復(fù)雜填海地層相鄰超大深基坑開挖相互影響穩(wěn)定性分析

文仁學(xué)，周子寒 ，汪 波，劉錦超，喻 偉，陳子全

(1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率不斷提高，為滿足人們對(duì)城市多功能的迫切需求，城市內(nèi)土建工程密集分布，高層建筑、市政工程等基坑修筑朝著超深、超寬、超長(zhǎng)、超近的方向發(fā)展。但城市可容納的建筑物密度并非無限大，沿海城市通過填海造陸的方式開發(fā)土地的做法在上個(gè)世紀(jì)末就開始興起，而在填海地層且多基坑近接環(huán)境下修筑超大基坑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)臨海環(huán)境修建基坑開展了豐富的研究，應(yīng)宏偉[5]等對(duì)臨海粉質(zhì)黏土基坑在波浪作用下超孔壓變化的情況進(jìn)行了研究，著重探討了振蕩超孔壓和累積超孔壓的響應(yīng)規(guī)律；楊建學(xué)[6]等通過某鄰海深基坑工程沖孔咬合樁現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了咬合樁在近海環(huán)境下結(jié)構(gòu)受力等問題；唐軍[7]分析了臨海砂層基坑隔水帷幕實(shí)施效果，對(duì)水位變化時(shí)的隔水效果進(jìn)行了探討；楊迎曉[8]等選取錢塘江土海塘、砼海塘部分地質(zhì)區(qū)段，研究了離江距離、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度等因素對(duì)基坑安全性的影響。在對(duì)超大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)研究方面[9-10]，陳保國(guó)[11]等從深大基坑圍護(hù)體系協(xié)調(diào)變形的角度出發(fā)，考慮多因素下支護(hù)體系調(diào)節(jié)規(guī)律。

同時(shí)在超大基坑近接既有結(jié)構(gòu)物，或多基坑鄰近等方面，LEE[12]等分析了基坑開挖長(zhǎng)深比例、圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度、軟土深度等因素與開挖空間效應(yīng)的相關(guān)性；楊慶光[13]等基于疊加原理得出圍護(hù)體系變形模式和計(jì)算公式，討論了基坑圍護(hù)體系側(cè)向位移導(dǎo)致外部土體變形的規(guī)律；韓健勇[14]等研究了深基坑開挖與鄰近淺基礎(chǔ)建筑物相互力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

以往大多數(shù)研究針對(duì)臨海復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境或基坑近接建筑物的力學(xué)行為等單一方面開展，但對(duì)于填海軟弱土層近接多個(gè)既有基坑環(huán)境下新建超大基坑相互力學(xué)影響效應(yīng)的研究還鮮有報(bào)道。本文以深圳濱海大道綜合改造工程為依托，通過地勘和設(shè)計(jì)資料建立近接基坑三維數(shù)值模型，分析了填海地層超大基坑分層開挖力學(xué)行為演變規(guī)律，重點(diǎn)探討了雙基坑近接距離、地連墻嵌固深度、開挖深度等因素對(duì)多基坑變形控制影響規(guī)律。研究結(jié)論可為類似工程提供重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概要

濱海大道位于深圳特區(qū)西南面的深圳灣畔，現(xiàn)今這條交通大動(dòng)脈已經(jīng)出現(xiàn)流量瓶頸。濱海大道交通綜合改造工程，如圖1所示，西起沙河?xùn)|路立交以西，東至濱海大道竹子林立交附近，其中主線下沉隧道采用明挖法施工，深基坑開挖長(zhǎng)度達(dá)1 560 m，最大寬度達(dá)100 m，最大開挖深度約34.8 m，面積15萬m2，屬典型的超長(zhǎng)、超寬深基坑工程。

圖1 深圳濱海大道綜合改造工程概況Figure 1 Overview of shenzhen binhai avenue comprehensive reconstruction project

1.1 工程地質(zhì)條件

圖2 地質(zhì)剖面圖Figure 2 Geological profile

1.2 近接基坑分布

深圳濱海大道下沉段明挖隧道基坑晚于旁側(cè)基坑開挖，主要近接的在建超大基坑包括中信基坑和招商基坑(如圖1所示)，其中中信基坑面積約5.9萬m2，深度約17.5 m；招商基坑面積約3.4萬m2，深度約28 m。濱海大道基坑與近接基坑間距由24～28 m不等。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

