軟土地區(qū)相鄰基坑開挖的相互影響分析

陶東軍，張浩文，孔德駿

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代城市建設(shè)中由于設(shè)計(jì)規(guī)劃、工期安排等原因，相鄰基坑工程同期施工的情況屢見不鮮[1-4]。與單個(gè)基坑相比，相鄰基坑之間存在明顯的耦合作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力和對周圍環(huán)境的影響也變得更加復(fù)雜[5-9]。特別是在軟土地區(qū)，由于淤泥質(zhì)土層強(qiáng)度低、剛度小等特點(diǎn)，相鄰基坑開挖的相互影響效應(yīng)尤為顯著。

目前，對于相鄰基坑同期施工的問題已有較多的研究。張中杰等[10]結(jié)合3個(gè)同期施工基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑施工過程中的圍護(hù)墻變形、圍護(hù)墻頂部位移、支撐軸力和立柱豎向位移的變化規(guī)律。張竹庭[11]采用二維數(shù)值模擬分析了相鄰基坑交界區(qū)域土坡的穩(wěn)定性。葉建峰等[12]討論了相鄰基坑開挖的失效機(jī)理和破壞模式。岳樹橋等[13]探討了同步開挖相鄰基坑間有限寬度土條主動土壓力的計(jì)算方法。

本文以軟土地區(qū)某相鄰基坑工程為背景，應(yīng)用三維有限元數(shù)值模擬，對比分析不同施工工況下圍護(hù)墻位移、坑外地表沉降和支撐軸力的變化規(guī)律。

1 工程概況

某商住綜合體項(xiàng)目位于軟土地區(qū)，該項(xiàng)目基坑平面長98.9 m，寬74.5 m，開挖深度約10.1 m。北側(cè)鄰近有一近期施工的地鐵車站項(xiàng)目，車站基坑長219.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，端頭井寬26.5 m，開挖深度約18.5 m。綜合體基坑及車站基坑均采用內(nèi)支撐形式的板式支護(hù)體系，支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置情況如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

綜合體與車站基坑均采用800 mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)，墻體深度分別為25.5 m及35.8 m。其中，綜合體采用2道混凝土內(nèi)支撐體系，車站采用第1道混凝土支撐、第2—第5道鋼支撐體系。綜合體基坑距離車站基坑端頭井最近處不足20 m，本文主要討論車站基坑實(shí)施對綜合體基坑的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向布置情況如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向布置圖(單位：mm)

工程場地位于軟土地區(qū)，車站基坑位于城市道路中央，綜合體基坑位于路側(cè)的人工平整場地內(nèi)，地面標(biāo)高1.90 m～2.42 m，工程地質(zhì)平面情況較為簡單。土層剖面分布情況如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 基坑三維數(shù)值模擬

2.1 模型概況

為了模擬車站基坑開挖對綜合體基坑影響的空間效應(yīng)，采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型?；臃秶⒅ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)際尺寸進(jìn)行建模?？紤]盡可能減小邊界條件對基坑的影響并保證一定的計(jì)算速度，將整個(gè)模型在三個(gè)方向進(jìn)行拓展，整體模型x向長420 m，y向?qū)?00 m，z向深60 m。劃分好網(wǎng)格的支護(hù)結(jié)構(gòu)及整體有限元模型如圖4、圖5所示，整個(gè)模型的單元數(shù)量在44萬個(gè)左右，節(jié)點(diǎn)數(shù)量在30萬個(gè)左右。采用“生死單元法”模擬基坑土體的開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 整體有限元模型

2.2 材料參數(shù)

為方便材料參數(shù)的取值，土體采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，彈性模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5倍的壓縮模量，泊松比根據(jù)靜止側(cè)壓力系數(shù)換算得到，具體參數(shù)如表1所示。

模型中采用梁單元模擬冠梁、支撐、立柱樁及格構(gòu)柱，采用板單元模擬地下連續(xù)墻，基坑支護(hù)體系各構(gòu)件均采用理想線彈性本構(gòu)模型，鋼材泊松比取0.3，混凝土泊松比取0.2，具體構(gòu)件參數(shù)如表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)表

