相鄰雙基坑同步開(kāi)挖相互影響

李成虎(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，福建福州　350002)

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相鄰雙基坑同步開(kāi)挖相互影響

李成虎
(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，福建福州350002)

摘要:以福州君臨盛世茶亭基坑和世茂國(guó)際中心基坑為研究對(duì)象，建立相鄰基坑開(kāi)挖的二維模型，土體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用HS本構(gòu)模型模擬，詳細(xì)研究相鄰雙基坑同步開(kāi)挖情況下的土體位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力響應(yīng)?？紤]不同間距對(duì)相鄰基坑開(kāi)挖性狀的影響，得到相鄰基坑開(kāi)挖的影響范圍。研究表明，相鄰基坑開(kāi)挖對(duì)遠(yuǎn)端圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑底隆起影響很小，基坑間距對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響大于基底隆起。

關(guān)鍵詞:相鄰雙基坑;數(shù)值模擬;隆起;性狀分析

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)密集及工程需要，相鄰基坑先后開(kāi)挖甚至同時(shí)開(kāi)挖逐漸成為常態(tài)。因此分析相鄰基坑開(kāi)挖的性狀，評(píng)價(jià)相鄰基坑開(kāi)挖對(duì)彼此的影響，對(duì)實(shí)際工程具有重要的參考意義。已有學(xué)者利用數(shù)值分析、實(shí)測(cè)監(jiān)控等方式對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)［1］用有限元軟件模擬某地下購(gòu)物中心的復(fù)雜深開(kāi)挖問(wèn)題。文獻(xiàn)［2］利用有限元軟件模擬同時(shí)開(kāi)挖的相鄰雙基坑，表明相鄰基坑的開(kāi)挖工序選擇能改善基坑的變形和受力性狀。文獻(xiàn)［3］通過(guò)對(duì)天津于家堡基坑工程群開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，表明基坑群的開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物的影響遠(yuǎn)比單個(gè)基坑大。文獻(xiàn)［4］采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控基坑群開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響。文獻(xiàn)［5］對(duì)上海地區(qū)兩個(gè)相鄰深大基坑同步開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，表明由于后開(kāi)挖基坑土體的開(kāi)挖，使得開(kāi)挖側(cè)的土體荷載減小，先開(kāi)挖基坑有整體向后開(kāi)挖基坑移動(dòng)的趨勢(shì)。兩基坑中間設(shè)置的分隔帶能夠有效減小兩個(gè)基坑同步開(kāi)挖產(chǎn)生的相互影響。文獻(xiàn)［6］研究不同間距情況下相鄰基坑開(kāi)挖的相互影響，總結(jié)出基坑間距在10～30 m變化時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形變化較大，大致呈線(xiàn)性關(guān)系。在30～50 m變化時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨變化幅度逐漸減小。

本文以福州君臨盛世茶亭基坑和世茂國(guó)際中心基坑為研究對(duì)象，模擬兩個(gè)基坑的開(kāi)挖施工過(guò)程，分析由基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的穩(wěn)定性、變形、對(duì)周?chē)h(huán)境的影響以及相鄰基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的相互影響問(wèn)題。

1　工程概況

君臨盛世茶亭基坑位于福州市八一七中路和地鐵1#線(xiàn)東側(cè)，北側(cè)為群眾路，東側(cè)緊靠福州世茂國(guó)際中心，南側(cè)為茶亭公園。該工程由一幢31層的高層建筑(剪力墻結(jié)構(gòu))和4～5層附樓(框架結(jié)構(gòu))組成，地下室為2．5層，采用PHC管樁獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)?；訄?chǎng)地標(biāo)高約為－0．70 m，主樓處開(kāi)挖標(biāo)高為－16．70 m，附樓開(kāi)挖標(biāo)高為－13．30 m，計(jì)算開(kāi)挖深度為12．6～17．6 m，總支護(hù)周長(zhǎng)為310 m?；硬捎秒p排H700× 300型鋼+3道錨索的支撐形式。福州世茂國(guó)際中心位于福州市臺(tái)江區(qū)廣達(dá)路，場(chǎng)地東臨廣達(dá)路，北靠群眾路，南為茶亭公園，西側(cè)為君臨盛世茶亭八地塊和八一七路，位居福州市繁華的市中心地段?；訄?chǎng)地標(biāo)高約為－0．50 m，主樓處開(kāi)挖標(biāo)高為－18．30 m，附樓開(kāi)挖標(biāo)高為－15．50 m，計(jì)算開(kāi)挖深度為15．0～17．8 m，總支護(hù)周長(zhǎng)為560 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁+內(nèi)支撐的形式，支護(hù)樁采用1 200@ 1 500鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25～34 m，內(nèi)支撐采用3道鋼筋混凝土，其中心標(biāo)高分別為－2．35，－8．35，－12．75 m。兩基坑的平面位置關(guān)系及支護(hù)體系具體見(jiàn)圖1～3(圖2、3中的長(zhǎng)度單位為mm)。

