坑中坑基坑圍護結構變形的臨界影響范圍研究

鐘　琳

(福建工程學院土木工程學院　福建福州　350108)

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坑中坑基坑圍護結構變形的臨界影響范圍研究

鐘琳

(福建工程學院土木工程學院福建福州350108)

以福建省大劇院A區坑中坑基坑為工程背景，分析了內、外坑開挖的相互影響，并通過巖土工程數值分析對比研究了不同內外坑間距W、不同開挖深度H時圍護結構的變形規律，發現了α(α=W/H)與內外坑相互影響程度的關系，同時利用實際工程監測數據進行驗證，得出了坑中坑基坑內、外坑開挖相互影響的臨界間距約為5倍的外坑或內坑開挖深度。

坑中坑;圍護結構;臨界間距

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0　引言

坑中坑基坑由于內、外坑的相互影響牽制，給圍護結構設計、支撐體系設置、以及基坑的穩定控制增加了難度，若考慮不周可能會釀成安全事故。近年來隨著城市地下空間的發展，大型商場、地下綜合體、交通樞紐等不同類型的基坑工程因為建筑(構)物型式或一體化施工等因素，出現了較多坑中坑基坑工程，而且呈現數量增多、規模加大的趨勢，但現行的規范[1]中并沒有針對坑中坑基坑設計的相關規定說明，且目前針對該類型基坑的成熟研究也相對較少。龔曉南[2]建議坑中坑基坑應該考慮內坑對外坑圍護結構穩定和變形的影響；徐意智[3]在考慮各種不同情況下的內坑與外坑相對位置、內坑開挖寬度和深度的基礎上，提出了等效深度的概念和等效深度系數、等效影響角的參數；申明亮[4]探討了內坑的影響機理并研究了考慮內坑影響的坑中坑基坑被動土壓力疊加算法等。

坑中坑基坑與常規基坑的不同在于：

⑴內坑開挖形成的側向卸載使得內、外坑之間的土體由外坑開挖時的被動區變成內坑開挖時的主動區，即作用在外坑圍護結構上的被動土壓力較之前會減小，減小的幅度甚至可能高達75%[4]。

⑵外坑的存在相當于加在內坑上的荷載，且外坑圍護結構向開挖側產生的變形可能會增加內坑圍護結構的側壓力，即作用在內坑圍護結構上的主動土壓力較按常規基坑計算的土壓力會增大。雖然內、外坑之間的不利影響是顯而易見的，但這種影響卻難以簡單量化，它和土層性質、內外坑之間的距離、開挖深度、支撐設置類型、圍護結構的參數等多種因素有關，而現有的工程軟件都很難準確地分析這些影響。

本文以福建大劇院A區坑中坑基坑為背景，通過數值模擬和實際監測，研究了坑中坑基坑開挖時不利于基坑穩定的臨界影響范圍。

1　工程概況

福建大劇院場地位于福州市中心，北面為五一廣場，南靠東西河，西臨廣達路。其A區大劇場位于場地中南部，設有一個坑中坑基坑，外坑(外圍基坑)開挖深度約6.0m，內坑(主臺臺倉基坑)開挖深度約5.5m。工程總平面示意圖見圖1，工程地質典型剖面圖見圖2，場地主要土層性狀見表1。A區基坑支護采用靜壓沉管灌注樁(部分沖孔灌注樁)排樁，內支撐采用圓形支撐并通過連梁冠梁連接；圍護樁(C25)樁徑為600mm，樁中心距1.0m(由于北側內外坑距離僅為12m，外坑北側圍護樁樁徑800mm，中心距1.2m)，樁長10.10m～10.50m(內坑)、11.25m～14.85m(外坑)，外坑圍護樁258根，內坑124根。外坑樁間采用水泥攪拌樁形成止水帷幕，攪拌樁樁長7.00m；且為消除層④的承壓水頭對坑底穩定構成的威脅，在內坑設置4口管井，抽排該層中的承壓水，將承壓水水位降至略低于坑底標高。

