不同開挖順序對基坑圍護結構變形影響分析

徐 松，童立紅，丁海濱，徐長節(jié)，吳智龍

（1.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013；2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013；3.深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518063）

伴隨城市化的不斷推進，城市用地日益緊張，大力開發(fā)利用地下空間[1-5]及建造軌道交通[6-12]成為城市可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。然而，諸多理論研究及工程實踐發(fā)現，城市中的基坑作業(yè)對周邊建筑物及城市地下管線帶來十分不利影響。鄭剛[13]從基坑施工全過程控制的視角，分析了基坑施工全過程各階段的變形特征、機理以及對環(huán)境的影響。劉波等[14]針對隧道位于基坑外側和下方兩種方位，分別從基坑開挖對既有隧道的影響機制、基坑開挖引起隧道變形的影響區(qū)、隧道受基坑開挖影響變形預測方法以及基坑開挖對隧道影響控制方法4 個方面總結了當前最新研究成果。郭延輝等[15-17]通過研究基坑開挖對周邊既有隧道及管線的影響，發(fā)現基坑開挖對周邊環(huán)境的影響較為顯著。朱國權等[18]利用PLAXIS 數值軟件分析了基坑分坑、分塊開挖順序對隧道變形的影響。結果表明：鄰近軌道交通的基坑開挖時，應先遠坑后近坑，先小坑后大坑，并采取跳挖的施工順序。時春震等[19]分析了臨近地鐵深基坑開挖的特點及難點，并根據自身特點提出了相應的解決措施，最終利用一種“分區(qū)分層分段限時對稱均衡”的開挖順序解決了臨近地鐵的深基坑開挖的難題。魯泰山等[20]采用有限元模擬方法研究了不同開挖深度下坑底中心土體擾動度分布規(guī)律及強擾動區(qū)深度，結果表明，擾動會顯著增加地基沉降量，考慮土體擾動的地基沉降量與不考慮土體擾動的地基沉降量比值將從1.43 增加至2.24。

以上研究均為對基坑的分區(qū)、分段開挖順序進行研究，而對基坑的不同開挖方向和開挖量對圍護結構的影響研究較少。傳統的基坑數值分析分層一次性開挖，忽略了不同開挖方向和開挖量的影響，不能得到基坑的整體工作性狀。

本文以杭州某地鐵車站基坑工程項目為依托，采用三維有限元軟件（PLAXIS 3D），數值模擬并分析基坑開挖時的地連墻水平位移、地表沉降的變化，進而得出對應的結論。并在前人研究的基礎上，通過對基坑開挖順序進行研究：從左往右開挖、從中間往兩側開挖及從兩側往中間開挖，分析不同開挖順序對圍護結構的變形影響，可為工程設計及施工提供參考。

1 工程概況

擬建車站為地下兩層島式車站，其中地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，站臺寬度為12.6 m。標準段基坑寬度為21.7 m，深度約17.9 m，小里程端頭井寬25.8 m，深度約19.4 m，大里程端頭井寬25.8 m，深度約18.3 m。車站主體圍護墻厚達800 mm，地連墻墻趾進入中風化巖層，平均嵌巖厚度接近2.0 m，深度范圍24.5～35 m。立柱樁徑為0.9 m，混凝土支撐截面尺寸為800 mm×800 mm，第2、3 道鋼支撐采用?800×16 mm，第四道鋼支撐采用?609×16 mm。車站支護橫斷面圖如圖1 所示。

圖1 車站斷面及地層分布示意圖Fig.1 Station section and stratum distribution diagram

擬建車站地貌單元屬于沖洪積和沖海積平原，地貌形態(tài)較簡單，車站場地范圍內無河流、湖泊、水塘分布，地表水不發(fā)育。擬建場地水文地質單元屬平原區(qū)水文地質單元，地下水位約在地表以下1.5～2.5 m 處。

