軟土地區(qū)相鄰深大基坑同期施工的影響分析

陳文祥，王武杰，彭 帆

（1.宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310004；2.杭州天恒投資建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310004）

0 引 言

由于人口逐漸向城市聚集，城市土地資源日益緊缺，建筑愈發(fā)密集，為緩解日益增長(zhǎng)的交通擁堵問題，城市地鐵網(wǎng)路規(guī)模不斷擴(kuò)大，而地鐵線路周邊的商業(yè)價(jià)值顯著，越來越多的高層建筑在地鐵沿線建設(shè)，多個(gè)相鄰基坑同期開挖的情況愈發(fā)常見。隨著基坑工程的不斷發(fā)展，基坑工程呈現(xiàn)出規(guī)模更大，開挖深度更深，周邊環(huán)境日趨復(fù)雜的趨勢(shì)。不同于常規(guī)單一基坑，基坑群同期施工間的相互作用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜[1]。

目前，已有不少學(xué)者針對(duì)基坑群開挖相互影響方面的問題開展了較多的研究[2-5]。胡敏云等[6]借助數(shù)值分析，得到了基坑變形受到相鄰基坑開挖的疊加影響的結(jié)論。陳東杰[7]通過有限元計(jì)算分析，指出兩基坑的間距是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要因素，通過對(duì)相鄰基坑間土體及被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固均能較好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。戴斌等[1]建立相鄰基坑相互影響的數(shù)值模型，認(rèn)為基坑間預(yù)留一定寬度的留土可以起到一定的緩沖作用，并給出了合理的緩沖區(qū)寬度。丁智等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析認(rèn)為相鄰基坑施工與單一基坑施工相比，深層土體位移變化規(guī)律有明顯不同，且后基坑的開挖會(huì)降低前基坑的支撐軸力。徐良仲等[9]根據(jù)施工工程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演數(shù)值模型參數(shù)，并進(jìn)一步分析了后續(xù)施工工況對(duì)鄰近地鐵車站的影響。

因此，相鄰基坑的同期施工與單一基坑施工引起的基坑變形有著較大的差異。本文以杭州兩相鄰軟土基坑施工為背景，介紹了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并通過有限元建模分析了相鄰基坑同期開挖不同工況下的相互影響。

1 工程概況

杭州某基坑工程開挖面積約13 200 m2，下設(shè)3層地下室，開挖深度為15.4～16.3 m，基坑?xùn)|側(cè)及南側(cè)均為空地，基坑西側(cè)埋設(shè)有地下管線，距基坑邊最小凈距為 6.6 m，基坑北側(cè)為在建地鐵車站基坑，距基坑邊最小凈距僅為1 m，地鐵車站基坑主體長(zhǎng)約260 m，基坑開挖深度約為26.9～28.7 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻結(jié)合內(nèi)支撐的布置形式。兩相鄰基坑相對(duì)位置及周邊環(huán)境見圖1。

圖1 基坑及周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of foundation pit and surrounding environment

2 土層分布及水文地質(zhì)

如圖2所示為典型地質(zhì)剖面，所示開挖影響范圍內(nèi)主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

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

由圖2可知，基坑開挖范圍內(nèi)有深厚淤泥質(zhì)土，該土層廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)地，坑底以下主要以粉質(zhì)黏土為主，地鐵車站基坑坑底位于⑦1層粉質(zhì)黏土中。

孔隙潛水的穩(wěn)定水位埋深為0.70～1.60 m，受大氣降水豎向入滲補(bǔ)給及地表水體下滲補(bǔ)給為主，徑流緩慢，水位隨季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化明顯，與地表水體具有一定的水力聯(lián)系，地下水位埋深和變化幅度受季節(jié)和大氣降水的影響，動(dòng)態(tài)變化大，水位變幅一般在1.0～2.0 m。

