連續(xù)基坑群開挖的影響效應(yīng)研究

陳湘桂，張雪松，黃林沖

(1．湖南省勘測設(shè)計院，湖南 長沙410014;2．廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州511483;3．中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州510275)

在狹窄的場地內(nèi)開挖基坑群不僅會給支護設(shè)計帶來很大困難，也會對臨近建筑的安全使用及周邊基坑的穩(wěn)定性造成很大威脅［1－3］。本文針對廣州動車基地三級檢修庫內(nèi)1，2和3號基坑開挖對周邊環(huán)境及自身的影響進行分析，結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析和研究基坑施工中各種因素對相鄰坑及建筑的影響作用，從而做到信息化施工，有效地保護周邊環(huán)境。

1 工程概況

基坑工程位于廣州動車基地已竣工的3級檢修庫內(nèi)，為安裝設(shè)備基礎(chǔ)而建設(shè)。本項目由18個分離的基坑組成，每1組基坑均從兩側(cè)向中部開挖，各基坑均為矩形布置，每個基坑的開挖深度約9．2 m。本文研究的基坑群南側(cè)緊靠已建的83股道既有基坑群，既有基坑群深度約5．8 m，對變形的要求也非常嚴格，位移過大后果非常嚴重。基坑群北側(cè)緊鄰已建管樁基礎(chǔ)承臺，其距管樁基礎(chǔ)的承臺最小距離不足2 m，施工空間狹小，對工程施工影響相當(dāng)敏感，要求廠房的基礎(chǔ)及83股道既有基坑群控制水平位移不大于10 mm，控制豎向位移不大于15 mm。因此，必須在施工過程中嚴格控制土體的變形，確保已建管樁基礎(chǔ)的安全和正常使用。

2 有限元模型建立

本文使用MADIX二維有限元分析軟件，通過模擬廣州動車基地3級檢修庫內(nèi)的1，2和3號基坑不同的開挖順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)深層位移及地表沉降的影響情況。

2．1 開挖工況及參數(shù)設(shè)置

為了使得模擬結(jié)果更有實際意義，本次模擬中土體的各項參數(shù)均采用勘察報告中所提供的數(shù)據(jù)，其基坑分布如圖1所示，通過模擬1，2和3號基坑順序開挖;1，3和2號基坑依次順序開挖;1和3號基坑先同時開挖再開挖2號基坑;2號基坑先開挖再同時開挖1和3號基坑這4種不同的開挖情況來對比分析。支護結(jié)構(gòu)各項參數(shù)與設(shè)計圖紙及實際施工過程中參數(shù)相同，土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 各基坑分布圖Fig．1 Distribution of foundation pits

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2．2 模型的建立

建立的模型如圖2所示。

圖2 所有基坑開挖完成之后的計算模型Fig．2 Simulation model after all excavation

3 連續(xù)基坑開挖影響效應(yīng)研究

3．1 不同開挖順序?qū)Σ煌恢蒙顚游灰朴绊懛治?/h3>

通過調(diào)整1，2和3號基坑內(nèi)土體的不同順序，來達到對開挖順序的調(diào)整，得出不同開挖順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)側(cè)向變形沿深度方向分布情況如圖3所示。

有限元模擬得出的支護結(jié)構(gòu)深層位移如圖3所示，通過對3個基坑不同部位的數(shù)據(jù)對比分析可以得出:CX－5和CX－6的位移量大于CX－3和CX－2的位移量;CX－3和CX－2的位移量大于CX－1和CX－4的位移量，且最大位移都在7～7.5 m處。即:連續(xù)基坑開挖支護結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在外圍基坑靠外邊處，最小位移出現(xiàn)在外圍基坑靠內(nèi)邊處，中間基坑的變形相對較小。

3．2 不同開挖順序?qū)ο嗤恢蒙顚游灰朴绊懛治?/h3>

3．2．1 對外圍基坑外邊側(cè)的影響

通過對不同開挖順序造成的外圍側(cè)圍護結(jié)構(gòu)深層位移CX－5和CX－6的位移量進行對比分析，得出不同開挖順序外圍基坑外邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形情況如圖4所示。

圖3 不同開挖順序支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形沿深度方向分布圖Fig．3 Lateral deformation distributions of supporting structure along the direction of depth with different excavation sequence