2.3 模擬工況

受工期控制，綜合體與車站基坑擬采取同步施工，即同步開挖第1至第3層土，然后車站基坑再開挖第4、第5層土至基底，施工流程如表3所示。上述同步施工工況定義為工況3。同時(shí)，為了比較分析不同施工順序下車站基坑實(shí)施對綜合體基坑的影響，補(bǔ)充2個(gè)模擬工況：工況1，綜合體單獨(dú)開挖，即僅施工表3中綜合體基坑內(nèi)容；工況2，綜合體與車站先后開挖，即在施工完表3中綜合體基坑內(nèi)容后再施工車站基坑內(nèi)容。

3 結(jié)果及分析

3.1 單基坑開挖

本節(jié)討論工況1下綜合體基坑圍護(hù)墻側(cè)移、坑外地表沉降和支撐軸力。

表3 施工流程表

3.1.1 圍護(hù)墻側(cè)移

圖6為綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后的圍護(hù)墻側(cè)移云圖，x方向最大側(cè)移為70.1 mm，y方向最大側(cè)移為71.6 mm。圖7為與y方向垂直的兩側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移曲線，兩側(cè)墻體側(cè)移變化規(guī)律類似，隨著開挖深度的增加，最大側(cè)移點(diǎn)的深度逐漸下移，同時(shí)墻體下端出現(xiàn)明顯的踢腳現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[14]所述的規(guī)律相同。由于靠近車站一側(cè)墻體跨度較小，平面外剛度較大，因此該側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移整體小于另一側(cè)墻體。

3.1.2 坑外地表沉降

圖8為綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后的地表沉降云圖，坑外地表沉降最大值為39.5 mm。圖9為綜合體基坑單獨(dú)開挖情況下靠近車站一側(cè)坑外地表沉降曲線，由圖可見，各個(gè)開挖步續(xù)下坑外沉降分布規(guī)律類似，基坑邊緣幾乎不產(chǎn)生沉降，隨著與基坑邊距離的增大，坑外地表沉降先逐漸增大，并在距離基坑邊約13 m位置處達(dá)到最大值，而后逐步減小。整體上坑外地表沉降隨著開挖深度的增加而增大，而最大沉降量均位于綜合體與車站之間的夾心土范圍內(nèi)，這對地表沉降的控制極為不利。

(a) x方向 (b) y方向

圖7 單基坑開挖下圍護(hù)墻側(cè)移曲線

圖8 單基坑開挖下地表沉降云圖

3.1.3 支撐軸力

綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后第一道和第二道支撐軸力云圖如圖10所示。由圖可見，第一道支撐最大軸向壓力為4 081.7 kN，最大軸向拉力為2 654.6 kN，第二道支撐最大軸向壓力為13 939.7 kN，最大軸向拉力為5 096.9 kN。第二道支撐軸力明顯大于第一道支撐，而第二道支撐截面與第一道支撐截面差異不大，因此應(yīng)著重考察第二道支撐軸力情況。

圖9 單基坑開挖下地表沉降曲線

圖10 單基坑開挖下支撐軸力云圖

3.2 雙基坑開挖

本節(jié)討論工況2、工況3下綜合體基坑圍護(hù)墻側(cè)移、坑外地表沉降和支撐軸力，并與工況1的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.2.1 圍護(hù)墻側(cè)移

模型中，基坑沿著y方向分布，相鄰基坑開挖的影響主要體現(xiàn)在y方向上，討論車站基坑施工對綜合體基坑圍護(hù)墻y方向側(cè)移的影響。為方便描述，定義與y方向垂直的靠近車站一側(cè)和遠(yuǎn)離車站一側(cè)的綜合體基坑圍護(hù)墻分別為近端墻和遠(yuǎn)端墻。圖11給出了各工況下兩基坑開挖到底后近端墻和遠(yuǎn)端墻側(cè)移曲線?？梢?，兩端圍護(hù)墻側(cè)移分布規(guī)律類似，墻頂側(cè)移量較小，隨著土層深度的增加，墻體側(cè)移先增大后減小，最大側(cè)移均位于埋深約16 m位置處，墻體下端均發(fā)生不同程度的踢腳現(xiàn)象。由于近端墻平面外剛度大于遠(yuǎn)端墻，所以相同工況下近端墻側(cè)移小于遠(yuǎn)端墻。

