相鄰基坑開挖時對各自本體基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響，提出符合實際工程環(huán)境的開挖方案，為后續(xù)類似工程問題提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：相鄰基坑；施工工序；基坑間距；相互影響

0 " 引言

近年來，在市政工程、軌道交通地下空間開發(fā)利用方面，由于規(guī)劃條件、施工工期等因素引起的相鄰基坑施工問題越來越多。相對于單個基坑開挖的情況，兩個相鄰基坑施工時的相互影響變得復雜很多。在不同的基坑深度、施工工期和開挖工序條件下，基坑開挖不僅對自身基坑圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在相鄰基坑的相互影響之下，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形情況也更為復雜，給基坑工程設(shè)計工作帶來一定困難。

目前，國內(nèi)已有不少針對相鄰基坑同期施工問題的研究工作。徐芳超對比了不同基坑間距、施工工期等因素對圍護結(jié)構(gòu)變形分析。陶東軍等研究了軟土地區(qū)相鄰基坑開挖對基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移、地表沉降及支撐軸力的影響規(guī)律。張竹庭采用二維模型，計算分析了相鄰基坑鉸接區(qū)域土體的穩(wěn)定性。葉建峰等探討了兩個相鄰基坑開挖破壞模式和失效機理。本文以地鐵線路明挖區(qū)間基坑鄰近安置房基坑為背景，應(yīng)用二維有限元模型，對比分析不同的開挖工序及不同基坑間距下基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，提出符合實際工程環(huán)境的開挖方案。

1 " 工程概況

某地鐵明挖區(qū)間基坑開挖深度26m，開挖寬度42m，圍護結(jié)構(gòu)采用800mm地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻墻底深度37.5m。基坑內(nèi)支撐采用直徑800mm壁厚20mm鋼管支撐，豎向共設(shè)置5道支撐，沿基坑寬度方向設(shè)置2排臨時立柱。

地鐵明挖區(qū)間基坑北側(cè)為安置房項目基坑。該基坑為不規(guī)則長方形，長度約120m，寬度約50m，開挖深度15m。基坑圍護結(jié)構(gòu)為間距1400mm鉆孔灌注樁，樁底深度23m。基坑內(nèi)支撐采用第一道直徑609mm壁厚16mm鋼管支撐，第二道和第三道直徑800mm壁厚16mm鋼管支撐，豎向共設(shè)置3道支撐，基坑中設(shè)置臨時立柱。地鐵明挖區(qū)間基坑與安置房基坑位置關(guān)系如圖1所示。

2 " 基坑數(shù)值模擬

2.1 " 模型概況

為了研究相鄰基坑因施工工序和基坑間距的相互影響問題，采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立二維平面應(yīng)變數(shù)值模型，基坑尺寸及圍護結(jié)構(gòu)采用其實際尺寸進行建模。為簡化計算模型，將安置房基坑近似看為矩形。為了盡可能減小邊界效應(yīng)對計算模型的影響，將整個模型在水平和豎向進行拓展，整體模型尺寸為347m×107m，單元總數(shù)量9312，通過“鈍化”和“激活”模擬基坑開挖與圍護結(jié)構(gòu)的施作，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 " 材料參數(shù)

為方便計算分析，土層本構(gòu)模型為“摩爾-庫倫”，地層參數(shù)根據(jù)勘察報告選取，為簡化模型，將性質(zhì)相近的地層合并處理，土層參數(shù)如表1所示。

對于地下連續(xù)墻采用板單元模擬，圍護樁按照抗壓等效和抗彎等效采用板單元模擬，冠梁、鋼支撐、立柱樁及格構(gòu)柱采用梁單元模擬。基坑圍護結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件均采用理想線彈性本構(gòu)模型，鋼管泊松比取0.3，混凝土泊松比取0.2，各構(gòu)件參數(shù)如表2所示。表2中φ表示鋼支撐外徑，t表示鋼板厚度。

3 " 計算結(jié)果與分析

3.1 " 不同施工工序的影響

圖3所示為地鐵區(qū)間明挖基坑與安置房基坑3種不同的施工工序。為簡化計算，兩個基坑均采用3段區(qū)域開挖作業(yè)，在合理范圍內(nèi)，適當將開挖步進行合并處理，如地鐵區(qū)間基坑分3次開挖至坑底，安置房基坑分2次開挖至坑底。

