考慮空間效應的深長基坑圍護結構受力與變形分析

邱力杰，尹平保，王禮華，史豪杰，陳卓異

（1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031；3.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410021）

隨著中國城市地下空間開發與施工水平的提高，大型地鐵車站與長距離明挖隧道等深長基坑工程不斷出現。和普通基坑相比，深長基坑的長度、寬度更大，且在施工過程中，為增加施工斷面，常采用分段、分層的方式進行開挖。在施工設計過程中，也常將基坑簡化為平面進行計算。但深長基坑在開挖面附近的土應力與其余位置的土應力有很大區別，其圍護結構的受力與變形存在明顯的空間效應。若將深長基坑簡化為二維平面進行分析，顯然無法準確地反映深基坑的受力與變形的實際情況。因此，有必要考慮基坑的空間效應，對其圍護結構進行重新設計。

基坑的空間效應是指由于基坑與其支護體系受力狀態的不同，使基坑不同位置的支護結構與受力變形間相互影響，進而發生改變的性質［1］。目前，學者們主要使用實測數據分析［2-5］、理論計算［6-8］及數值模擬［9-10］等手段，對基坑空間效應進行研究，其研究對象大多是方形、長條形或異形基坑。其中，大型深長基坑多采用分段、分層的方式進行開挖［11］，對采用分段式開挖的深長基坑工程進行空間效應分析的研究相對較少。楊麗春等［12］以超長基坑為研究對象，考慮其基坑空間效應，分析了開挖方式與開挖長度對基坑圍護結構變形及坑底隆起的影響。吳志敏等［13］分別采用分段、分層開挖的方式，建立了開挖平面為20 m×20 m的基坑數值模型，揭示了在空間效應影響下，深長基坑的變形特點及土釘軸力變化規律。一些學者還對基坑空間效應的影響因素進行研究。俞曉等［14］通過建立不規則超大深基坑的數值模型，研究了內支撐對基坑空間效應的影響。劉念武等［15］分析了現場實測數據，研究了在不同基坑圍護形式下，基坑圍護結構變形及周邊地表沉降的空間效應。俞建霖等［16］研究了基坑尺寸大小對空間效應的影響規律，確定了基坑的臨界長寬比。該臨界長寬比能決定基坑空間效應的作用范圍。FINNO［17］通過分析150個基坑的數值模型，得到了基坑長寬比、長度與開挖深度比、圍護系統剛度及基坑底抗隆起安全系數4個影響基坑空間效應的主要因素。OU等［18］基于三維基坑模型中長邊圍護結構變形的最大值與二維模型中圍護結構變形最大值之比，研究了基坑長寬比與距坑角間距對基坑變形的影響。

綜上所述，目前對于基坑空間效應的研究多集中在方形或異形基坑的坑角效應分析方面，研究者大多關注基坑設計尺寸大小、基坑施工時序、圍護結構剛度等因素對基坑的空間效應影響。采用分段開挖方式進行開挖的深長基坑，在開挖面位置的圍護結構上，主要依靠土體與鄰近支撐體系來維持其穩定，這與具有較大系統剛度的基坑坑角處的情況有較大區別。因此，對于分段開挖的深長基坑，很有必要開展其圍護結構在各影響因素下的受力及變形分析。本研究針對深圳市公常路下穿改造工程深基坑開挖，通過開展現場監測和數值模擬，以圍護結構樁體水平位移、圍護樁彎矩及周邊地表沉降值作為控制指標，分析該基坑周邊超載、圍護樁樁徑以及鋼支撐預加力等因素對基坑空間效應的影響。

