某圓礫地層異形深基坑支護(hù)變形規(guī)律及開挖空間效應(yīng)研究

何旭升，田發(fā)派，付曉茜，馬少坤,3,4，黃 震，呂虎

(1.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；5.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

近年來，城市繁華區(qū)地鐵和地下工程的不斷發(fā)展，大量異形深基坑工程不斷涌現(xiàn)，隨之周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜。大量工程實(shí)踐表明，基坑開挖存在顯著的空間效應(yīng)[1]，即基坑邊角處一定范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力和土體沉降值都明顯小于基坑邊中部。異形深基坑開挖空間效應(yīng)易誘發(fā)復(fù)雜的周邊環(huán)境問題，給基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，研究復(fù)雜、異形深基坑對周邊環(huán)境的影響顯得尤為重要。

近年來，眾多學(xué)者對深基坑開挖引起周邊環(huán)境的變形規(guī)律展開了系列研究。文獻(xiàn)[2-4]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和采用數(shù)值模擬方法研究地鐵深基坑開挖過程，土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。Wang等[5]結(jié)合濟(jì)南市某地鐵車站深基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖過程中臨近建筑物變形規(guī)律、地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、軸力及水位變化規(guī)律；對于不同地層的深基坑開挖過程中的變形規(guī)律，文獻(xiàn)[6-10]研究了軟土地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形規(guī)律。李佳宇等[11]分析了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果并對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)出了圓礫層中地鐵車站的地連墻周邊地表變形規(guī)律。林之航[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了上軟下硬地層深基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、支撐軸力、立柱隆沉、地表沉降變形規(guī)律。喻偉等[13]依托具體工程，建立有限元計(jì)算模型，分析了富水軟弱地層中基坑開挖過程周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊建筑變形規(guī)律。對于基坑開挖對臨近建筑物的影響，李佳宇等[14]依托具體工程，建立數(shù)值分析模型，分析了基坑開挖過程坑角附近的建筑物變形規(guī)律。文獻(xiàn)[15-16]通過現(xiàn)場監(jiān)測和采用數(shù)值模擬，全面分析了基坑開挖過程中建筑物沉降、傾斜等變形規(guī)律。對于異形深基坑，Tan等[17]以廈門市馬鑾北站深基坑工程為例，研究了異形基坑開挖過程變形規(guī)律和坑角效應(yīng)。安辰亮等[18]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，探究異形深基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力規(guī)律。

綜上，前人研究大多集中于平面形狀較規(guī)則的基坑，對復(fù)雜地質(zhì)條件下異形深基坑開挖誘發(fā)周邊環(huán)境的影響研究較少，且異形深基坑開挖的空間效應(yīng)尚不清晰?；诖耍疚囊劳袕V西南寧某復(fù)雜周邊建筑物環(huán)境的地鐵異形深基坑工程項(xiàng)目，建立三維有限元計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，著重討論深基坑開挖效應(yīng)引起的周邊建筑、地表沉降、地連墻側(cè)向位移和周邊管線的變化規(guī)律。

1 工程背景

南寧地鐵一號線廣西大學(xué)站附屬2號風(fēng)亭及M號出入口合建選址為基坑大里程左側(cè)(原五里亭派出所地塊)，基坑開挖深度9.25～15.3 m，其中M出入口基坑為地下一層結(jié)構(gòu)，2號風(fēng)道為地下兩層結(jié)構(gòu)。合建基坑成L形狀相交，面積約1 500 m2，總長度約為110 m，寬度為15.5 m。車站周邊建構(gòu)筑物主要有北側(cè)的百匯華庭商住樓(23F)、7天酒店(12F)、廣西移動通信公司南寧分公司(5F)、五里亭派出所(1～6F)；南側(cè)的聯(lián)華賓館(7F)、星光老年服務(wù)中心(6F)、南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院、位于大學(xué)路的既有1號線地鐵車站、110 kV高壓線塔等，周邊重點(diǎn)監(jiān)測的管線為D1000管線，埋深約為3 m，基坑施工前回遷至車站頂板上方。根據(jù)1號線廣西大學(xué)站經(jīng)驗(yàn)，具體基坑周邊布置如圖1所示：