以最不利工況計(jì)算分析近接在建基坑分層開挖支護(hù)力學(xué)演變，選取間距最近的24 m斷面開展研究，如圖3所示。其中左側(cè)近接基坑開挖深度28 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用(D1200@1400旋挖樁， 嵌固深度約4 m)+(5×7φ5@1.4 m預(yù)應(yīng)力錨索，L=25 m， 錨固段20 m，預(yù)應(yīng)力400 kN)；右側(cè)濱海大道基坑開挖深度13 m，其中坑中坑7 m，最大開挖深度20 m，寬度方向約73 m，地下連續(xù)墻厚度800～1 000 m，嵌固深度為8～8.5 m，共有5道支撐結(jié)構(gòu)，其中第1、2、3道為鋼筋混凝土支撐(900 mm×900 mm)，豎向及縱向由鋼筋混凝土梁或樁連接，第4、5道為鋼支撐(φ800，t=20)。

圖3 最不利工況橫斷面示意圖Figure 3 Schematic diagram of the most unfavorable working condition

2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 三維數(shù)值模型

濱海大道基坑沿道路縱向約1 600 m，建立整個(gè)基坑模型討論局部開挖力學(xué)問題顯然是不必要的，因此僅建立局部精細(xì)模型進(jìn)行分析。如圖4所示，模型橫向150 m，深50 m，沿道路縱向考慮2列支撐結(jié)構(gòu)取16 m。在Flac 3D有限差分軟件中按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑尺寸建立好模型后，劃分出189 852個(gè)較為精密的網(wǎng)格單元，其中土體及圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元建立，錨索通過結(jié)構(gòu)單元Cable建立。需要說明的是，近接基坑沿橫向約300 m，因此僅截取重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。

圖4 三維數(shù)值模型圖Figure 4 3D numerical model diagram

2.2 計(jì)算參數(shù)

濱海大道地層在原90年代海岸淤泥層的基礎(chǔ)上通過填土形成，因此地層物理力學(xué)參數(shù)較普通基坑更為軟弱，基于地勘資料對(duì)模型賦予地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，各地層設(shè)置為Mohr-Coulomb塑性模型。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of formation密度/(kg·m-3)變形模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比填土1 880 1512150.26填砂1 910240240.23淤泥1 6403.5930.42黏土1 9401718120.32全風(fēng)化粗?；◢弾r1 8606530280.29土狀強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r1 90016038300.28鋼筋混凝土2 50022 000 — —0.3鋼支撐7 800200 000 — —0.3

3 分層開挖雙基坑的相互影響

首先對(duì)旁側(cè)近接基坑進(jìn)行開挖支護(hù)，并求解出應(yīng)力狀態(tài)后實(shí)現(xiàn)位移清零，再進(jìn)行濱海大道基坑的開挖支護(hù)計(jì)算?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖支護(hù)方案，將濱海大道基坑分層開挖數(shù)值計(jì)算分為7個(gè)工序，見表2。

表2 開挖支撐方案Table 2 Excavation support scheme施工步序開挖深度/m支撐形式工序11.4第1道砼支撐工序24.5第2道砼支撐工序34第3道砼支撐工序43.1—工序5(坑中坑)2.4第4道鋼支撐工序6(坑中坑)2.4第5道鋼支撐工序7(坑中坑)2.2—

3.1 位移演變規(guī)律

由于篇幅限制，位移和應(yīng)力云圖僅給出工序7的結(jié)果。從位移云圖上分析地層整體位移情況，如圖5所示。左側(cè)土體水平位移為正，右側(cè)土體水平位移為負(fù)，地層整體呈現(xiàn)兩側(cè)朝中間水平移動(dòng)的規(guī)律，同時(shí)坑角處位移量值較大。豎向位移在模型兩側(cè)隨深度沉降量逐漸減小，同時(shí)能夠明顯觀察到濱?；涌拥滓欢ǚ秶鷥?nèi)地層隆起。地層位移云圖符合基坑開挖宏觀規(guī)律，側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。下面重點(diǎn)分析分層開挖基坑重點(diǎn)區(qū)域的位移演變規(guī)律。