3 圍護(hù)設(shè)計(jì)方案及施工優(yōu)化

3.1 圍護(hù)體系設(shè)計(jì)方案

考慮到基坑開挖深度較大，且開挖深度范圍內(nèi)分布有深厚淤泥質(zhì)土，力學(xué)性質(zhì)較差，基坑（基坑2）北側(cè)有地鐵車站基坑（基坑 1），變形控制要求較高，因此，基坑2圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：基坑整體上分為南側(cè)大基坑（南坑）及北側(cè)小基坑（北坑），南坑采用4個(gè)大角撐+邊桁架的支撐平面布置形式，較大的施工空間方便了土方的開挖；北坑采用角撐+對(duì)撐的支撐平面布置形式。南坑與北坑采用1 000 mm厚地連墻分隔，基坑2東西兩側(cè)主要采用Ф1 100@1 200/1 250 mm鉆孔灌注樁作擋土結(jié)構(gòu)，基坑2南側(cè)為Ф1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁。地連墻與鉆孔灌注樁外均設(shè)單排 Ф850@600三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，采用套接一孔的形式以加強(qiáng)止水效果。為控制基坑2開挖對(duì)鄰近基坑1的影響，坑內(nèi)采用Ф850@600三軸水泥攪拌樁進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固以改善土體性質(zhì)?；?采用1 000 mm厚地連墻結(jié)合內(nèi)支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，總計(jì)6道支撐，其中第一、四道為混凝土支撐，其余為鋼支撐，鋼支撐與混凝土支撐相比，可大大節(jié)約混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。基坑典型剖面圖見圖3。

圖3 典型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Cross-section of typical foundation pit support structure

3.2 土方開挖順序

前述研究表明，相鄰基坑間的留土可作為緩沖區(qū)，降低基坑開挖對(duì)鄰近基坑的影響，因此基坑2先行開挖南坑，北坑作為南坑及基坑1間的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)寬度范圍約為0.7～1.2倍的基坑開挖深度。待南坑完成地下室結(jié)構(gòu)施工后再分層分塊開挖北坑。

基坑1首先開挖東坑（圖1），而后開挖西坑端頭井部位，再開挖與基坑2相鄰部分基坑，最后開挖西坑剩余部分。

4 相鄰基坑開挖相互影響分析

4.1 數(shù)值模擬分析

有限元模擬軟件可以模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，并能較高地還原實(shí)際施工工況。采用 Plaxis 2D數(shù)值模擬軟件對(duì)兩相鄰基坑進(jìn)行建模分析，見圖4。

圖4 兩相鄰基坑模型Fig.4 Model of two adjacent foundation pits

模型尺寸為：150 m×50 m，土體本構(gòu)模型采用HSS模型，可以考慮土體的剪切硬化、壓縮硬化和小應(yīng)變剛度特性，該模型主要包含以下參數(shù)：三軸排水剪切試驗(yàn)割線模量E50ref，固結(jié)試驗(yàn)的主加載切線模量Eoedref，三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗(yàn)的參考模量Eurref，小應(yīng)變參數(shù)G0ref及γ0.7分別為動(dòng)剪切初始模量與割線剪切模量衰減到初始剪切模量70%時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變，根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)有研究結(jié)果[10]，土體基本參數(shù)取值見表2。圍護(hù)墻采用板單元模擬，支撐采用錨定桿單元模擬，結(jié)構(gòu)尺寸均按實(shí)際取值，混凝土模量統(tǒng)一取為30 GPa，泊松比為0.15，鋼支撐彈性模量取為210 GPa，泊松比為0.25。

表2 HSS模型中土體基本參數(shù)Table 2 Parameters of soil in HSS model

結(jié)合兩相鄰基坑實(shí)際開挖順序，有限元分析施工工況見表3。

表3 施工工況Table 3 Construction conditions

圖5～6為基坑2開挖到第三道支撐底時(shí)土體水平位移及豎向位移的云圖，由圖可知，由于坑內(nèi)土體的開挖，坑外土體發(fā)生了一定的水平位移及豎向位移，水平位移最大值發(fā)生在坑底以下，由于鄰近基坑1右側(cè)（南側(cè)）圍護(hù)墻的存在，約束了土體水平位移的進(jìn)一步擴(kuò)散；土體沉降主要發(fā)生在北坑留土中，最大沉降位于地表面，同樣的，由于鄰近基坑1右側(cè)圍護(hù)墻的存在，限制了土體沉降的進(jìn)一步傳播，但基坑1坑內(nèi)土體還是產(chǎn)生了一定的位移。