圖1 基坑平面布置圖

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與監(jiān)測

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工程特性、環(huán)境條件和設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)，2號風(fēng)亭及M號出入口采用明挖順作法施工，主體基坑采用800 mm地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式。第①道、第②道、第③道均為鋼筋混凝土支撐?；又ёo(hù)采用地下連續(xù)墻+隔離樁+③道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式，典型支護(hù)剖面如圖2所示：第①道混凝土內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-0.32 m，第②道混凝土內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-6.72 m，第③道混凝土內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-10.51 m。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 監(jiān)測方案

結(jié)合現(xiàn)場周邊情況，具體的監(jiān)測項(xiàng)目有周邊建筑物的沉降、地下連續(xù)墻水平位移和豎向位移、地表沉降、支撐軸力、管線沉降。參照監(jiān)測規(guī)范與現(xiàn)場工程概況，基坑監(jiān)測布置點(diǎn)如圖3所示。

圖3 基坑監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

3 數(shù)值建模

3.1 數(shù)值建模過程

考慮到邊界效應(yīng)對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，本模型進(jìn)行了全尺寸建模，根據(jù)大量文獻(xiàn)資料可知，基坑開挖引發(fā)墻后土體沉降值影響范圍為0～4H(H為基坑開挖深度)，建立三維數(shù)值分析模型，模型尺寸為(長×寬×高)280 m×240 m×60 m，為了簡化計(jì)算，隔離樁采用板單元進(jìn)行模擬，基于抗彎剛度等效的原則，將鉆孔灌注樁等效為一定厚度的連續(xù)墻，簡化公式為

(1)

樁直徑D為0.8 m，樁間距S為1.0 m，樁凈距t為0.2 m，由式(1)計(jì)算等效之后的地連墻厚度為0.62 m?；觾?nèi)支撐、連梁、冠梁和柱子采用線彈性梁單元進(jìn)行模擬。隔離樁、地連墻、建筑物的樓板采用線彈性板單元進(jìn)行模擬，建筑物和圍護(hù)材料具體參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

模型采用軟件默認(rèn)的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基坑開挖部分土體、支撐構(gòu)件及建筑物進(jìn)行局部加密，采用界面單元進(jìn)行模擬隔離樁、地連墻與土體之間接觸關(guān)系，三維數(shù)值模型進(jìn)行底部約束固定，其他4個(gè)側(cè)面設(shè)置法向約束條件，僅讓模型發(fā)生豎向位移，三維有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 三維有限元計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]可知，土體存在明顯的小應(yīng)變行為，及土體的剛度與應(yīng)變存在一定的關(guān)系。在深基坑、隧道等工程中，土體的應(yīng)變主要介于0.01%～1%，及屬于小應(yīng)變范圍，因此，考慮基坑開挖過程中土體的小應(yīng)變行為，能較好地貼近實(shí)際工程?；诖?，本文選取的土體本構(gòu)模型為土體小應(yīng)變模型(HSS)。

3.2 模擬施工過程

根據(jù)工程特性、環(huán)境條件和設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)，2號風(fēng)亭及M號出入口采用明挖順作法施工基坑開挖采用明挖順作法施工，分層開挖，邊開挖，邊支護(hù)，每層開挖深度根據(jù)支撐高差決定，總共分4層土進(jìn)行開挖，開挖深度分別為地表以下1.67、5.67、10.67、15.30 m?；邮┕るA段劃分見表3。

表3 施工步驟

4 結(jié)果與分析

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移

分析基坑開挖過程對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，選取典型ZQT27測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，圖5為測點(diǎn)的水平位移隨著基坑開挖變化規(guī)律。由圖可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移計(jì)算值為5.54 mm，監(jiān)測值為6.22 mm，兩者相差不大，變形均為典型的內(nèi)凸式變形，驗(yàn)證了本文的模型可靠性。當(dāng)基坑開挖至第2層土?xí)r候，測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移明顯增大，繼續(xù)往下開挖第4層土，ZQT27測點(diǎn)處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移變化不明顯，這是因?yàn)樵撎幍膰o(hù)結(jié)構(gòu)處于開挖深度較淺的部分(10.67 m)，但該步開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移增量占總側(cè)移量的34.6%，表明開挖圓礫土層對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移影響較大。測點(diǎn)的最大側(cè)移位置隨著基坑開挖不斷向下移動，開挖至最后一層土?xí)r，實(shí)測值和計(jì)算值最大側(cè)移位置位于坑底以上附近，相較于其他軟土地層略有上移。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