3.1.1近接基坑側(cè)移

由于濱海大道基坑晚于旁側(cè)近接基坑施工，因此基坑開挖對(duì)旁側(cè)基坑的穩(wěn)定性影響必須控制在合理范圍之內(nèi)。圖6為左側(cè)近接基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移隨濱?；邮┕すば虻淖兓闆r，從圖中可知，近接基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出上下兩側(cè)朝相反方向位移的情況。圍護(hù)結(jié)構(gòu)近地表段位移為負(fù)，朝坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移；而距地表更深處位移逐漸為正并隨深度增大，表明朝坑外發(fā)生側(cè)移。這與典型的懸臂型變形方式所不同，表明右側(cè)新建基坑的開挖使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形類型表現(xiàn)為反彎型。

(a) 水平方向位移云圖

(b) 豎直方向位移云圖

從位移數(shù)值上看，工序1到工序7，坑頂坑內(nèi)側(cè)移量由-18.1 mm逐漸降低至約-11 mm，變化幅度7.1 mm；坑底坑外側(cè)移量由1.6 mm增大至8.8 mm，變化幅度7.2 mm。顯而易見，近接基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)持續(xù)朝著開挖卸荷側(cè)移動(dòng)，這是由于新建基坑的開挖卸荷作用使右側(cè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支撐反力減小，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體朝著坑外方向發(fā)展。圖5中位移曲線在工序4與工序5之間有明顯的分層現(xiàn)象，一方面隨著坑中坑開始施作，圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)朝著濱?；臃较騻?cè)移，另一方面工序5、6、7位移曲線幾乎重合，說明坑中坑繼續(xù)開挖對(duì)近接基坑側(cè)移的影響逐漸消失。

圖6 近接基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移圖Figure 6 Side shift diagram of the adjacent foundation pit’s retaining structure

因此總結(jié)來看，旁側(cè)近接基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受新建基坑開挖影響的側(cè)移發(fā)展是多方位的，坑頂發(fā)生朝向坑內(nèi)的側(cè)移，坑底由于卸荷效應(yīng)朝坑外側(cè)移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體隨開挖深度的增加朝開挖側(cè)側(cè)移。

3.1.2濱?；觽?cè)移

圖7為濱?；硬煌ば蛳碌膫?cè)壁位移圖?？傮w而言，左、右兩側(cè)壁分布規(guī)律較為一致，呈現(xiàn)出中間大，兩側(cè)小的規(guī)律，為內(nèi)凸式，這與第一道砼支撐位于坑頂位置有關(guān)，其對(duì)坑頂水平側(cè)移起到了良好的限制作用。隨開挖深度的增大，側(cè)移量也逐漸增大，左側(cè)壁水平位移整體為正，右側(cè)壁水平位移整體為負(fù)，兩側(cè)壁均朝向坑內(nèi)方向發(fā)生側(cè)移。同時(shí)，兩側(cè)壁在前4個(gè)工序位移曲線間距較遠(yuǎn)，后4個(gè)工序位移曲線近乎重合，說明坑中坑的開挖對(duì)側(cè)壁位移的影響不明顯。

與此同時(shí)，兩側(cè)壁也表現(xiàn)出了明顯的差異性。左側(cè)壁坑內(nèi)最大側(cè)移發(fā)生在距地表-20 m位置處，為35.3 mm；右側(cè)最大側(cè)移在距地表-16 m位置處，為22.4 mm，左側(cè)比右側(cè)最大側(cè)移量多出了約58%，這是由于近接基坑空間效應(yīng)的影響，地層總的黏聚力降低，兩基坑間隔內(nèi)的土層不穩(wěn)定性加劇。從圖7(a)中可以發(fā)現(xiàn)，位移曲線在達(dá)到最大值后大幅度下降，該處距地表-20 m，與左側(cè)壁嵌固深度剛好吻合；而在距地表-24～-28 m處位移曲線開始收斂，剛好約為左側(cè)近接基坑的開挖深度。由此可知，近接基坑對(duì)濱?；觽?cè)壁影響范圍等于自身開挖深度，其中在約0.86H范圍內(nèi)影響最為明顯。