2 模型參數選取

采用三維有限元軟件（PLAXIS 3D）建立數值計算模型分析該地鐵車站標準段（42～54 軸）施工過程中圍護結構變形、支撐軸力、地表沉降變形等的變化。

在實際數值模擬過程中，立柱樁選取嵌入式梁單元，地連墻選擇板單元，混凝土支撐則選用梁單元，鋼支撐選取點對點錨桿單元，結構與土體接觸選擇界面單元。綜合工程場地因素，并考慮基坑開挖影響范圍（約2～3 倍的基坑開挖深度），為消除邊界條件影響，模型尺寸取117 m×130 m×84.6 m（x×y×z，x、y、z 分別代表地鐵車站平行、橫向垂直及豎向垂直行車方向）。同時，空間四面體10 節(jié)點單元被選來劃分模型網格，數值模擬圖具體如圖2 所示。土體應力-應變的本構理論采用考慮土體小應變特性的硬化模型（HS-Small Model）進行模擬，其余部件（如地連墻、立柱樁、支撐等）采用線彈性本構模型進行模擬。表1 為本構模型參數選取結果，表2 為不同有限元分析工況。

表1 土體本構模型參數Tab.1 Soil constitutive model parameters

表2 有限元分析工況Tab.2 Finite element analysis of working conditions

圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element model diagram

3 模型驗證

通過對實測數據進行分析發(fā)現，基坑開挖至坑底時，由于時效性、空間效應以及下部巖層約束等因素，土體變形發(fā)展緩慢，導致地連墻變形未完全發(fā)展，而當第3、4 道支撐拆除后，該區(qū)域的坑外土體應力得到了釋放，使得地連墻變形得到了快速且完全的發(fā)展。由于有限元計算中土體應力的釋放沒有滯后性，使得每一工況下地連墻的變形均為完全發(fā)展后的變形，因此選取Phase 11 拆除第3、4 道支撐工況作為本次計算結果與實測結果對比的工況。圖3 為ZQT 17 與ZQT 31 測點墻體測斜計算值與實測值對比圖，由圖可知，計算得到的東西兩側地連墻的變形模式與實測的地連墻變形模式相同，均為內凸型的圍護結構變形模式；此外，東西兩側地連墻水平位移變形結果和實測結果一致，同時包括最大水平變形對應的深度。通過計算與實測的對比，證明了本次所采用的有限元計算模型的可靠性，因此后續(xù)可根據該有限元計算模型對地鐵車站不同施工工況下的受力及變形進行分析。

圖3 實測值與計算值對比Fig.3 Comparison of measured and calculated values

4 結果分析

4.1 地連墻水平位移分析

伴隨地鐵車站作業(yè)的進行，地連墻水平變形時刻變化。其中，開挖工況以及拆撐工況主要表現為地連墻水平位移的逐漸增大，左側地連墻最大值為24.1 mm，右側地連墻最大值為12.5 mm；而鋼支撐施工工況下，由于鋼支撐施工時均需施加一定的預應力，對地連墻表現為反向加載從而導致地連墻水平位移有一定的減小，但減小幅度不大。地連墻水平位移見圖4 所示。對比圖4 東西兩側（分別對應基坑左右兩側）地連墻水平位移圖可以發(fā)現（最大變形為綠色的是西側地連墻，最大變形為藍色的是東側地連墻），東側地連墻的水平位移明顯大于西側地連墻的，這主要有3 點原因：

圖4 不同工況下地連墻水平位移最大值Fig.4 Maximum horizontal displacement of underground continuous wall under different working conditions

1）東側地連墻深度范圍內存在②3淤泥質，粉質黏層，該土層的性質較差（變形模量僅為3.78 MPa），而西側地連墻深度范圍沒有這一層土；

2）坑底附近存在⑥3含砂粉質黏土層，該土層的性質也相對較差，而東側坑底附近該層土的厚度明顯大于西側的；

3）東側基巖埋深明顯大于西側的。

4.2 地表沉降分析

土體開挖第1 層導致坑外地表沉降變形增量最為顯著，左側坑外地表沉降變形最大值增量達到了-9.45 mm，右側坑外地表沉降變形最大值增量達到了-7.82 mm；左側坑外地表沉降變形在開挖階段均有一定幅度的增長，同時在后序拆除及車站結構施工過程中，坑外地表沉降變形也有一定的增長，但當車站中板施工完成，坑外地表沉降變形變化幅度十分微小；右側坑外地表沉降變形在第1 層開挖完成后就沒有發(fā)生太大幅度的變化，僅在前期開挖第2 層以及后續(xù)拆除第3、4 道支撐與車站中板施工過程中，墻體最大水平位移發(fā)生了一定幅度的增大，同時，與左側坑外地表沉降變形相同，當車站中板施工完成，坑外地表沉降變形變化幅度十分微小。從圖5 可以看出，左側地表的沉降峰值達22.9 mm，右側則接近12.8 mm。