圖1　君臨盛世茶亭基坑和世茂國(guó)際中心基坑平面示意圖

圖2　君臨盛世茶亭基坑支護(hù)體系

圖3　福州世茂國(guó)際中心基坑支護(hù)體系

2　　建模

2．1幾何模型

君臨盛世茶亭基坑寬100 m，開(kāi)挖深度為12 m，左側(cè)地面寬100 m，H型鋼長(zhǎng)25 m。基坑坑頂采用3∶4的放坡。世茂國(guó)際中心基坑寬100 m，開(kāi)挖深度為15．5 m，右側(cè)地面寬100 m，排樁長(zhǎng)30 m。兩基坑間距20 m。本文僅研究如圖1所示的緊鄰部分的雙基坑開(kāi)挖的相互影響，特別是兩者間距的影響，故采用PLAXIS軟件建立二維基坑模型。該軟件是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于巖土工程變形和穩(wěn)定性分析的有限元計(jì)算程序，其計(jì)算功能強(qiáng)大、能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定性分析，能模擬許多結(jié)構(gòu)物，如地下連續(xù)墻、錨桿、土工織物、隧道和樁基礎(chǔ)等。

所建模型長(zhǎng)420 m，高60 m。沿高度0～－4 m為雜填土層，－4～－10 m為淤泥層，－10～－20 m為中砂層，－20～－25 m為粉質(zhì)黏土層，－25～－40 m為中粗砂層，－40～－60 m為卵石層。地下水位位于地表下－4 m處。君臨盛世茶亭基坑寬度取100 m，開(kāi)挖分4步進(jìn)行，分別開(kāi)挖到－4，－7，－10，－12 m標(biāo)高。采用板單元模擬H型鋼，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬錨桿自由段，土工格柵模擬錨固段。世茂國(guó)際中心基坑寬度取100 m，開(kāi)挖分4步進(jìn)行，分別開(kāi)挖到－2．35，－8．35，－12．75，－15．5 m標(biāo)高。采用板單元模擬排樁，采用錨錠桿模擬內(nèi)支撐。在福州世茂國(guó)際中心基坑右側(cè)10～20 m處施加10 kPa的交通荷載。在模型底部施加完全固定約束，水平和豎直方向均固定。兩側(cè)豎直邊界施加滑動(dòng)約束，水平方向固定，豎直方向自由?；訋缀文Ｐ腿鐖D4所示，為方便分析描述，將君臨盛世茶亭基坑簡(jiǎn)稱(chēng)為A基坑，H型鋼支護(hù)簡(jiǎn)稱(chēng)為1#、2#樁，將世茂國(guó)際中心基坑簡(jiǎn)稱(chēng)為B基坑，排樁支護(hù)簡(jiǎn)稱(chēng)為3#、4#樁。

圖4　基坑幾何模型

2．2材料參數(shù)

采用HS本構(gòu)模型進(jìn)行土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模擬，該模型可以考慮土體的開(kāi)挖卸荷效應(yīng)［7］。土體硬化模型是一種高級(jí)土體模型。同摩爾－庫(kù)侖模型一樣，極限應(yīng)力狀態(tài)由內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c及剪脹角ψ來(lái)描述［8－9］。但是，土體硬化模型采用3個(gè)不同的輸入剛度可以將土體剛度描述得更為準(zhǔn)確:三軸加載模量E50、卸載—再加載模量Eur和切線(xiàn)壓縮模量Eoed［10］。一般取Eur=3E50和Eoed=E50作為不同土體類(lèi)型的平均值［11］。

由于基坑開(kāi)挖時(shí)間較短，將滲透性差的黏土層設(shè)為不排水材料［12］，具體土層參數(shù)建議的計(jì)算值見(jiàn)表1。分析中采用抗彎剛度等效的方法將A基坑H型鋼、放坡支護(hù)和B基坑鉆孔灌注樁模擬為地下連續(xù)墻，相應(yīng)的等效公式［13］為

式中D為鉆孔灌注樁樁徑; t為樁凈距; h為等效后的地下連續(xù)墻厚度。

表1　各土層計(jì)算參數(shù)

地下連續(xù)墻、樁體、土體變形模量［14］應(yīng)滿(mǎn)足

式中Ew、Ep、Es分別為地下連續(xù)墻、樁體、土體變形模量。

排樁、H型鋼、放坡支護(hù)、內(nèi)支撐、錨桿均為彈性材料。土體參數(shù)、排樁、H型鋼、放坡支護(hù)、內(nèi)支撐、錨桿具體參數(shù)分別見(jiàn)表2、3。

表2　排樁(板)、H型鋼(板)、錨桿錨固段、放坡支護(hù)(板)計(jì)算參數(shù)