圖1　工程總平面示意圖

圖2　工程地質剖面圖(6號剖面線)

2　數值模擬

2.1基本算例

采用巖土工程專業軟件FLAC二維有限差分法進行分析。將坑中坑基坑簡化成對稱結構，其剖面示意圖如圖3，土體計算參數參照表1選取，內坑開挖寬度設為40m，開挖深度H1=H2=6.0m，樁長L1=14.5m，L2=12.0m，樁徑d1=d2=600mm@1 000，支撐距離樁頂0.50m，剛度取30MN/m，樁頂超載q=10kPa；排樁按照等效剛度法簡化成地下連續墻，地下連續墻與土體之間采用相對同步變形界面。

圖3　坑中坑基坑剖面示意圖

2.2參數分析

(1)內外坑之間的間距W

分別令W=足夠大(將內、外坑考慮為兩個獨立的常規基坑)、24.0m、18.0m、12.0m、6.0m。隨著W的減小，外坑支護結構的最大位移和樁端位移增加明顯，內坑支護樁樁頂位移和最大位移增加明顯。當W足夠大時，內外坑之間已經不會相互影響了，則其它算例與其相比的最大位移增幅可以反映內、外坑之間的相互影響程度，增幅越大說明相互影響程度越大。圍護結構的位移變化見表2，可見隨著W的減小，內外坑之間的相互影響增大，即W越小，對基坑的穩定越不利。

表2　W對位移的影響

(2)基坑開挖深度H

令W=12.0m，同時改變內外坑的開挖深度H，設H=3.0m、4.0m、6.0m、10.0m四種情況。

分別將各個開挖深度內、外坑支護樁的最大位移和其做為獨立常規基坑時的最大位移進行比較，最大位移的增幅可以反映內、外坑的相互影響程度，增幅越大說明影響越大，圍護結構位移變化見表3。可見當H遞增時，內、外坑的相互影響顯著增大，即H越大，對基坑的穩定越不利。

表3　H對位移的影響

2.3參數α(α=W/H)

通過進一步分析，發現當W/H比值一定時，內外坑的圍護結構位移增幅呈現一定規律，將上述計算結果綜合在表4中，據此提出一個判斷內外坑相互影響程度的參數α(α=W/H，判斷內坑對外坑的影響時，H為內坑的開挖深度；反之)。從表4中可以看出，隨著α值的遞減，位移增幅呈大幅度增加，更重要的是當α值一定時，位移增幅比較接近。

表4　不同模型參數的計算結果

將以上4組數據擬合成趨勢線，見圖4。擬合方程中，當位移增幅y=0時，可以認為內、外坑之間的相互影響可以基本忽略，計算4個擬合方程可以得出α=4.2～4.7，即當內外坑之間的距離W小于4.7倍開挖深度H時，就需要考慮它們之間的相互影響了。

圖4　y-α擬合線

3　工程驗證

3.1實際監測

福建大劇院支護結構排樁深層水平位移監測(測斜)，采用直徑70mm測斜管埋設于圍護樁內，在圍護樁鋼筋籠制作完成后，將測斜管綁扎于鋼筋籠上，與鋼筋籠同時下入樁孔內，埋設長度與樁身鋼筋籠長度基本相同。A區基坑共布置了8個監測點，分別位于內、外坑的東、西、南、北各邊中點，監測采用cx-01型測斜儀測試，可測讀至0.01mm，開挖前取得基數。

監測歷時5個月，每個監測點累計測斜47次。當內坑開挖至1/4深度時，內坑東側因地下水位未能降至開挖標高以下導致出現突涌現象，采取措施后，地下水涌水得到控制，但此處圍護樁變形量有所增加；開挖至內坑3/4深度時，遇到特大臺風暴雨襲擊，基坑南側東西河的水位暴漲，漫過地面進入基坑，內坑積水，河水的暴漲大大增加了南側基坑圍護結構的側壓力，外坑南側位移大幅增加，東、西側位移也出現不同程度的增加，采取措施后，變形基本得到控制。