兩個基坑的開挖作業(yè)均嚴格按照施工工序進行，即開挖至支撐下0.5m時，及時架設(shè)鋼支撐并施加預加軸力，然后進行下一步的開挖作業(yè)。模型計算考慮“增量法”的施工過程，即每一步的變形和內(nèi)力計算均在上一步的基礎(chǔ)上進行疊加。

在實際開挖工況、對比工況1及對比工況2條件下，監(jiān)測點1和監(jiān)測點2處的圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿深度的分布曲線如圖4所示。

由圖4a可以看出，實際工況與對比工況1的曲線重合度比較高，表明存在夾層土的條件下，兩個相鄰基坑同時開挖或交錯開挖時，對后開挖的地鐵基坑遠端圍護結(jié)構(gòu)影響較為接近。而在不預留夾層土時，后開挖的地鐵基坑遠端圍護結(jié)構(gòu)變形較大。由圖4b可以看出，夾層土開挖后，由于土壓力的顯著減小，對比工況2圍護結(jié)構(gòu)最大位移遠小于其他兩種工況。

3.2 " 不同基坑間距的影響

為研究相鄰基坑不同間距產(chǎn)生的影響，分別取兩個基坑間距為5m，15m，25m，在保持相同的開挖工序前提下，如地鐵區(qū)間基坑分7步開挖，安置房基坑分4步開挖。根據(jù)工程實際工籌情況，先施工安置房基坑，然后開挖地鐵區(qū)間基坑，每次開挖后均及時架設(shè)鋼支撐。

圖5a為相鄰基坑不同間距時，地鐵區(qū)間基坑監(jiān)測點1處的圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿深度的分布曲線。由圖5a可知，兩個基坑的間距越小，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移越大。如單個基坑開挖時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為26.5mm；基坑間距為5m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移36.5mm。而當基坑間距增大至25m時，和單個基坑圍護結(jié)構(gòu)變形曲線重合度較高，最大水平位移27.5mm。這說明，后開挖地鐵區(qū)間基坑的遠端圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨著兩個基坑間距的增大而減小。特別當基坑間距為1倍的基坑深度時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移基本和單個基坑開挖情況一致。在實際工程中，此結(jié)論有一定的指導意義，即當兩個基坑間距大于基坑深度時，可以不用考慮先期開挖基坑對后期開挖基坑遠端圍護結(jié)構(gòu)的影響。

圖5b為相鄰基坑不同間距時，地鐵區(qū)間基坑監(jiān)測點3處的圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿深度的分布曲線。由圖5b可以看出，基坑間距越小，后開挖地鐵區(qū)間基坑圍護結(jié)構(gòu)下部向坑內(nèi)的位移越小，而上部向坑外位移較大。這說明，先期開挖的安置房基坑將土體卸載后，導致作用在地鐵區(qū)間基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力減小，甚至在上部還產(chǎn)生了偏向安置房基坑的位移。

4 " 結(jié)束語

本文以地鐵線路明挖區(qū)間基坑鄰近安置房基坑為背景，采用MIDAS/GTS軟件建立二維有限元模型，通過對比單側(cè)基坑開挖和雙側(cè)基坑開挖的施工工序及相鄰基坑間距等因素，分析相鄰基坑開挖時對各自本體基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響，提出符合實際工程環(huán)境的開挖方案。得到結(jié)論如下：

兩個相鄰基坑施工時，無論是交錯施工或者平行施工，在預留夾層土的條件下，對于后開挖基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移影響不大；但是，當夾層土開挖以后，相鄰基坑的先后施工順序?qū)箝_挖基坑的近端圍護結(jié)構(gòu)變形影響較大，先期開挖基坑對后期開挖基坑的遠端圍護結(jié)構(gòu)變形影響偏小。

當相鄰基坑間距較小時，先期開挖基坑對后期開挖基坑的近端和遠端圍護結(jié)構(gòu)變形影響均較大。但隨著基坑間距的增大，這種影響會逐漸削弱。特別的，在實際工程中，當兩基坑間距大于基坑深度時，可以不用考慮先期開挖對后期開挖基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻

[1] 徐芳超.相鄰深基坑同期開挖相互影響變形性狀研究[D]泉州：

華僑大學，2015.

[2] 陶東軍，張浩文，孔德駿.軟土地區(qū)相鄰基坑開挖的相互影響

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[3] 張竹庭.相鄰大型基坑同步開挖的支護設(shè)計與實踐[J]建筑施

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[4] 葉建峰，林海，顏桂云.相鄰雙基坑開挖失效機理及破壞模式

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