表3　內(nèi)支撐(錨錠桿)、錨桿自由段(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿)計(jì)算參數(shù)

2．3計(jì)算步驟

先施加初始應(yīng)力場(chǎng)，再施加交通荷載等周邊荷載。根據(jù)施工工序先對(duì)福州世茂國(guó)際中心基坑施加排樁，對(duì)第一層土體先降水后開(kāi)挖，然后對(duì)君臨盛世茶亭基坑施加H型鋼，放坡支護(hù)。最后根據(jù)內(nèi)支撐及錨桿位置分層對(duì)土體先降水后開(kāi)挖。

3　相鄰基坑同步開(kāi)挖性狀分析

相鄰基坑同步開(kāi)挖與單個(gè)基坑獨(dú)立開(kāi)挖不同，臨近基坑開(kāi)挖卸荷會(huì)對(duì)基坑周?chē)孛娉两?、坑底隆起、支護(hù)樁水平位移產(chǎn)生影響。

3．1基坑土體變形分析

基坑開(kāi)挖到坑底后，網(wǎng)格變形如圖5所示，開(kāi)挖面以下網(wǎng)格明顯向上運(yùn)動(dòng)，兩基坑兩側(cè)地面均凹向變形。A基坑1#、2#樁向坑內(nèi)呈懸臂型變形，B基坑3#、4#樁向坑內(nèi)凸向變形。

圖5　基坑網(wǎng)格變形圖

開(kāi)挖過(guò)程中A基坑和B基坑周?chē)馏w沉降曲線(xiàn)如圖6所示。地面沉降呈凹槽型，A基坑左側(cè)地面最大沉降57．5 mm，發(fā)生在距基坑邊緣9 m處，最大沉降發(fā)生位置為0．75H，最大沉降為0．48%H(H為基坑開(kāi)挖深度)。

B基坑右側(cè)10～20 m范圍考慮10 kPa的交通荷載，最大沉降為79．7 mm，發(fā)生在距基坑邊緣15 m處，最大沉降發(fā)生位置為0．97H，最大沉降為0．51%H。兩基坑間地面最大沉降為88．7 mm，發(fā)生在兩基坑中間位置。這是由于相鄰基坑同時(shí)開(kāi)挖對(duì)基坑間土體沉降產(chǎn)生疊加影響，導(dǎo)致基坑間土體的沉降大于兩側(cè)基坑地面沉降。圖7為開(kāi)挖過(guò)程中A基坑和B基坑的坑底隆起曲線(xiàn)。A基坑隨著土體開(kāi)挖先表現(xiàn)為坑底隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近比基坑中大，后隆起曲線(xiàn)呈現(xiàn)為中間大兩邊小的“鍋底”型。但由于B基坑開(kāi)挖引起的卸荷作用，使得A基坑右側(cè)隆起量小于左側(cè)。開(kāi)挖完成后，最大隆起為25．1 mm，發(fā)生在1#樁右側(cè)16 m處。B基坑在開(kāi)挖過(guò)程中也表現(xiàn)出與A基坑相似的特點(diǎn)，最大隆起為32．2 mm，發(fā)生在4#樁左側(cè)10m處。

圖6　地面沉降

圖7　基坑坑底隆起

3．2支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

支護(hù)樁水平位移圖采用歸一化方法處理，橫軸為支護(hù)樁水平位移，縱軸為支護(hù)樁距樁頂距離/樁高。A基坑和B基坑支護(hù)樁在開(kāi)挖過(guò)程中的水平位移如圖8所示。

圖8　基坑支護(hù)樁水平位移圖

由圖8可以看出，1#、2#樁位移曲線(xiàn)與懸臂結(jié)構(gòu)相似，1#樁最大位移均發(fā)生在放坡坡腳。樁身位移曲線(xiàn)在淤泥和中砂交界處出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明支護(hù)樁在較弱土層中產(chǎn)生較大位移。開(kāi)挖到坑底后，樁身最大水平位移為66．1 mm。2#樁最大水平位移發(fā)生在第二層土體開(kāi)挖面位置，最大水平位移為20．6 mm，由于B基坑開(kāi)挖卸荷，2#樁承受的土壓力較小，最大水平位移僅為1#樁的0．31倍。3#樁和4#樁在開(kāi)挖過(guò)程中水平位移變化規(guī)律相似，第一層土體開(kāi)挖時(shí)樁頂位移較大，樁身水平位移較小。隨著開(kāi)挖深度加大，水平位移逐漸增大，最大位移位置下移，最終位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)外凸的特點(diǎn)。開(kāi)挖到坑底后，4#樁樁身最大水平位移為56．7 mm，由于A基坑開(kāi)挖卸荷，3#樁承受的土壓力較小，最大水平位移為31 mm，為4#樁最大水平位移的0．55倍。A基坑支護(hù)樁最大水平位移為66．1 mm，發(fā)生在1#樁端部，約為0．55%H。B基坑支護(hù)樁最大水平位移為56．7 mm，發(fā)生在4#樁接近坑底位置，約為0．37%H。A基坑最大沉降為57．5 mm，為支護(hù)樁最大水平位移的0．87倍。B基坑右側(cè)地面考慮交通荷載，最大沉降為79．7 mm，為支護(hù)樁最大水平位移的1．4倍。

