不同空間形態(tài)下坑中坑變形特性分析

鄭 凱

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

近年來，隨著城市建設(shè)的突飛猛進(jìn)，各類城市地下綜合體、交通樞紐及疊層隧道[1]等復(fù)雜工程相繼產(chǎn)生，伴隨著的各類特殊基坑也應(yīng)運(yùn)而生，如超深、超大、異性、偏載、坑中坑等基坑工程[2]。其中坑中坑這類特殊基坑工程，逐漸引起了學(xué)者們的關(guān)注。龔曉南[3]系統(tǒng)總結(jié)了基坑工程設(shè)計與施工的幾點(diǎn)思考，并呼吁要重視坑中坑對于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響；李連祥等[4]應(yīng)用Plaxis 3D 有限元分析軟件研究了不同開挖距離以及空間效應(yīng)影響下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律；陳樂意等[5]重點(diǎn)研究了坑中坑的計算深度及內(nèi)外坑間距對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響；侯新宇等[6]開展了坑趾系數(shù)對于坑中坑變形特性的敏感性分析；王新[7]開展了臺寬比對于坑中坑變形特性的敏感性分析；申明亮等[8]提出了面積比、深度比、坑趾系數(shù)及擋墻插入比4 個參數(shù)，并進(jìn)行了坑中坑應(yīng)力場的參數(shù)化分析；孫毅等[9]提出了虛擬開挖線和功能土體的概念，并用以分析坑中坑地層變形的力學(xué)機(jī)理。以上研究均局限于基坑變形的某單項(xiàng)反應(yīng)特征，但坑中坑基坑的變形是復(fù)雜的，是受多因素影響和有多方面表現(xiàn)特征的，這些研究缺乏對于坑中坑不同空間形態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)性總結(jié)，也缺乏對于基坑變形特性的綜合分析。

本文結(jié)合工程實(shí)例，引入基坑變形影響范圍、地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移3 項(xiàng)變形特征指標(biāo)，采用數(shù)值計算法和參數(shù)影響分析法深入探究坑中坑基坑空間形態(tài)對于坑中坑變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，找出坑中坑最優(yōu)空間關(guān)系。

1 工程案例與計算模型

1.1 工程概況

南昌艾溪湖隧道工程穿越艾溪湖中部，全長2 664 m，采用圍堰明挖法施工，因隧道主體為公軌疊層共建結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了典型的坑中坑基坑型式，上部為市政公路隧道基坑，下部為預(yù)埋地鐵廊道基坑[10]。

1.2 坑中坑設(shè)計參數(shù)

由于坑中坑基坑變形特性多變且復(fù)雜，會受到內(nèi)外坑大小、相對位置及圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度等空間形態(tài)特征因素影響，本文參照上述工程案例，對研究問題適當(dāng)簡化，總結(jié)如下坑中坑空間形態(tài)和變形特性參數(shù)，詳見圖1。

1）影響因子：能夠表現(xiàn)坑中坑空間形態(tài)關(guān)系的特征要素，主要為內(nèi)外坑基坑大小、相對位置和圍護(hù)結(jié)構(gòu)長度[11]，本文分別引入尺寸影響因子（α），位置影響因子（ε）和圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響因子（ξ）表達(dá)坑中坑這3 方面空間形態(tài)特征，具體各參數(shù)因子釋義見表1。

表1 坑中坑空間形態(tài)特征要素影響因子Tab.1 Influence factors of pit in pit spatial morphological characteristics

2）反應(yīng)因子：能夠反映不同坑中坑空間形態(tài)對于基坑變形特性影響的特征要素，本文選取基坑地表沉降影響范圍（L），最大地表沉降值（Smax）和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移（Ymax）3 項(xiàng)變形特性指標(biāo)作為反應(yīng)因子，具體各反應(yīng)因子釋義見圖1。

圖1 坑中坑空間形態(tài)及變形特性示意圖Fig.1 Cross section view of spatial morphology and deformation characteristics of pit in pit

1.3 數(shù)值計算模型

表2 土層參數(shù)表Tab.2 Calculation parameters of soil layer

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表Tab.3 Building envelope parameters list