3.1.3地表位移

圖8列出了左、右側(cè)地表豎向位移分布。距基坑較近位置處地表存在隆起現(xiàn)象，這與第一道砼支撐有關(guān)，對(duì)比位移云圖可知，濱?；觾蓚?cè)壁有整體向坑內(nèi)傾斜的趨勢(shì)，而內(nèi)撐結(jié)構(gòu)提供的反作用力正好反向朝上，因此在近基坑側(cè)一定范圍內(nèi)造成隆起而非沉降現(xiàn)象。

(a) 基坑左側(cè)側(cè)移

(b) 基坑右側(cè)側(cè)移

(a) 基坑左側(cè)地表位移

(b) 基坑右側(cè)地表位移

左側(cè)地表在距濱海基坑14 m處沉降量最大，靠近于深基坑，該距離正好約等于左側(cè)壁開挖深度13 m，是近接基坑開挖深度28 m的一半。右側(cè)壁地表沉降在距基坑20 m處達(dá)到最大值，該值與右側(cè)開挖深度吻合。

3.2 應(yīng)力狀態(tài)演變規(guī)律

如圖9所示，豎向應(yīng)力狀態(tài)基本符合受重力而層狀分布的特點(diǎn)，受基坑開挖影響，在局部區(qū)域有一定的應(yīng)力釋放。σx應(yīng)力云圖由于內(nèi)撐結(jié)構(gòu)與地層單元差值較大，因此圖9(b)僅給出地層單元應(yīng)力狀態(tài)。σx在坑角位置處有一定的起伏，并存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(a) σz應(yīng)力云圖

(b) σx應(yīng)力云圖

由于本文數(shù)值計(jì)算采用實(shí)體單元建立支撐結(jié)構(gòu)，因此僅討論σx的分布情況。表3列出了工序7各道支撐σx的最大值，應(yīng)力分布如圖10所示。第2、3道砼支撐是上部基坑的主要承載結(jié)構(gòu)，第1道砼支撐受力較小，約為第2、3道的28%，這是由于第1道砼支撐距地表太近導(dǎo)致的其承載有限。由此可見，第1道支撐結(jié)構(gòu)雖有效約束了坑頂側(cè)移，但對(duì)荷載的分擔(dān)比例較小。因此第1道支撐

表3 工序7各道支撐σx最大值Table 3 The maximumσxvalue of each process in step 7施工步序σx最大值/MPa第1道砼支撐-1.5第2道砼支撐-5.3第3道砼支撐-5.2第4道鋼支撐-22.7第5道鋼支撐-19.1

的合理布置可在約束位移的同時(shí)，更好發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力。第4、5道鋼支撐應(yīng)力值較大，這與采用鋼結(jié)構(gòu)截面面積較小有關(guān)。

圖10 濱海大道基坑內(nèi)撐σx應(yīng)力云圖Figure 10 Inner bracing’s σxcloud diagram of Binhai Avenue foundation pit

4 雙基坑變形影響因素分析

4.1 雙基坑間距的影響

濱海大道下沉隧道基坑工程實(shí)際最短的兩相鄰基坑間距為24 m，是左側(cè)近接基坑的0.9H，同時(shí)是右側(cè)濱?；拥?.8H，按照前一節(jié)的研究可知，超近雙基坑開挖的力學(xué)擾動(dòng)較普通情況更為復(fù)雜，因此雙基坑近接問題的核心影響因素應(yīng)當(dāng)是間距的大小。以下通過更改雙基坑間距工況，進(jìn)一步討論地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律。