表2是2004—2018年國(guó)內(nèi)移動(dòng)閱讀研究排名前10位的高被引文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)主要來自于圖書情報(bào)學(xué)科領(lǐng)域，主題涉及移動(dòng)圖書館的應(yīng)用、移動(dòng)信息服務(wù)、移動(dòng)閱讀推廣、手機(jī)移動(dòng)閱讀等方面。高產(chǎn)作者茆意宏有3篇文章位列被引頻次前十名，其3篇高被引文章重點(diǎn)關(guān)注了手機(jī)移動(dòng)閱讀的過程及影響因素、圖書館移動(dòng)信息服務(wù)的現(xiàn)狀及需求滿足對(duì)策等。

圖5 土體水平位移云圖（工況四）Fig.5 Horizontal displacement of soil under condition 4

圖6 土體豎向位移云圖（工況四）Fig.6 Vertical displacement of soil under condition 4

圖7～8為工況五時(shí)基坑的變形云圖，此時(shí)基坑2已開挖至基坑底，鄰近基坑1剛開挖至第二道支撐底，由圖可見，由于基坑2的進(jìn)一步開挖，土體最大水平變形進(jìn)一步增大，且發(fā)生位置下移，相較于坑底及基坑1左側(cè)（北側(cè)）的土體變形區(qū)域，可以明顯的看到北坑留土區(qū)域土體水平位移的影響范圍更小。從鄰近基坑1土體水平位移云圖可以看出，基坑1兩側(cè)圍護(hù)墻均向基坑2方向發(fā)生位移，但基坑1右側(cè)圍護(hù)墻水平變形更小，表明右側(cè)圍護(hù)墻水平變形疊加了基坑1坑內(nèi)土體挖除的影響及基坑2坑內(nèi)土體開挖的影響，影響疊加后右側(cè)圍護(hù)墻仍表現(xiàn)為向坑外變形。從沉降云圖中可以看出，坑內(nèi)土體的挖除進(jìn)一步增加了中間留土的沉降，但由于圍護(hù)墻的遮攔效應(yīng)，對(duì)鄰近基坑1坑內(nèi)土體沉降的影響較小。

圖7 土體水平位移云圖（工況五）Fig.7 Horizontal displacement of soil under condition 5

圖8 土體豎向位移云圖（工況五）Fig.8 Vertical displacement of soil under condition 5

圖9～10為兩相鄰基坑都已完成開挖后土體的變形云圖，由圖可見，基坑1左側(cè)圍護(hù)墻水平變形隨開挖逐漸增大，影響范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，且最大值發(fā)生位置位于坑底附近，而右側(cè)圍護(hù)墻受到鄰近基坑2土體挖除的影響，向坑內(nèi)的變形較左側(cè)更小。而基坑2由于鄰近基坑1的開挖卸荷，土體水平變形有減小的趨勢(shì)。在土體沉降方面，鄰近基坑1的開挖使得沉降繼續(xù)增加且影響范圍更大更深。

圖9 土體水平位移云圖（工況八）Fig.9 Horizontal displacement of soil under condition 8

圖10 土體豎向位移云圖（工況八）Fig.10 Vertical displacement of soil under condition 8

圖11～12為北坑坑內(nèi)土體完全挖除時(shí)的土體變形云圖，由圖可見，基坑1左側(cè)圍護(hù)墻側(cè)向變形進(jìn)一步增大約10 mm。由于原有最大沉降發(fā)生于北坑土體，此時(shí)，由于此處土體挖除，最大沉降發(fā)生于基坑1左側(cè)，距離圍護(hù)墻約0.5倍開挖深度。由此可見，中間留土的挖除會(huì)增加遠(yuǎn)離留土一側(cè)圍護(hù)墻的水平變形，減小靠近留土一側(cè)圍護(hù)墻的水平變形，但中間留土沉降變形較大，應(yīng)視保護(hù)對(duì)象及工程情況決定兩基坑間是否留有一定的土體作緩沖區(qū)。