表4 支撐計算參數(shù)表Tab.4 Supporting structure parameters list

圖2 坑中坑數(shù)值計算模型Fig.2 The numerical calculation model of pit-in-pit

2）基準(zhǔn)模型與初始模型：為研究多個變量對于基坑變形特性的影響，采用控制變量法進(jìn)行分析，需分別設(shè)置基準(zhǔn)模型和初始模型。基準(zhǔn)模型：選取艾溪湖隧道坑中坑標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計參數(shù)作為模型參數(shù)；初始模型：選取基準(zhǔn)模型外坑參數(shù)作為模型參數(shù)，內(nèi)坑各項(xiàng)參數(shù)為0（表示無內(nèi)坑作用時計算模型），具體各參數(shù)設(shè)置見表5。

表5 基準(zhǔn)模型與初始模型坑中坑設(shè)計參數(shù)Tab.5 The pit in pit design parameters of baseline model and initial model m

3）基坑變形影響率：為綜合分析各坑中坑空間形態(tài)參數(shù)對于基坑變形特性的敏感性，引入基坑變形影響率βi，βi=Δδ/δ0。其中：i=1，2，3；Δδ 為各實(shí)驗(yàn)組相對于初始模型基坑變形的增量；δ0表示初始模型的基坑變形量。βi計算取值見表6，其中Smax0，Ymax0為基準(zhǔn)模型的計算結(jié)果。

表6 基坑變形影響率計算表Tab.6 The calculation table of deformation influence

基于以上模型參數(shù)，經(jīng)過數(shù)值計算可得到基準(zhǔn)模型和初始模型的計算結(jié)果見表7。

表7 基準(zhǔn)模型與初始模型坑中坑變形特性計算結(jié)果Tab.7 The calculation results of pit in pit deformation characteristics (baseline model and initial model)

2 坑中坑土體開挖變形機(jī)理

坑中坑的開挖變形特性主要與應(yīng)力場變化以及基坑圍護(hù)和坑臺土體的約束作用密切相關(guān)[14-15]。

2.1 坑中坑開挖卸載應(yīng)力場變化

坑中坑工程的空間形態(tài)與施工特點(diǎn)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)基坑，開挖卸載引起的土體應(yīng)力場變化也比傳統(tǒng)基坑更復(fù)雜，具體為內(nèi)外坑分兩階段開挖引起了坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和擾動區(qū)土體應(yīng)力變化，進(jìn)而引起基坑變形。

如圖3，圖4，當(dāng)?shù)? 階段外坑開挖時，開挖區(qū)1土體卸載，外坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生坑內(nèi)側(cè)向位移，引起擾動區(qū)1 土體水平應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力基本保持不變，擾動區(qū)2 和擾動區(qū)3 土體上部卸載，豎向應(yīng)力減小，水平應(yīng)力也適當(dāng)減小；當(dāng)?shù)? 階段內(nèi)坑開挖時，內(nèi)外坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生坑內(nèi)側(cè)向位移，擾動區(qū)1土體仍舊保持水平應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力基本不變，擾動區(qū)2 土體側(cè)向卸載，水平應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力基本不變，擾動區(qū)3 土體上部卸載，豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力均有所減小[16]。區(qū)別于傳統(tǒng)單坑基坑，坑中坑基坑第2 階段內(nèi)坑開挖使得內(nèi)外坑支護(hù)墻體間土體由第1 階段外坑開挖時的主動區(qū)變?yōu)榱藘?nèi)坑開挖時的主動區(qū)，引起了外坑支護(hù)墻體被動土壓力（Ep）減小，而內(nèi)坑支護(hù)墻體的主動土壓力（Ea'）增大[17]，Ep的減小和Ea'的增大與坑中坑的空間形態(tài)特征密切相關(guān)，Ep和Ea'的應(yīng)力場變化最終會反映到坑中坑的變形特征上。圖4 中Ep，Ep'分別為外坑，內(nèi)坑的被動土壓力；Ea，Ea'分別為外坑，內(nèi)坑的主動土壓力；Fi為支撐軸力。

圖3 坑中坑開挖應(yīng)變場變化區(qū)域劃分示意圖Fig.3 Regional division of strain field change caused by pit-in-pit excavation