圖5 不同工況下地表沉降最大值Fig.5 Maximum surface settlement under different wor king conditions

4.3 不同開挖工況影響分析

4.3.1 從左往右開挖

本次研究依據上節(jié)有限元模型進行研究分析，通過設置不同的開挖工況對圍護結構水平位移、地表沉降變形進行研究分析。開挖工況示意圖見圖6所示。

圖6 開挖工況圖Fig.6 Excavation working condition diagram

以左側地連墻為分析對象，不同工況下的地連墻水平位移和地表豎向位移如圖7 和圖8 所示。由圖7 可知，開挖一時由于未開挖到關注點，此時中部的地連墻的水平位移接近為0。隨后地連墻的水平位移隨著土體的卸載逐漸增大，最大值在開挖6工況為18.0 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約5.9 mm。地表沉降與地連墻的變化規(guī)律類似，最大值為13.64 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約8.2 mm。地連墻開挖6 位移云圖如圖9 所示，其最大值出現在最先開挖處，最大值為23.21 mm，主要是因為剛開挖時加撐不及時，導致最先開挖處位移最大。

圖7 左側地連墻水平位移Fig.7 Horizontal displacement of left underground continuous wall

圖8 左側地表豎向位移Fig.8 Vertical surface displacement of the left side

圖9 左側地連墻開挖6 位移云圖（單位：m）Fig.9 Displacement nephogram of the left underground continuous wall for Phase 6（Unit：m）

4.3.2 從中間往兩側開挖

從中間往兩側開挖工況示意圖見圖10 所示。同樣以左側地連墻為分析對象，不同工況下的地連墻水平位移和地表豎向位移如圖11 和圖12 所示。由圖11 可知，地連墻的水平位移隨著土體的卸載逐漸增大，最大值在開挖6 工況為13.76 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約10.34 mm。地表沉降與地連墻的變化規(guī)律類似，最大值為9.08 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約12.76 mm。地連墻開挖4 位移云圖如圖13 所示，其最大值出現在剛開挖處的兩側處，最大值為18.35 mm，主要是由于開挖處兩側未及時支撐，導致兩側的地連墻水平位移比中間的大。

圖10 開挖工況圖Fig.10 Excavation working condition diagram

圖11 左側地連墻水平位移Fig.11 Horizontal displacement of left underground continuous wall

圖12 左側地表豎向位移Fig.12 Vertical surface displacement of the left side

圖13 左側地連墻開挖4 位移云圖（單位：m）Fig.13 Displacement nephogram of the left underground continuous wall for Phase 4（Unit：m）

4.3.3 從兩側往中間開挖

從兩側往中間開挖工況示意圖見圖14 所示。仍以左側地連墻為分析對象，不同工況下的地連墻水平位移和地表豎向位移如圖15 和圖16 所示。由圖15 可知，地連墻的水平位移隨著土體的卸載逐漸增大，最大值在開挖5 工況為13.91 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約10.19 mm。地表沉降與地連墻的變化規(guī)律類似，最大值為9.03 mm，其最值相較于同時開挖工況減少約12.81 mm。地連墻開挖5 位移云圖如圖17 所示，其最大值出現在剛開挖處的兩側處，最大值為23.13 mm，主要是由于開挖處未及時支撐，導致兩側的地連墻水平位移比中間偏大。

圖14 開挖工況圖Fig.14 Excavation working condition diagram

圖15 左側地連墻水平位移Fig.15 Horizontal displacement of left underground continuous wall

圖16 左側地表豎向位移Fig.16 Vertical surface displacement of the left side

圖17 左側地連墻開挖5 位移云圖（單位：m）Fig.17 Displacement nephogram of the left underground continuous wall for Phase 5（Unit：m）

5 結論

1）同一基坑的圍護結構左右兩側變形差異顯著，不能將土層看作是水平均布土層進行分析，需要對變形大側土體減少基坑的堆載，盡量將荷載分布在圍護結構變形小的一側。

2）地連墻水平位移、地表沉降及車站主體結構的變形均隨著基坑的開挖及車站的建造逐漸增大，水平變形峰值達24.1 mm，地表沉降峰值接近22.9 mm。

3）開挖工況的不同明顯影響地連墻的位移變形，從中間往兩側開挖對地連墻的變形影響最小，僅為18.35 mm，相較于原工況減少約25%，對工程產生最有利的影響。