圖11 各工況下圍護(hù)墻側(cè)移曲線

受車站基坑開挖的影響，相對于綜合體基坑單獨(dú)開挖的情況，近端墻和遠(yuǎn)端墻均發(fā)生向車站基坑方向的位移。工況2下，近端墻向車站基坑方向位移6.1 mm，遠(yuǎn)端墻同方向位移6.5 mm，兩側(cè)墻位移大小接近，基坑近似發(fā)生整體位移。工況3下，近端墻向車站基坑方向位移15.5 mm，遠(yuǎn)端墻同方向位移5.8 mm，可見，在同步施工工況下，綜合體基坑也發(fā)生向車站基坑方向的整體位移，但車站基坑開挖對近端墻的影響要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻，因此，同步施工工況下應(yīng)著重考慮車站基坑施工對近端墻的影響。

3.2.2 坑外地表沉降

各工況下綜合體基坑與車站基坑間夾心土的地表沉降曲線如圖12所示。由圖可見，各工況下夾心土地表沉降均呈“U”形分布，兩側(cè)沉降量較小，中部沉降量較大。受車站基坑開挖的影響，夾心土地表沉降存在明顯的疊加效應(yīng)，單基坑開挖工況1下最大地表沉降量為30.3 mm，而雙基坑開挖的工況2、工況3下，最大地表沉降量增大致71.2 mm及69.2 mm，且最大地表沉降出現(xiàn)位置由距離綜合體基坑13 m處移動至距離11 m處。工況2與工況3下夾心土的最大地表沉降量接近，地表沉降分布情況類似，僅在最大地表沉降出現(xiàn)位置與車站基坑之間有所差別，說明基坑開挖順序?qū)ψ罱K地表沉降的分布影響不大。

3.2.3 支撐軸力

支撐軸力的監(jiān)測對地鐵基坑的開挖有著重要的工程指導(dǎo)意義，它是分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況不可缺少的參數(shù)，同時(shí)也是判斷基坑安全的重要信息[15]。如圖13所示，選取與近端墻及遠(yuǎn)端墻連接的第二道支撐，研究開挖過程中支撐軸力的變化情況及車站基坑開挖對支撐軸力的影響。為方便描述，圖中范圍E內(nèi)按支撐跨從上到下依次標(biāo)號為1跨—10跨。

圖13 支撐軸力測量點(diǎn)布置圖

工況2、工況3下支撐軸力的變化情況分別如圖14、圖15所示。其中，A表示綜合體基坑，B表示車站基坑，“A-開挖2+支撐2”表示綜合體基坑開挖第2層土并同時(shí)架設(shè)第2道支撐，其余施工過程的表示方法以此類推。如圖所示，兩個(gè)工況的各個(gè)施工過程下支撐軸力均呈現(xiàn)出“M”形分布，2至9跨支撐兩端軸力較高，隨著向中部靠近，支撐軸力逐步減小，這是由于支撐軸力逐步傳遞給格構(gòu)柱及橫向支撐所致。與地連墻連接處，由于同時(shí)有3根支撐承擔(dān)地連墻傳遞過來的土壓力，所以第1跨和第10跨支撐的軸力要明顯小于其他跨的支撐軸力。由于車站基坑開挖導(dǎo)致夾心土卸載，土壓力降低，支撐軸力呈現(xiàn)出非對稱的分布規(guī)律，靠近車站基坑一側(cè)的支撐軸力明顯小于另一側(cè)支撐軸力。綜合體基坑開挖第3層土后，由于土體大量卸載，支撐軸力陡增，實(shí)際施工中應(yīng)密切注意第二道支撐軸力的變化情況。

圖14 工況2下支撐軸力變化曲線

圖15 工況3下支撐軸力變化曲線

4 結(jié) 論

軟土地區(qū)某基坑工程面臨相鄰基坑開挖的相互影響問題，采用三維數(shù)值模擬對鄰近基坑工程開挖的相互影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 相鄰基坑開挖將引起本體基坑整體向相鄰側(cè)的附加位移，且根據(jù)兩個(gè)基坑施工順序的不同，本體基坑兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生附加位移的大小也不同。當(dāng)采用同步施工時(shí)，近端墻附加位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻，對基坑安全不利。

(2) 本體基坑與相鄰基坑之間夾心土的地表沉降存在明顯的疊加效應(yīng)，相鄰基坑的開挖將顯著增加該部分土體的沉降量，這對地表沉降的控制極為不利。基坑的開挖順序?qū)A心土地表最終沉降量的影響不大。

(3) 受格構(gòu)柱和橫向支撐的影響，支撐軸力呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特點(diǎn)。相鄰基坑的開挖將引起本體基坑土壓力的非對稱分布，從而引起支撐軸力的非對稱分布，靠近相鄰基坑一側(cè)支撐軸力較小。