3．3支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

如圖9所示，1#、2#樁隨著基坑開(kāi)挖彎矩曲線(xiàn)呈“雙峰”型，且彎矩峰值都出現(xiàn)在開(kāi)挖坑底和中砂層與粉質(zhì)黏土層交界位置。1#樁最大彎矩為863 kN·m，2#樁最大彎矩為982 kN·m。3#、4#樁在第一層土體開(kāi)挖時(shí)彎矩較小，在2～4層的土體開(kāi)挖中彎矩逐漸增大，最大彎矩位置隨著開(kāi)挖面逐漸下移。第四層開(kāi)挖階段，3#樁最大彎矩為817 kN·m，出現(xiàn)在開(kāi)挖坑底位置，而4#樁最大彎矩為1 395 kN·m，出現(xiàn)在中砂層和粉質(zhì)黏土層交界面。

圖9　支護(hù)樁彎矩圖

4　不同間距相鄰基坑同步開(kāi)挖性狀分析

相鄰基坑同步開(kāi)挖，對(duì)基坑間土體沉降、支護(hù)樁位移和基坑坑底隆起均產(chǎn)生影響。將基坑間距分別取為20，30，40，50，60 m，研究基坑間距對(duì)開(kāi)挖性狀的影響。由圖10、11可知，由于A、B基坑寬度均較大，在不同間距下基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰基坑遠(yuǎn)端支護(hù)樁變形的影響很小。間距不同對(duì)遠(yuǎn)端坑底隆起幾乎沒(méi)有影響。近端坑底隆起則隨基坑間距增大而增大，基坑間距在20～40 m變化時(shí)，靠近相鄰基坑一側(cè)坑底隆起增大幅度較大?；娱g距在40～60 m變化時(shí)，基坑坑底隆起增大幅度逐漸減小。

圖10　不同間距時(shí)樁的水平位移圖

圖11　不同間距時(shí)坑底隆起

可以認(rèn)為兩基坑同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，基坑間距的影響范圍為40 m左右。A基坑的開(kāi)挖深度為12 m，B基坑的開(kāi)挖深度為15．5m。因此，相鄰基坑的相互影響為2．5～3倍基坑開(kāi)挖深度。

5　　結(jié)論

相鄰基坑同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，鄰近基坑開(kāi)挖卸荷會(huì)對(duì)基坑周?chē)孛娉两?、坑底隆起、支護(hù)樁水平位移產(chǎn)生影響。基坑間距不同，基坑開(kāi)挖性狀亦不同。

1)相鄰基坑開(kāi)挖卸荷，對(duì)遠(yuǎn)端圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑底隆起影響很小，近端圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和坑底隆起小于遠(yuǎn)端?；又虚g土體受相鄰基坑開(kāi)挖沉降疊加影響，沉降大于基坑另一側(cè)地面沉降。

2)兩基坑同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，基坑間距的影響范圍為40 m左右，相鄰基坑的相互影響為2．5～3倍基坑開(kāi)挖深度?；娱g距對(duì)圍護(hù)墻變形影響大于坑底隆起。

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(責(zé)任編輯:郎偉鋒)

Mutual Influence of Adjacent Twin Pits Dug at the Same Time

LI Chenghu
(Fuzhou Urban Subway Co．，Ltd．，F(xiàn)uzhou 350002，China)

Abstract:Based on a practical case of excavation of adjacent twin pits in Fuzhou，the two-dimensional model of the adjacent twin pit excavation is established．The HS constitutive model is used to build the soil stress-strain constitutive relationship，and also the soil displacement，the supporting structure displacement and internal force response are studied in details while the adjacent pits are excavated at the same time．The influence zone of the excavation of adjacent twin pits is obtained based on different intervals．The research shows that the adjacent excavation has a little effect on the remote retaining structures and the bottom of the pits while the pit intervals have more influence on the supporting structures than the upheaval of the pit bottom．

Key words:adjacent twin pit; numerical simulation; upheaval; behavior analysis

作者簡(jiǎn)介:李成虎(1982—)，男，湖北江陵人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌üこ蹋?/p>

基金項(xiàng)目:福建省教育廳科技研究項(xiàng)目(JB10110)

收稿日期:2014－10－31

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．011

文章編號(hào):1672－0032(2015) 01－0050－08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):TU473