本基坑形狀不規(guī)則、周邊環(huán)境復(fù)雜，不同位置處的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移大小、變形規(guī)律也存在差異性。圖6為不同位置處地連墻水平位移云圖，圖6(a)為地連墻ux方向的水平位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位于基坑?xùn)|側(cè)，為10.7 mm，圖6(b)為地連墻uy方向上位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位于基坑南側(cè)，為9 mm。

(a)地連墻ux方向的水平位移

圖7為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)最大側(cè)向位移，由圖可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移量都位于基坑邊靠中部位置，如ZQT23、ZQT29、ZQT32、ZQT33，基坑邊角處的測點(diǎn)最大側(cè)移量都明顯小于基坑中部的，但是該基坑坑角的陽角和陰角處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移值差值不大。數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)果均表明該基坑具有明顯的空間效應(yīng)，及基坑中部的地連墻水平位移顯著大于基坑邊角處的。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移

4.2 建筑物累計(jì)沉降

根據(jù)勘察資料顯示，基坑?xùn)|側(cè)既有建筑物七天酒店為12層，距離基坑5.8 m，采用箱型基礎(chǔ)，基坑西側(cè)既有建筑物廣西移動通信公司南寧分公司，為5層樓高，采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式，距離基坑5.5 m。且2棟建筑在開挖前期樓板和墻體存在一些裂縫，存在一定程度的損傷，因此重點(diǎn)分析基坑開挖對這2棟建筑物的影響，取2棟建筑的最大沉降計(jì)算值和監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖8所示。

(a)移動大樓

由圖8(a)可知，移動大樓數(shù)值模擬累計(jì)最大沉降值為5.91 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)最大沉降值為6.46 mm，差值不大；圖8(b)七天酒店建筑物計(jì)算值與監(jiān)測值分別為5.89、6.50 mm，兩者差值不大，進(jìn)一步分析2圖的變化趨勢，建筑物的累計(jì)沉降計(jì)算值和監(jiān)測值都隨著開挖深度的增加不斷增加，變化趨勢一致。同時(shí)當(dāng)開挖第1、2層土?xí)r，2棟建筑物的沉降值增加速率緩慢，但隨著第3、4層土開挖，建筑物的沉降值顯著增大，由數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可知，當(dāng)基坑開挖第3、4層土的移動大樓和七天酒店的建筑物沉降量分別占總的沉降量的68.8%、82.3%，說明第3、4層土的開挖對建筑物影響最大，其中第3、4層土主要為粉土和圓礫層，這可能一方面是因?yàn)殡S著土體的卸荷，土體應(yīng)力得到釋放，建筑物周邊土體向基坑內(nèi)垮塌，導(dǎo)致建筑物沉降值急劇增大；一方面基坑上部土體強(qiáng)度較高，主要為填土和粉質(zhì)黏土，下部土體主要為粉土和圓礫層，強(qiáng)度不如上部土體。

鄭剛等[22]在考慮建筑物初始不均勻沉降的基礎(chǔ)上，研究基坑開挖對條形基礎(chǔ)建筑物的影響，得出當(dāng)建筑物縱墻垂直于基坑邊，且處于坑外沉降槽最低點(diǎn)的時(shí)候，此時(shí)墻體拉應(yīng)變顯著增大的結(jié)論，本工程移動大樓的橫墻與縱墻均垂直于基坑邊，因此，有必要進(jìn)一步分析移動大樓的不均勻沉降，取移動大樓長邊和短邊墻體差異沉降值計(jì)算值和實(shí)測值做對比分析，建筑物差異沉降值如圖9所示。

(a)建筑物短邊方向

由圖9可知，建筑物短方向的沉降最大值在最靠近基坑處，數(shù)值模擬值和實(shí)測值分別約5.91、6.71 mm，均遠(yuǎn)小于規(guī)范值，建筑物長邊方向沉降最大值在靠近基坑附近處，數(shù)值模擬值和實(shí)測值分別為6.03、6.89 mm，均遠(yuǎn)小于規(guī)范值允許的最大沉降值30 mm，且墻體數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值變化趨勢一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性，雖然移動大樓建筑物的橫墻和縱墻都垂直于基坑邊，但墻體的變化趨勢卻相差很大。究其原因，可能是2墻體所處于不同的基坑開挖深度，移動大樓縱墻垂直于基坑一側(cè)的土體開挖深度為15.30 m，而橫墻垂直于基坑邊的開挖深度為10.60 m。