1 工程概況

深圳市公常路中山大學深圳校區段下穿改造工程位于深圳市光明區新湖街道，全長為3.56 km，其所在區域土體主要由雜填土、有機質黏土、中砂、砂質黏性土、全風化混合花崗巖、強風化混合花崗巖等組成。選取其K2+000～K2+120段基坑進行研究。該基坑長為120.0 m，寬為29.0 m，開挖深度為17.5 m。圍護結構采用樁徑為1.2 m，樁間距為1.5 m的鉆孔灌注樁，0.8 m旋噴樁進行樁間咬接和止水。內支撐結構采用三道支撐，其中，第一道為砼支撐，其水平間距為9.0 m；第二道和第三道均采用鋼支撐，其水平間距均為3.0 m。在該基坑中間，設置520 mm×520 mm的鋼格構立柱，該基坑圍護結構斷面如圖1所示。采用明挖順作法進行基坑施工，對基坑分段、分層開挖，其中，分段長度約為20.0～30.0 m，分層高度約為6.0 m。在開挖過程中，對圍護樁掛網噴射混凝土護面，開挖至設計高程后，及時架設鋼支撐并施加預加軸力。

圖1 基坑圍護結構（單位：m）Fig.1 Schematic of propping structure of excavation（Unit：m）

2 圍護結構受力與變形數值模擬分析

2.1 計算模型建立及參數設置

采用Midas GTS有限元軟件，對K2+000～K2+120段深基坑的開挖過程進行數值模擬。基坑及其圍護模型如圖2所示。該數值模型的尺寸大小為130 m×170 m×50 m，其中，基坑數值模型的尺寸大小為29 m×116 m×25 m，基坑開挖深度為17.5 m，支護樁嵌固深度為7.5 m。采用梁單元模擬冠梁、砼支撐、鋼支撐、鋼圍檁、立柱樁等；采用板單元模擬圍護排樁。考慮該工程的特點，按修正等剛度法［19］將咬合排樁等效為0.93 m厚的板；采用HS實體單元模擬基坑周圍土體。對模型四周施加邊界約束，對開挖基坑無支撐面施加法向位移約束。整個數值模型共127 506個單元，74 198個節點。考慮施工車輛對基坑的影響，在坑頂地表施加20 kPa的均布荷載。各土層材料參數見表1。在表1中，γunast為有效土重度，Eref50為三軸切線模量，Erefoed為固結切線模量，Erefur為卸載再加載切線模量，c為黏聚力，?為內摩擦角；CL1表示人工填土；CL2表示有機質黏土；CL3表示中砂；CL4表示砂質黏性土；CL5表示全風化混合花崗巖；CL6表示土狀強風化混合花崗巖。模型計算工況與實際開挖工況一致，具體施工模擬步驟見表2。

表1 土層參數設置表Table 1 Table of soil parameters

表2 施工模擬步驟Table 2 Construction simulation steps

圖2 基坑支撐結構及圍護結構模型Fig.2 Model of support structure and propping structure of excavation

2.2 數值模擬與監測結果對比

采用自動化監測手段對基坑圍護樁的樁體水平位移及地表沉降進行監測，測點布置平面和斷面分別如圖3～4所示。

圖3 測點布置平面Fig.3 Plan view of layout of monitoring points

圖4 測點布置斷面Fig.4 Sectional view of layout of monitoring points

將圖3中開挖面附近的樁體水平位移測點SCX33及基坑中段測點SCX34的水平位移監測結果及數值模擬結果繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 SCX33、SCX34樁體水平位移的變化曲線Fig.5 Horizontal displacement curves of SCX33 and SCX34

從圖5可以看出，SCX33及SCX34監測點的樁體水平位移與有限元模型模擬的數值較接近，表明數值模擬結果能較好地反映實際工程中圍護結構的變形情況。其中，最大樁體水平位移監測值均略大于最大模擬值，這是因為該有限元模型將圍護樁等效為地下連續墻進行計算，使得模型的圍護結構的整體穩定性更好。對比SCX33及SCX34監測點的樁體水平位移監測值，發現SCX33各深度的樁體水平位移值均小于SCX34的，這是因為開挖面附近未開挖土體與支撐共同作用于基坑圍護結構，圍護結構變形在開挖面附近的空間效應較為明顯。