圖4 不同開挖順序外圍基坑外邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig．4 Lateral deformation distributions of lateral supporting structure outside of foundation pit with different excavation sequence

由圖4可見:不同的開挖順序形成的外側(cè)邊基坑外邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形曲線基本重合，說明不同的開挖順序?qū)ν鈬油膺厒?cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形基本沒有影響。

3．2．2 對外圍基坑內(nèi)邊側(cè)的影響

通過對不同開挖順序造成的外圍側(cè)圍護結(jié)構(gòu)深層位移CX－1和CX－4的模擬位移量進行對比分析，得出不同開挖順序外圍基坑內(nèi)邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形情況如圖5所示。

圖5 不同開挖順序外圍基坑內(nèi)邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig．5 Lateral deformation distributions of medial supporting structure outside of foundation pit with different excavation sequence

結(jié)果表明:不同的開挖順序形成的外側(cè)邊基坑內(nèi)邊側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有一定的影響，其中先開挖兩側(cè)基坑時對內(nèi)側(cè)對外圍基坑靠內(nèi)側(cè)支護結(jié)構(gòu)影響最大［4］;依次順序開挖后的外圍基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)也有一定的影響，其位移量都為縮小趨勢。

3．2．3 對內(nèi)部基坑圍護結(jié)構(gòu)影響分析

通過對不同開挖順序造成的外圍側(cè)圍護結(jié)構(gòu)深層位移CX－2和CX－3的模擬位移量進行對比分析，得出不同開挖順序內(nèi)部基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形情況如圖6所示。

圖6 不同開挖順序內(nèi)部基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig．6 Lateral deformation distributions of supporting structure inside of foundation pit with different excavation sequence

由圖6可以看出:不同的開挖順序形成的內(nèi)部基坑支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有一定的影響，其中先開挖兩側(cè)基坑時對內(nèi)側(cè)對外圍基坑靠內(nèi)側(cè)支護結(jié)構(gòu)影響最大，同時，依次順序開挖后的內(nèi)側(cè)基坑靠先開挖遠端的影響也較大，且為增大位移的作用。

3．3 后開挖基坑對先開挖坑支護結(jié)構(gòu)變形研究

3．3．1 連續(xù)開挖對1號坑支護的變形研究

同過對比1，2和3號基坑順序開挖過程中，數(shù)值模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)繪制出CX－5和CX－1的圍護結(jié)構(gòu)深層位移(圖7)來分析連續(xù)開挖對先開挖坑產(chǎn)生的增量。

圖7 連續(xù)開挖1號基坑圍護結(jié)構(gòu)深層位移Fig．7 Deep deformation of supporting structure when foundation pits No．1 under continuous excavation

從圖中可以看出:CX－1隨著開挖的進行其位移量逐漸減小，而CX－5隨著開挖的進行其位移量逐漸增大，即順序開挖外圍基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量逐漸增大，而外圍基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量逐漸減?。?］。

同時對CX－1和CX－5位移增量挑選出來進行對比分析，得出位移增量情況如圖8所示。

圖8 連續(xù)開挖1號基坑圍護結(jié)構(gòu)深層位移增量Fig．8 Deep deformation increments of supporting structure when foundation pits No．1 under continuous excavation

從圖中可以看出:CX－5的位移增量值小于CX－1的位移增量值，即順序開挖外圍基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量增大值小于外圍基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量減少值，說明順序開挖的過程中對內(nèi)側(cè)的影響較大。

3．3．2 1－3－2號基坑依次開挖對1號基坑支護變形研究

同過對比1，3和2號基坑順序開挖過程中，數(shù)值模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)繪制出CX－1的圍護結(jié)構(gòu)深層位移(圖9)來分析連續(xù)開挖對先開挖坑產(chǎn)生的增量。

圖9 1－3－2號基坑次序開挖1號基坑圍護結(jié)構(gòu)深層位移Fig．9 Deep deformation of supporting structure in foundation pits No．1 when the pits excavation sequence is 1－3－2

從圖中可以看出:CX－1隨著開挖的進行其位移量逐漸減小，而CX－5隨著開挖的進行其位移量逐漸增大，即1，3和2號基坑順序開挖外圍基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量逐漸增大，而外圍基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量逐漸減小。這與順序開挖所得出的結(jié)論相符合。