依據(jù)各工況計(jì)算結(jié)果，均考慮工序7時(shí)的最大位移，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。為方便討論，以下間距均以與濱?；娱_挖深度13 m的倍數(shù)關(guān)系表述。由表可知，間距為濱?；拥募s3H以上時(shí)，地表沉降量值較小，為-7.2～-7.7 mm。間距為3H～2H時(shí)，沉降量明顯增大，增幅28.6%，因此兩基坑間距小于淺基坑3H或深基坑1.3H，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，間隔為12 m時(shí)(約1H)，地表不發(fā)生沉降而是整體受支撐結(jié)構(gòu)壓力作用發(fā)生隆起，地層不穩(wěn)定性加劇?；谧髠?cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝右側(cè)新建基坑方向整體發(fā)生側(cè)移的現(xiàn)象，表4中可以發(fā)現(xiàn)朝X方向的側(cè)移量最大值隨間距的減小而增大，間距1H時(shí)側(cè)移量是間距3H的2.7倍。間距大于2H時(shí)，側(cè)移量變化不大，而間距小于2H，側(cè)移量有所減小。

表4 不同間距最大位移量Table 4 Maximum displacement at different pitches工況地表沉降/mm近接基坑側(cè)移/mm濱?；觽?cè)移/mm左側(cè)無基坑-7.7/25.1間距36 m /3 H-7.25.126間距24 m /2 H-9.97.725.7間距12 m /1 H21.513.724.3

4.2 濱海基坑地連墻嵌固深度的影響

新建基坑地連墻嵌固深度的取值同樣對(duì)地層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力、位移控制意義重大，通過設(shè)置濱?；幼髠?cè)地連墻不同嵌固深度，分析該因素對(duì)整體位移影響。圖11為5種不同嵌固深度工況下地表、側(cè)壁最大位移量，圖中地表沉降及近接基坑側(cè)移對(duì)右側(cè)基坑嵌固深度變化敏感程度較小，位移量幾乎不變；同時(shí)，嵌固深度的改變對(duì)自身側(cè)移影響較大，隨著嵌固深度的增大而減小。嵌固深度為0.3H～0.5H,以及0.6H～0.8H時(shí)，是2個(gè)明顯的位移量下降臺(tái)階，嵌固深度6 m時(shí)側(cè)移控制效果與嵌固深度8 m時(shí)差異不大，考慮到設(shè)置一定的安全儲(chǔ)備，原設(shè)計(jì)方案選擇8 m的嵌固深度是合理的。

圖11 不同嵌固深度最大位移量Figure 11 Maximum displacement at different embedding depths

4.3 濱?；娱_挖深度的影響

為研究濱?；硬煌_挖深度的影響，共設(shè)計(jì)了3種工況，計(jì)算結(jié)果如表5所示。開挖深度對(duì)地層位移的影響較大，隨著開挖深度的增大，位移量持續(xù)增加。開挖深度由13 m增加至28 m時(shí)，位移增幅較大，而開挖深度由28 m繼續(xù)增加至42 m時(shí)增幅有所放緩?？紤]到左側(cè)近接基坑開挖深度正好為28 m，也就是說當(dāng)右側(cè)濱海基坑開挖至與左側(cè)近接基坑相同深度時(shí)對(duì)位移的影響最大，尤其是地表的增幅最為明顯，達(dá)到74%。

表5 濱海基坑不同開挖深度最大位移量Table 5 Maximum displacement of Binhai foundation pit at different excavation depths工況地表沉降/mm增幅/%近接基坑側(cè)移/mm增幅/%濱?；觽?cè)移/mm增幅/%開挖深度13 m-9.9/7.7/25.7/開挖深度28 m-17.27410.94234.635開挖深度42 m-22.33014.83641.219

5 結(jié)論

a.先建旁側(cè)近接基坑受后建濱海基坑開挖擾動(dòng)影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反彎型變形模式。同時(shí)超近間距下，受開挖卸荷影響，近接基坑側(cè)壁出現(xiàn)整體朝新建濱?；拥姆较蛞苿?dòng)的趨勢(shì)。

b.左側(cè)近接基坑的存在對(duì)右側(cè)基坑側(cè)移的影響范圍約等于其開挖深度，在0.86H范圍內(nèi)影響最為明顯，之后側(cè)移開始收斂。

c.2基坑間距小于淺基坑3H或深基坑1.3H時(shí)，地層位移量明顯增大；新建基坑地連墻嵌固深度為0.3H～0.5H，0.6H～0.8H時(shí)，側(cè)移量下降明顯；新建基坑開挖至與旁側(cè)基坑深度一致時(shí)，位移增幅最大。