將圖3中開挖面附近樁體水平位移測點SDB35及基坑中段測點SDB36的水平位移的監測結果及數值模擬結果繪制成曲線，如圖6所示。

圖6 SDB35、SDB36地表沉降變化曲線Fig.6 Ground surface settlement curves of SDB35、SDB36

從圖6可以看出，SDB35及SDB36監測點的監測結果與數值模擬結果的變化趨勢基本一致，其地表沉降最大值的出現位置均在距基坑邊11 m附近。SDB35及SDB36監測點的地表沉降監測結果均略大于對應位置的有限元模擬結果，這是由于實際工程中基坑周邊不確定荷載較復雜，有限元模型中無法考慮到所有的周邊荷載。

從圖6中還可以看出，在基坑空間效應的影響下，開挖面附近地表沉降均小于基坑中部的地表沉降。

3 影響因素分析

3.1 影響因素分析方案

為探討在空間效應影響下，地面超載、圍護樁樁徑及鋼支撐預加力三因素對基坑圍護結構變形、樁身彎矩及地表沉降的影響，制定影響因素分析方案，結果見表3。在表3中，當僅針對某一影響因素進行分析時，僅以該影響因素的參數作為單一變量，其余參數設置與基坑及圍護模型參數一致。表3及后續研究均基于基坑開挖土層至基坑底的工況7展開。

表3 影響因素分析方案表Table 3 Scheme of parameters analysis

3.2 地面超載的影響

將不同超載情況下，該模型長邊中部及端部各控制指標的變化曲線進行對比，結果分別如圖7～9所示。

圖7 不同超載下圍護結構樁體的水平位移Fig.7 Horizontal displacement of retaining structure under different surcharge

從圖7可以看出，基坑周邊超載對基坑不同位置的圍護結構變形均有較大影響。隨著周邊超載的增大，基坑開挖面以上的樁體水平位移逐漸增大，樁體最大水平位移的發生位置逐漸上移，支護樁變形曲線逐漸由“凸肚”形轉化為前傾形。在支護樁17.5 m深度以下，由于周邊土體對圍護樁的嵌固作用，支護樁變形較小。基坑端部樁體在不同超載下的水平位移均小于基坑中部的，地面超載的增大將提高空間效應對圍護結構變形的限制作用。

對比圖8（a）及圖8（b）的彎矩，可知：周邊超載的變化對基坑中部圍護結構彎矩的影響程度大于其對基坑端部圍護結構彎矩的影響程度。

圖8 不同超載下圍護結構彎矩Fig.8 Bending moment of retaining structure under different surcharges

從圖9可以看出，隨著周邊超載的增加，基坑周邊施加超載區域（距基坑0～20 m）的地表沉降在不斷增加，平均周邊超載每增加20 kPa，基坑長邊中部、端部的最大沉降點的沉降分別增加約8、4 mm。周邊超載的變化對基坑中部的地表沉降影響程度大于基坑端部的。由于基坑端部土體的約束，地表沉降表現出明顯的空間效應。

圖9 不同超載下周邊地表沉降變化情況Fig.9 Ground surface settlement under different surcharges

3.3 圍護樁樁徑的影響

為分析圍護樁樁徑對基坑空間效應影響，統計在不同樁徑下，圍護結構樁體水平位移、圍護結構彎矩及周邊地表沉降的計算結果，其對比曲線分別如圖10～12所示。

圖10 不同樁徑的圍護結構樁體的水平位移Fig.10 Horizontal displacement of retaining structure under different diameters of the fender pile

從圖10可看出，隨著圍護樁樁徑的增大，基坑端部及中部的樁體水平位移均逐漸減小，當樁徑增大到一定范圍后，其對基坑圍護結構變形控制的效果逐漸不明顯。在不同樁徑下，基坑中部及其端部的變形曲線基本一致，表明圍護樁樁徑的變化對基坑圍護結構變形的空間效應影響不大。

從圖11可以看出，支護樁樁徑的變化對圍護結構彎矩影響顯著。當圍護樁樁徑由0.6 m增至1.4 m時，基坑圍護結構長邊的中部與端部15.5 m深度處的彎矩差值分別為11.8、23.9、45.0、75.8和117.8 kN?m。因此，當圍護樁的樁徑大于0.8 m時，樁徑對圍護結構彎矩的影響較為明顯。

圖11 不同樁徑的圍護結構的彎矩Fig.11 Bending moment of retaining structure under different diameters of the fender pile