同時對CX－1和CX－5位移增量挑選出來進行對比分析，得出位移增量情況如圖10所示。

圖10 1，3和2號基坑次序開挖1號基坑圍護結(jié)構(gòu)深層位移增量Fig．10 Deep deformation increments of supporting structure in foundation pits No．1 when the pits excavation sequence is 1－3－2

從圖中可以看出:CX－5的位移增量值小于CX－1的位移增量值，即順序開挖外圍基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量增大值小于外圍基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖的進行位移量減少值，說明順序開挖的過程中對內(nèi)側(cè)的影響較大。與順序開挖所得出的結(jié)論相符合。

圖11 不同開挖次序1號基坑圍護結(jié)構(gòu)深層位移增量Fig．11 Deep deformation increments of supporting structure in foundation pits No．1 under different excavation sequences

通過圖11可以看出:隨著先開挖基坑的開挖完成，后開挖基坑對先開挖基坑有一定的影響，且離新近開挖區(qū)近的圍護結(jié)構(gòu)深層位移較大些，但不同的開挖順序?qū)ξ灰圃隽康目傊当容^接近。

3．3．3 先開挖1和3號基坑對1和3號基坑內(nèi)側(cè)支護變形研究

先開挖1和3號基坑對1和3號基坑內(nèi)側(cè)支護的增量研究，通過對比先開挖1和3號基坑，后開挖2號基坑這一情況，2號基坑開挖過程對1和3號基坑產(chǎn)生的位移增量進行對比分析如圖12所示。

圖12 開挖1、3號基坑外圍基坑內(nèi)側(cè)支護位移Fig．12 Deformation distributions of medial supporting structure under excavation of outside foundation pits No．1＆ 3

2號基坑開挖的過程中同時引起1和3號基坑靠近2號基坑側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形減少，也就是說，隨著2號基坑的開挖1和3號基坑的圍護結(jié)構(gòu)均有向2號基坑位移的趨勢。

3．3．4 先開挖中間基坑對中間基坑支護位移變形研究

先開挖中間基坑對中間基坑支護位移的增量研究，通過對比先開挖2號基坑，然后同時開挖1和3號基坑這一情況，1和3號基坑開挖過程對2號基坑產(chǎn)生的位移增量進行對比分析，如圖13所示。

從圖13可以看出:先開挖兩側(cè)基坑后開挖中部基坑對基坑自身的影響要較明顯一些，根據(jù)上述章節(jié)的分析，我們可以知道這種變化使得圍護結(jié)構(gòu)的位移減小的，對基坑是有利的。

圖13 不同的開挖次序引起的支護結(jié)構(gòu)深層位移增量Fig．13 Deep deformation increments of supporting structure under different excavation cases

3．4 不同的開挖順序?qū)χ苓叺乇沓两档挠绊懛治?/h3>

通過對比不同情況下，3個基坑均已開挖完成的情況下，引起的周邊地表沉降的總的位移量來進行對比分析。同時由于工業(yè)廠房內(nèi)空間的狹小性，3倍的開挖深度范圍往往已經(jīng)到廠房之外，所以外圍沉降范圍只分析到1倍開挖深度范圍［6－8］。

圖14 不同開挖次序?qū)又苓叺乇沓两档挠绊慒ig．14 Effect of the ground deformation surrounding the foundation pits under different excavation cases

通過圖14中的沉降曲線圖可以看出:最終沉降量基本相同，說明不同的開挖工況對地表沉降的最終變形量基本沒有影響。

4 結(jié)論

(1)連續(xù)基坑開挖支護結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在外圍基坑靠外邊處，最小位移出現(xiàn)在外圍基坑靠內(nèi)邊處，中間基坑的變形相對較小。

(2)先開挖兩側(cè)基坑后開挖中部基坑對基坑自身的影響要較明顯一些，且其影響會使得基坑工程施工向偏于安全的方向發(fā)展。

(3)連續(xù)基坑開挖過程中易引起周邊土體向正在開挖的基坑方向位移，而且有一定的累加作用。

(4)不同的開挖順序?qū)ν鈬油膺厒?cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及地表沉降基本沒有影響。

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