沿海城市地下異形建筑基坑工程挖掘方案

馬樂(lè)強(qiáng) MA Le-qiang

（華南理工大學(xué)，廣州 510640）

0 引言

“多維空間，大規(guī)模，復(fù)雜結(jié)構(gòu)”的城市地下空間建設(shè)已成為不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。新的施工理念對(duì)基坑工程的建設(shè)提出了更高的要求，特別是高標(biāo)準(zhǔn)特殊形狀的地下建筑工程，因此提出經(jīng)濟(jì)合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與開挖方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目包括軌道交通工程，市政工程和地下公共空間工程，項(xiàng)目周圍環(huán)境復(fù)雜，各類建筑、市政道路、來(lái)往行人車輛分布在基坑周圍（如圖1 所示）。因此，該項(xiàng)目對(duì)基坑工程的穩(wěn)定性要求較高。

該項(xiàng)目基坑工程主要包括三層地下結(jié)構(gòu)。第一層是地鐵車站大廳和公共空間，地下包含夾層結(jié)構(gòu)，為地鐵過(guò)境站通過(guò)高速公路隧道的平臺(tái)。第二層是地鐵傳輸大廳和設(shè)備室，它通過(guò)另一條高速公路隧道。第三層地下是另一個(gè)地鐵站的平臺(tái)樓。在基坑建設(shè)過(guò)程中，地質(zhì)環(huán)境變化很大，基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，交通流量大。因此，確?；拥氖┕ぐ踩瑴p少施工對(duì)周圍建筑物的影響，保持道路交通的連續(xù)流動(dòng)是該地下異形建筑基坑工程施工的難題。

地下異形建筑工程為三層多跨框架結(jié)構(gòu)，地下一層底板深度為14m，地下二次底板深度為21m，地下三層底板最大深度為33m，基坑平面直徑為200m。

2 有限元模擬分析

2.1 模型建立

本文采用Midas/GTS 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)空間應(yīng)變建立模型。幾何模型是根據(jù)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)建立的，包括中心區(qū)、北區(qū)和南區(qū)。根據(jù)支撐設(shè)計(jì)建立了中心區(qū)基礎(chǔ)模型，挖掘分為6 層，深度分別為9m，5m，6m，4m，5m 和4m?；颖眳^(qū)和南區(qū)深14m，分兩層挖掘，挖掘深度分別為4.5m 和8.5m。由于基坑結(jié)構(gòu)的影響范圍約為基坑平面尺寸的2-3 倍，因此模型尺寸為400m×400m×100m。

該模型考慮了結(jié)構(gòu)的自重，荷載方向垂直向下。模型中的邊界條件是自動(dòng)約束的；也就是說(shuō)，正常水平位移被約束在模型周圍，三個(gè)方向（x，y，z）的位移被約束在模型的底部，并且地球表面是自由表面。同時(shí)，垂直扭轉(zhuǎn)約束設(shè)置在柱樁的底部。假設(shè)土壤荷載均勻分布，周圍主干道上覆荷載設(shè)計(jì)為15kN/m2，周圍建筑荷載按每層18kN/m2計(jì)算。

改進(jìn)的莫爾-庫(kù)侖模型被用于土壤層的本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)力-應(yīng)變的切線模量Et為：

其中Et是切線模量，E0是初始彈性模量，Rf是失效率，其值在0.75 和1.00 之間，c 是內(nèi)聚力，φ 是內(nèi)摩擦角。σ1，σ2和σ3是土壤的應(yīng)力。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)模型

在該模型中，將樁以等剛度的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵赂裟け?，并使用厚度?65mm 的線性彈性模型板單元進(jìn)行模擬。轉(zhuǎn)換后的公式如公式（2）和（3）所示：

其中D 是樁的直徑，t 是樁的間距，h 是改造后的地下隔膜壁的厚度。

沿深度方向在基坑中心區(qū)設(shè)置了六個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。第一至第四支撐結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土支撐，第五和第六支撐結(jié)構(gòu)是鋼板支撐。沿基坑北部和南部地區(qū)的深度方向設(shè)置了兩個(gè)混凝土支撐結(jié)構(gòu)，并在支撐結(jié)構(gòu)的末端設(shè)置了頂梁或封閉梁。通過(guò)線性彈性梁?jiǎn)卧M每層、柱樁、頂梁的支撐。支撐結(jié)構(gòu)的模型網(wǎng)格如圖2 所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型網(wǎng)格