從圖12可看出，圍護樁樁徑變化對基坑周邊地表沉降影響較小。當樁徑由1.4 m減至0.6 m時，基坑中部周邊地表沉降最大值減小幅度僅為8.5%。在不同樁徑下，基坑中部及端部最大地表沉降量較近，圍護樁樁徑的變化對基坑空間效應影響程度較小。

圖12 不同樁徑的周邊地表沉降變化情況Fig.12 Ground surface settlement under different diameters of the fender pile

綜上所述，圍護樁樁徑的改變對圍護結構彎矩的空間效應影響顯著；對周邊地表沉降及圍護結構水平位移的空間效應影響不大。這是因為樁徑變化將直接導致圍護結構抗彎剛度的變化，使得圍護結構的彎矩隨之改變。而圍護結構位移、周邊地表沉降與支撐剛度及周邊土層參數等因素間均有諸多關聯，在支撐體系穩定的情況下，樁徑對其空間效應影響不突出。

3.4 鋼支撐預加力的影響

為分析鋼支撐預加力對圍護結構的影響，繪制在不同預加軸力下支護樁變形、圍護結構彎矩變化及周邊地表沉降變化曲線，分別如圖13～15所示。

圖13 不同預加力的圍護結構樁體的水平位移Fig.13 Horizontal displacement of retaining structure under different pre-axial loads

從圖13可以看出，隨著鋼支撐預加力的增大，圍護樁樁體水平位移逐漸減小，平均每增大10%鋼支撐預加軸力，基坑端部及中部樁體水平位移最大值減小約0.4 mm，鋼支撐預加力對基坑變形的空間效應影響不顯著。

從圖14可以看出，兩處圍護結構彎矩變形趨勢相近，隨著鋼支撐預加軸力的增大，基坑底19 m深度以下，嵌固段圍護結構的負彎矩的絕對值逐漸減小，在第一道鋼支撐位置的負彎矩的絕對值增大，第二道鋼支撐位置的正彎矩減小。在對兩個位置的彎矩圖進行對比后，可知：當鋼支撐預加力由0增加至80%的設計軸力值時，基坑中部、端部圍護結構最大正彎矩減小幅度分別為15.8%、4.8%，最大負彎矩絕對值的減小幅度分別為48.1%、39.7%。因此，鋼支撐預加力對圍護結構彎矩有一定影響，但其對圍護結構彎矩的空間效應作用效果不明顯。

從圖15可以看出，隨著鋼支撐預加軸力的增大，周邊地表沉降逐漸減小，平均每增大10%的設計值預加軸力，基坑端部、中部樁體水平位移最大值減小約為0.39、0.26 mm。這表明鋼支撐預加軸力的施加可以減小基坑周邊一定范圍內的地表沉降，但其對基坑周邊地表沉降的空間效應影響效果不明顯。

圖15 不同預加力的周邊地表沉降變化情況Fig.15 Ground surface settlement under different pre-axial loads

綜上所述，鋼支撐預加軸力的施加對基坑受力及變形的空間效應影響均不明顯，這是該工程因為在現有施工條件下，圍護結構及支撐體系已提供較有效的支撐，鋼支撐預加軸力對基坑圍護結構整體變形與受力影響均不大。

4 結論

本研究以深圳市公常路中山大學深圳校區段下穿改造工程K2+000～K2+120段基坑開挖過程為工程背景，采用Midas GTS有限元軟件，對基坑開挖過程進行模擬和計算，通過影響因素分析，得到以下結論：

1） 基坑周邊超載對圍護樁變形、彎矩及周邊地表沉降均有較顯著的影響；周邊超載的變化，對支護樁變形、樁身彎矩、支撐受力及周邊地表沉降的空間效應有明顯影響。

2） 圍護結構彎矩的空間效應受圍護結構樁徑影響顯著；樁徑對基坑周邊地表沉降及圍護結構水平位移空間效應的影響不明顯。

3） 對于該項目而言，通過調整鋼支撐預加軸力值對基坑變形、受力及周邊地表沉降的空間效應的影響均不顯著。