圖11 土體水平位移云圖（工況十二）Fig.11 Horizontal displacement of soil under condition 12

圖12 土體豎向位移云圖（工況十二）Fig.12 Vertical displacement of soil under condition 12

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在兩相鄰基坑開挖過程中，對(duì)基坑變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，選取了基坑 1圍護(hù)墻水平位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)見圖13。

圖13 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)圖Fig.13 Layout of monitoring points of foundation pit

圖14為整個(gè)開挖階段各測(cè)點(diǎn)圍護(hù)墻最大變形的實(shí)測(cè)變形規(guī)律，圍護(hù)墻水平變形整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在不同工況下，圍護(hù)墻水平變形表現(xiàn)不同。在工況四階段，由于基坑2的開挖，基坑1圍護(hù)墻水平變形略微減小，但最終位移方向指向坑內(nèi)，與有限元計(jì)算結(jié)果不同，這是由于地鐵車站東側(cè)端頭井部位先期開挖，使得東側(cè)圍護(hù)墻在基坑2開挖前即有指向坑內(nèi)的變形。在工況五階段，由于兩側(cè)基坑同期開挖，基坑2右側(cè)圍護(hù)墻水平變形變化較小，而基坑1左側(cè)圍護(hù)墻由于兩基坑的同時(shí)卸荷，圍護(hù)墻水平變形迅速變大。在工況八基坑1開挖到底階段，兩側(cè)圍護(hù)墻水平變形持續(xù)增大，但基坑1左側(cè)圍護(hù)墻水平變形增幅要大于右側(cè)。在北坑開挖階段，基坑1左側(cè)圍護(hù)墻水平變形繼續(xù)增大，右側(cè)圍護(hù)墻水平變形略微減小。

圖14 實(shí)測(cè)圍護(hù)墻水平位移Fig.14 Measurements of horizontal displacement of diaphragm wall

圖15為有限元計(jì)算的基坑1兩側(cè)的圍護(hù)墻最大水平變形，如圖所示，基坑1北側(cè)圍護(hù)墻在開挖階段變形不斷增加，在拆撐階段，變形基本保持不變，最后北坑的開挖進(jìn)一步增加了圍護(hù)墻水平變形。而基坑1南側(cè)圍護(hù)墻在工況六之前，由于基坑2的開挖，南側(cè)圍護(hù)墻發(fā)生指向坑外的位移，因此表現(xiàn)為負(fù)數(shù)，而且發(fā)生于圍護(hù)墻頂。隨著基坑1的逐漸開挖，圍護(hù)墻最大變形逐漸增大，在工況六時(shí)圍護(hù)墻最大變形發(fā)生了較大的突變，這是由于此時(shí)圍護(hù)墻最大變形指向坑內(nèi)，且發(fā)生于基坑開挖面附近。隨后，在拆撐階段，變形基本保持不變?；?北坑的開挖，使得南側(cè)圍護(hù)墻最大變形略微減小。有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，整體趨勢(shì)及變形增量均較為接近。

圖15 數(shù)值模擬圍護(hù)墻水平位移Fig.15 Numerical simulation of horizontal displacement of diaphragm wall

5 結(jié) 論

（1）相鄰基坑的同期開挖與單一基坑開挖不同，相鄰基坑土體的開挖不僅對(duì)自身基坑變形有影響，對(duì)鄰近基坑也存在一定的影響。

（2）圍護(hù)墻可以限制由鄰近基坑開挖引起的土體位移的進(jìn)一步擴(kuò)散。

（3）遠(yuǎn)離鄰近基坑一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形要大于靠近鄰近基坑一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

（4）兩基坑間土體的開挖會(huì)增加遠(yuǎn)離留土一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。