建立模型后，土壤層采用10 節(jié)點(diǎn)和四面體單元，梁采用3 節(jié)點(diǎn)線單元，網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用12 節(jié)點(diǎn)界面單元進(jìn)行土壤與結(jié)構(gòu)的相互作用。模型元素總數(shù)為360437 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為263819 個(gè)。模型的解決方案類型是施工階段。該模型如圖3 所示。

圖3 基坑三維有限元模型

在基坑施工過(guò)程中，地質(zhì)環(huán)境變化很大，周圍環(huán)境復(fù)雜，交通流量大。異形建筑基坑工程應(yīng)采用分割挖掘的施工方法。為了研究不同挖掘程序下各區(qū)之間的相互作用，從逐步挖掘和同步挖掘兩個(gè)方面模擬了不同的基坑挖掘施工組織，并討論了基坑挖掘的變形特征。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 逐步分割開挖的變形特征

3.1.1 模型工作條件設(shè)計(jì)

模擬了逐步分區(qū)挖掘方法的三種工作條件。①首先開挖中心區(qū)，然后同時(shí)挖掘南區(qū)和北區(qū)，記錄為條件1。②同時(shí)開挖基坑南區(qū)和北區(qū)，然后開挖中心區(qū)，記錄為條件2。③首先開挖基坑的北區(qū)，然后開挖基坑中心區(qū)，最后開挖基坑南區(qū)，記錄為條件3。

3.1.2 基坑周圍地面的變形特征

為了研究基坑周圍地面的變形特征，根據(jù)上述工作條件進(jìn)行了建模和計(jì)算，并在基坑的八個(gè)方向上選擇了測(cè)量點(diǎn)；它從北緯順時(shí)針依次命名為P1-P8。分析固定樁50m以內(nèi)的表面變形情況。

3.1.3 支撐結(jié)構(gòu)的變形

根據(jù)挖掘步驟完成模型的數(shù)值計(jì)算后，比較了三種工作條件下支撐結(jié)構(gòu)的變形情況，可以看出支撐結(jié)構(gòu)的變形差異明顯。差異主要反映在中部和南部-北部地區(qū)的共用樁上。在條件1 下，南北排的共用固定樁均變形至中心區(qū)內(nèi)側(cè)；在條件2 下，由南北排構(gòu)成的部分共用固定樁變形到中心區(qū)外；在條件3 下，北排共用固定樁的一部分變形到中心區(qū)外，南排共用固定樁的一部分變形到中心區(qū)內(nèi)部。

①外固定結(jié)構(gòu)的變形。進(jìn)一步分析了逐步分割挖掘方法工作條件下各區(qū)樁的變形情況。各工作條件下外固定樁的變形規(guī)律基本一致，樁軸呈“腰鼓形”；除測(cè)量點(diǎn)P1 外，所有固定樁的變形集中在7-11mm 范圍內(nèi)。上述分析表明，外固定結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律受基礎(chǔ)不同區(qū)域挖掘順序的影響較小，外固定結(jié)構(gòu)的變形相對(duì)均勻。

②坑區(qū)坑內(nèi)結(jié)構(gòu)變形的保持。選擇三個(gè)固定樁參考點(diǎn)以及與基坑北側(cè)相等的距離，其表示K1（西側(cè)凹角），K2和K3（東側(cè)凹角）。選擇固定樁的兩個(gè)參考點(diǎn)以及基坑南側(cè)的相等距離，其表示K4（西側(cè)凹角）和K5（短側(cè)中點(diǎn)）。

顯示：

1）K1，K3 和K4 測(cè)量點(diǎn)在不同開挖步驟下樁軸的變形幾乎沒(méi)有差異。樁頂部的最大變形集中在4-5mm 范圍內(nèi)，隨著開挖深度的增加，變形逐漸減小。

2）相比之下，發(fā)現(xiàn)在條件2 下固定樁的變形很小。這是因?yàn)橥诰蚩訁^(qū)坑時(shí)，挖掘出北部和南部地區(qū)的土壤。由于土壤的卸載效應(yīng)，坑區(qū)坑內(nèi)上層土壤的荷載效應(yīng)減弱，變形較小?；拥拈_挖順序?qū)訁^(qū)坑內(nèi)樁的變形有一定影響。