4.3 周邊土體沉降值

基坑開挖過程，土體應(yīng)力得到釋放，基坑地表沉降過大，會對周邊建筑、管線等設(shè)施，造成破壞，因此有必要分析基坑開挖周邊地表沉降的影響。累計(jì)沉降量最大的監(jiān)測點(diǎn)為D45-3、D47-3、D43-4、D39-1，實(shí)測值從2020年10月21日開始進(jìn)行監(jiān)測，直至基坑開挖完成，總共50 d的監(jiān)測值,周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。開挖完成之后，累計(jì)沉降最大值為11.13 mm；地表沉降值較大的部位均出現(xiàn)于基坑邊的中部，該基坑呈現(xiàn)出顯著的基坑開挖效應(yīng)。

圖10 周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果

選取測點(diǎn)D45-3實(shí)測值和計(jì)算值做對比分析所得的地表沉降值如圖11所示，由圖可知，隨著基坑第1、2層土的開挖，D45-3的實(shí)測值和計(jì)算值都變化不大，說明這兩層土的開挖對地表影響很??；但隨著第3層開挖，該測點(diǎn)沉降值迅速增大；當(dāng)?shù)?層土開挖時(shí)，地表沉降值迅速增大，相較于第3層土開挖，第4層土圓礫層的開挖顯然對地表影響更大，開挖第4層土該測點(diǎn)的實(shí)測和計(jì)算值的沉降量分別占總沉降量的62.9%、58.5%，表明在該基坑開挖中，圓礫層土較為敏感，基坑開挖完成之后，D45-3測點(diǎn)實(shí)測值和計(jì)算值雖有所差別，但是總體變化趨勢一致。

圖11 D45-3地表沉降值

進(jìn)一步分析基坑開挖過程中地表沉降剖面的規(guī)律，選取D47-3測點(diǎn)所在的剖面進(jìn)行分析，得到的地表沉降剖面值如圖12所示。由圖可知，墻后地表沉降最大值在距基坑邊5 m處，與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，同時(shí)變形趨勢也與監(jiān)測值較為吻合，基坑開挖影響區(qū)域約為1.8H，遠(yuǎn)小于Hsieh等[23]給出的0～4H影響范圍，分析可能是本基坑采用地下連續(xù)墻+③道混凝土內(nèi)置撐整體剛度較大，很好地限制了土體側(cè)向位移，保護(hù)了基坑周邊環(huán)境。

圖12 地表沉降剖面值

4.4 周邊管線沉降

圖13為管線沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由圖可知，GX6-4測點(diǎn)管線沉降值最大，最大沉降值值達(dá)到10.44 mm，其他3個(gè)測點(diǎn)沉降值相差不大，從曲線的變形趨勢分析，GX6-1、GX6-2、GX6-3沉降值并未隨著基坑開挖深度的增加而增大；反之，GX6-4測點(diǎn)值隨著基坑開挖，沉降值在不斷增大，直至基坑底板施工完畢，該測點(diǎn)沉降值趨于穩(wěn)定，結(jié)合現(xiàn)場施工資料可知，該管線在基坑開挖前已經(jīng)改線布置，其中因?yàn)镚X6-1測點(diǎn)部分的管線位于車站頂板上，受基坑開挖影響較小，GX6-2、GX6-3位于坑角附近，受基坑開挖空間效應(yīng)的影響，其沉降值明顯小于GX6-4,在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)格外注意對GX6-4測點(diǎn)部分的管線保護(hù)。

圖13 周邊管線沉降值

5 結(jié)論

① 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，誤差較小，且對周邊環(huán)境的影響變形規(guī)律一致，驗(yàn)證了模型的可靠性，可用于預(yù)測基坑開挖所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊地表沉降。

② 異形深基坑開挖過程具有明顯的空間效應(yīng)，主要表現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移發(fā)生在基坑邊中部位置，以及周邊地表沉降最大值也主要集中在基坑中部，基坑邊角處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降值都較小。

③ 基坑開挖第3(粉土)、4層土(圓礫)，移動大樓和七天酒店的建筑物沉降量分別占總的沉降量的68.8%、82.3%，說明第3、4層土的開挖對建筑物影響最大，在實(shí)際施工過程中，需特別注意對2棟建筑物的保護(hù)；開挖第4層土地表典型測點(diǎn)的實(shí)測值和計(jì)算值的沉降量分別占總沉降量的62.9%、58.5%，表明在異形深基坑開挖中，圓礫層土層相比較于其他土層更為敏感，對基坑周邊環(huán)境影響更大。