圖4 坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力示意圖Fig.4 Stress diagram of pit-in-pit support structure

2.2 “功能土體”的約束作用

坑中坑的變形特性由于內(nèi)外坑開挖卸載使得未開挖土體的應(yīng)力場重新分布和未開挖土體對于圍護(hù)墻體產(chǎn)生不同約束作用所引起的。內(nèi)坑開挖降低了外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)處在內(nèi)坑開挖深度范圍內(nèi)這部分土體的約束作用，但并未完全解除這部分土體的約束作用。為了更清晰地表示這部分土體的約束作用，引用孫毅[12]提出的“功能土體”的概念，因空間形態(tài)關(guān)系的不同“功能土體”表現(xiàn)出不同的約束作用，具體可細(xì)分為以下3 種類型：①梯形分布；②強(qiáng)三角形分布；③弱三角形分布[8]。

“功能土體”的高度（Hb-Ha）與H2，D，θ 直接相關(guān)，這直接反映在坑中坑的空間形態(tài)參數(shù)及地層參數(shù)上。同時另一方面內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度也表現(xiàn)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力，有效的坑中坑支護(hù)體系亦可對未開挖土體的產(chǎn)生一定約束[18]。

3 不同空間形態(tài)坑中坑變形特性參數(shù)分析

3.1 基坑相對大小對于坑中坑變形的影響分析

基坑的相對大小主要表現(xiàn)為坑中坑內(nèi)外坑的相對寬度和深度，為了研究這兩個因素對于坑中坑變形特性的影響，基于基準(zhǔn)模型分別調(diào)整內(nèi)坑寬度（為避免臺寬變化影響，保持左側(cè)臺寬不變，變形特性取左側(cè)土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算取值）和深度（為避免內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度影響，保證深度變化時內(nèi)坑基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比不變），進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果見表8 和表9。

由表8，表9 可知，在臺寬不變，基坑內(nèi)外坑支護(hù)穩(wěn)定時，基坑的相對寬度對于坑中坑變形特性基本未產(chǎn)生影響，基坑的地表沉降影響范圍和最大沉降值與基準(zhǔn)模型計算結(jié)果一致，僅圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移隨著基坑相對寬度增大而緩慢增加；基坑的相對深度對于坑中坑變形特性基產(chǎn)生顯著影響，基坑的地表沉降影響范圍、最大地表沉降值及圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移均隨著基坑相對深度的增加而顯著增大。這種變化情況主要是由于基坑相對深度增加，“功能土體”逐漸表現(xiàn)從梯形分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿跞欠植迹棺冃文芰档停?dāng)基坑臺寬一定且支護(hù)足夠穩(wěn)定，基坑相對寬度對“功能土體”高度基本無影響，因而未表現(xiàn)出很明顯的變形特征。

表8 基坑相對寬度對于坑中坑變形的參數(shù)分析結(jié)果Tab.8 Analysis results of influence of parameters on deformation of pit-in-pit caused by relative width of foundation pit

表9 基坑相對深度對于坑中坑變形的參數(shù)分析結(jié)果Tab.9 Analysis results of influence of parameters on deformation of pit-in-pit caused by relative depth of foundation pit

3.2 基坑相對位置對于坑中坑變形的影響分析

基坑的相對位置可通過坑中坑趾腳系數(shù)進(jìn)行表達(dá)，為了研究此因素對于坑中坑變形特性的影響，基于基準(zhǔn)模型調(diào)整內(nèi)坑臺寬（取左側(cè)臺寬進(jìn)行模型調(diào)整計算和結(jié)果取值），進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果見表10。

由表10 可知，基坑的相對位置對于坑中坑變形特性也產(chǎn)生了較大影響，基坑的地表沉降影響范圍、最大地表沉降值及圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移均隨著基坑趾腳系數(shù)的增加而逐漸減小，且變化速率逐漸減小，變形值逐漸趨于穩(wěn)定。這種變化情況主要是由于基坑趾腳系數(shù)增加，“功能土體”逐漸表現(xiàn)從弱三角分布轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪畏植迹棺冃文芰υ鰪?qiáng)。