③共享保持結(jié)構(gòu)的變形。異形建筑基坑的共享固定結(jié)構(gòu)是指用于分隔中部地區(qū)和南北地區(qū)的固定樁。在這個(gè)工程中有三排共用的固定樁。北排位于bowknot 區(qū)的北側(cè)（長(zhǎng)度為26m），南1 排位于bowknot 區(qū)的西南側(cè)（長(zhǎng)度為26m），南2 排位于bowknot 區(qū)的東南側(cè)（長(zhǎng)度為39m）。沿北行選擇了三個(gè)參考點(diǎn)，分別表示ZN1（1/4 側(cè)），ZN2（中點(diǎn)）和ZN3（3/4 側(cè)）。沿南1 行和南2 行選擇5 個(gè)參考點(diǎn)，分別表示ZS1（1/3 南1 行），ZS2（2/3 南1 行），ZS3（1/4 南2行）），ZS4（南2 行中點(diǎn)）和ZS5（3/4 南2 行）。

顯示：

1）在bowknot 地區(qū)的挖掘過(guò)程中，共用固定樁軸的變形大約是“腰鼓形”。變形主要集中在地下10m 處，10m 以下樁軸的變形逐漸減小。中心固定樁的變形大于兩側(cè)固定樁的變形。

2）當(dāng)坑區(qū)坑挖掘時(shí)，南2 排固堆（長(zhǎng)堆）底部的變形繼續(xù)增大，最大變形位置隨著挖掘逐漸向下移動(dòng)。

3）當(dāng)在北部和南部地區(qū)建造基坑時(shí)，由于樁后面土壤的卸載作用，短樁的變形從原始的“腰鼓形”變?yōu)榻频摹按怪毙巍?。樁干主要受基坑?nèi)支撐的軸向力的影響。

4）樁的變形主要發(fā)生在南北地區(qū)的挖掘階段。

3.2 同步分割挖掘的變形特征

3.2.1 模型工作條件的設(shè)計(jì)

中心區(qū)和基坑南北區(qū)的同步分割挖掘分為兩種情況：同一層同步挖掘和分層同步挖掘。

3.2.2 基坑周圍地面的變形特征

建模和計(jì)算是根據(jù)上述工作條件進(jìn)行的。在計(jì)算了基坑模型之后，在與先前工作條件相同的位置選擇了參考點(diǎn)，稱為M1-M8。在條件4 和條件5 下，由于采用了對(duì)稱分割挖掘方法，基坑周圍地面變形的變形特征基本相同。

3.2.3 保持結(jié)構(gòu)的變形

當(dāng)根據(jù)工作條件4 和5 的挖掘步驟完成計(jì)算時(shí)，分析保持結(jié)構(gòu)的變形。

①外固定結(jié)構(gòu)的變形。

分析了同步分割挖掘過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)的變形。

變形曲線表明，在不同地區(qū)同步開挖條件下，周圍樁的變形不受開挖過(guò)程的影響，變形相對(duì)均勻。

②坑區(qū)坑內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的變形。

選擇了五個(gè)參考點(diǎn)，它們與逐步分區(qū)挖掘的位置相同，分別稱為M1'，M2'，M3'，M4'和M5'。顯示坑區(qū)坑內(nèi)樁的變形與階梯開挖的最終變形一致，表明基坑的同步開挖順序?qū)觾?nèi)樁的變形影響不大。

③共享保持結(jié)構(gòu)的變形。

選擇了八個(gè)參考點(diǎn)，其位置與逐步分區(qū)挖掘的位置相同。分析了不同開挖階段各保持樁的變形情況。

顯示在工作條件4 下：

1）當(dāng)?shù)谝粚娱_挖完成時(shí)，在第一支撐和第二支撐的約束下，頂置樁的變形較小，樁軸的最大變形位于地下約10m 處；也就是說(shuō)，在北部-南部地區(qū)的第二個(gè)支撐物（-4 m）與北部-南部地區(qū)的底部（-14m）之間。

2）當(dāng)異形建筑基坑挖掘到中心區(qū)的第一層時(shí)，由于樁后面的基坑土壤的卸載效應(yīng)，其近似線性形狀，顯示了保持樁的回彈變形。樁頂沒(méi)有明顯的變形，這是由于開挖前豎立的混凝土支撐阻礙了樁的回彈。

3）當(dāng)異形建筑基坑挖掘到中心區(qū)的第三層時(shí)，每個(gè)固定樁的變形進(jìn)一步增加，樁的變形在10-20mm 范圍內(nèi)最為明顯；在坑區(qū)坑的挖掘中，只有ZS4 和ZS5 保持樁（長(zhǎng)樁）繼續(xù)向下變形。

顯示在條件5 下：

1）在bowknot 地區(qū)挖掘基坑時(shí)，共用樁僅進(jìn)行單側(cè)土方卸載，各區(qū)樁的變形趨勢(shì)相對(duì)較近，表明各區(qū)樁的應(yīng)力區(qū)域是一致的。

2）在挖掘的早期階段，由于樁后土壤的卸載效應(yīng)，當(dāng)同時(shí)挖掘基坑的南部和北部區(qū)域時(shí)，保留樁的整體變形減小。隨著開挖步驟的推進(jìn)，保持結(jié)構(gòu)的變形繼續(xù)增加，表現(xiàn)為短樁整體變形較大，長(zhǎng)樁明顯變形僅發(fā)生在樁上部。

3）當(dāng)基坑開挖完成時(shí)，長(zhǎng)樁的變形呈拋物線狀，短樁仍有一定的鼓形；也就是說(shuō)，樁的變形沒(méi)有完全恢復(fù)，樁的整體變形較大，ZS5 的頂部變形大于ZS3 和ZS4 的頂部變形，這與角支撐的剛度有關(guān)。這表明當(dāng)在不同地區(qū)進(jìn)行分層同步挖掘時(shí)，內(nèi)力變化很大并且易于發(fā)生突變。

3.3 分區(qū)挖掘方法的比較

從以上分析可以看出：

①在基坑的逐步挖掘中，不同工作條件下基坑周圍地面的變形的特征在于基坑底部土壤的橫向位移和隆起。在工作條件1 和2 下對(duì)稱開挖的表面沉降很小。共用固定樁的最終變形向挖掘區(qū)域傾斜。當(dāng)樁兩側(cè)的土壤卸載時(shí)，保持樁的變形為“線形”。

②采用同步分割開挖時(shí)，各工作條件下坑周圍地面變形，外固樁變形，坑區(qū)坑內(nèi)變形與逐步變形相一致挖掘。共用樁的變形差異明顯。共用保持堆的變形很小，并且當(dāng)同步挖掘同一層時(shí)變形是一致的。樁的變形復(fù)雜，在分層同步開挖下容易發(fā)生突變的內(nèi)力分布不均勻。

③當(dāng)基坑逐步挖掘時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用對(duì)稱挖掘方法，先挖掘較小的區(qū)域；在充分考慮工程經(jīng)濟(jì)性和施工組織可行性的情況下，同一層同步開挖的施工方法更有利于控制基坑的整體變形。

綜上所述，本文所采用的異形建筑基坑工程采用條件1 逐步分割挖掘的施工方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于中國(guó)某沿海城市異形建筑的基坑工程，分析了各種分區(qū)挖掘方法的特點(diǎn)和逐步同步挖掘。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了異形建筑基坑周圍的表面變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，揭示了圓形基坑的開挖變形特征。主要結(jié)論如下：

①異形建筑基坑逐步挖掘時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用對(duì)稱挖掘方法，先挖掘較小的區(qū)域；在基坑分割同步挖掘中，在充分考慮工程經(jīng)濟(jì)性和施工組織可行性的前提下，同一層同步挖掘的施工方法更有利于控制基坑的整體變形。

②在不同的開挖過(guò)程中，基坑周圍的橫向位移，地表變形，底部土壤隆起，周邊固定樁變形特征是一致的。由該過(guò)程引起的變形差異主要反映在共用保持樁的變形中，并且樁的最終變形向基坑的挖掘區(qū)域傾斜。當(dāng)樁的兩側(cè)卸載時(shí)，保持樁的變形以線性形狀反彈。

③在基坑挖掘期間，每層支撐的軸向力隨著挖掘逐漸增加。支撐的軸向力在早期迅速增加并且在后期減慢。在相同的約束條件下，底部支撐的軸向力大于上部支撐的軸向力。

④通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)圓形保持結(jié)構(gòu)的變形較小且相對(duì)均勻，表明圓形結(jié)構(gòu)的“拱頂效應(yīng)”對(duì)基礎(chǔ)變形有一定的限制。

⑤圓形基坑具有特殊的空間應(yīng)力特征；它可以充分發(fā)揮軸向載荷作用下的強(qiáng)壓縮性能。具有剛度大、壁變形小、異形建筑基坑機(jī)械化操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由于每個(gè)異形建筑基坑工程周圍的交通環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境不同，因此需要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。