表10 基坑相對位置對于坑中坑變形的參數(shù)分析結(jié)果Tab.10 Analysis results of influence of parameters on deformation of pit-in-pit caused by relative position of foundation pit

3.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對于坑中坑變形的影響分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比主要為坑中坑內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比和外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比，為了研究這兩個因素對于坑中坑變形特性的影響，基于基準(zhǔn)模型分別調(diào)整內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度，進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果見表11，表12。

表11 基坑外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對于坑中坑變形的參數(shù)分析結(jié)果Tab.11 Analysis results of influence of parameters on deformation of pit-in-pit caused by insertion ratio of outer pit enclosure structure of foundation pit

表12 基坑內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對于坑中坑變形的參數(shù)分析結(jié)果Tab.12 Analysis results of influence of parameters on deformation of pit-in-pit caused by insertion ratio of inner pit enclosure structure of foundation pit

由表11，表12 可知，基坑的內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對于坑中坑變形特性也產(chǎn)生了一些影響，影響主要體現(xiàn)在當(dāng)內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度不足時，隨著內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比的增加，基坑的地表沉降影響范圍、最大地表沉降值及圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移逐漸減小，當(dāng)內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到適當(dāng)?shù)牟迦肷疃龋ㄇ彝饪訃o(hù)結(jié)構(gòu)插入比影響效果更大，內(nèi)坑圍護(hù)插入比僅對圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移產(chǎn)生了影響，對地表沉降影響范圍和最大沉降值基本無影響），基坑穩(wěn)定時，隨著插入比增加，坑中坑變形特性基本維持穩(wěn)定。這種變化情況的原因主要是有效的坑中坑支護(hù)體系可對未開挖土體的產(chǎn)生約束，進(jìn)而對坑中坑的變形特征產(chǎn)生影響，初期支護(hù)不足，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)抗變形能力增強(qiáng)，基坑變形特性逐漸減小，而當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠深度時，基坑變形已達(dá)到穩(wěn)定，隨著圍護(hù)深度繼續(xù)增加不再引起基坑變形特征的進(jìn)一步變化。

3.4 參數(shù)敏感性分析

綜合以上各坑中坑空間形態(tài)特征參數(shù)影響因子對于基坑變形特性反應(yīng)因子的計算結(jié)果，研究分析各個參數(shù)因子對于坑中坑3 項(xiàng)變形特性（包含地表沉降影響范圍、地表最大沉降值和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移）的敏感性，具體如圖5，圖6 和圖7 所示。

圖5 地表沉降影響范圍參數(shù)敏感性分析曲線Fig.5 The parametric sensitivity analysis curve of the influence range of surface subsidence

圖6 地表沉降最大沉降值參數(shù)敏感性分析曲線Fig.6 The parametric sensitivity analysis curve of the maximum settlement value of surface subsidencee

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值參數(shù)敏感性分析曲線Fig.7 The parametric sensitivity analysis curve of the maximum horizontal displacement of envelope structure

由以上各坑中坑空間形態(tài)影響因子對于3 個基坑變形特性反應(yīng)因子敏感性分析曲線不難看出，影響坑中坑變形特性的空間形態(tài)特征影響因子敏感性關(guān)系為：相對深度＞相對位置＞外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比＞內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比＞相對寬度。

4 結(jié)論

1）影響坑中坑變形特性的空間形態(tài)特征主要為：相對大小，相對深度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比，可分別利用內(nèi)外坑深度比，寬度比，趾腳系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比等影響因子來進(jìn)行表述；

2）坑中坑變形特性的各空間形態(tài)特征影響因子敏感性關(guān)系為：相對深度＞相對位置＞外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比＞內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比＞相對寬度；

3）進(jìn)行坑中坑工程設(shè)計與施工時，可基于坑中坑空間形態(tài)關(guān)系，優(yōu)化內(nèi)坑位置，合理設(shè)計內(nèi)坑深度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比，維持適當(dāng)臺寬，充分發(fā)揮內(nèi)外坑支護(hù)及坑臺土體的約束作用，可在保證坑中坑基坑安全性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)支護(hù)最優(yōu)設(shè)計。