外坑東側監測點(CXG-2)的支護樁位移-深度曲線見圖5，圖中的序號為按時間順序編號的監測次數，如①為第1次監測，以此類推。其中第13次監測(外坑開挖到底)圍護樁最大位移為20.53mm，第32次(內坑開挖約3/4)圍護樁最大位移27.37mm，第33次(遭遇臺風后)圍護樁最大位移30.77mm，第42次(內坑開挖到底)圍護樁最大位移31.91mm。

圖5　外坑東側(CXG-2)支護樁位移-深度曲線

其余監測點排樁樁身位移-深度曲線與CXG-2呈現類似的規律，曲線呈“弓”形，即圍護樁位移自下而上逐漸增大，到基坑底開挖面附近或以上水平位移達最大值，往圈梁頂又有所減小；且隨著基坑的開挖，最大位移逐漸增大，在遭遇臺風的幾天時間突增，開挖完成后變形基本穩定。各排樁水平位移最大值見表5。

表5　圍護樁最大位移　mm

3.2臨界影響范圍

把坑中坑基坑分解成2個獨立的常規基坑進行計算，由于外坑北側的樁和其它地方的樁的參數有差異，分為3種情況：①外坑南、東、西側圍護結構最大位移為21.28mm；②外坑北側圍護結構最大位移為15.27mm；③內坑圍護結構最大位移為14.02mm。

將坑中坑基坑實際監測得到的最大位移和做為常規基坑時理論計算得出的最大位移進行比較，得到不同α值對應的位移增幅見表6；

表6　圍護樁位移增幅

因外坑南側和內坑東側位移異常增加，將二者排除后的數據擬合成趨勢線，得出當位移增幅為0時，α=4.3～5.7。由于基坑在開挖過程中遭遇暴雨，導致外坑的位移顯著增加，因此實際監測得出的α較數值模擬計算偏大，但二者結果還是比較接近。

4　影響因素

本文主要討論了位于深厚軟土層中、有支撐的坑中坑基坑，在此基礎上，利用數值軟件改變計算參數，可發現臨界影響范圍和以下參數的關系(因篇幅限制，具體分析過程見本作者已發表論文[5])：

⑴當場地的土層性質越好，對基坑的穩定越有利，內外坑支護樁的位移均大幅減小，且內外坑之間的不利影響大大降低，即臨界影響范圍隨土層性質提高而減小。

⑵當坑中坑基坑其它參數一定時，內外坑支護樁的設計參數(樁長、樁徑等)調整會引起自身位移的大幅變化，但對臨界影響范圍卻幾乎無影響。

⑶設置支撐對整個坑中坑基坑支護體系的穩定起著重要的作用，它不僅可以減小支護樁的變形，還可以大大降低內外坑之間的不利影響，即支撐的有無和臨界影響范圍有密切關系。

5　結論

(1)通過數值模擬和實際工程監測數據分析得出，和本文類似的坑中坑基坑的臨界影響范圍(即內外坑之間的距離W)約為5倍的開挖深度H。內外坑開挖深度不同時，判斷內坑對外坑的影響時，H為內坑的開挖深度，反之。

(2)在深厚軟土場地中，如果內外坑之間的距離小于臨界影響范圍，內外坑之間會產生比較大的不利影響，且外坑較內坑的開挖面大，暴露時間長，可能遭受施工中更多的不利因素，外坑的穩定控制更難，因此在外坑開挖結束后，內坑的施工應盡快完成。

需要指出的是，本文是針對特定的工程背景研究后得出的結論，對不同的工程地質、水文地質、基坑形狀、支護型式等情況，坑中坑基坑的臨界影響范圍還需在以后的研究中進一步討論。

[1]JGJ120-2012 建筑基坑支護技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[2]龔曉南.關于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報,2005,38(9):99-102.

[3]徐意智,廖少明,周小華,等.上海軟土坑中坑型基坑圍護的等效深度計算法[J].巖土力學,2012,33(9):2736-2742.

[4]申明亮,廖少明,邵偉.考慮內坑影響的坑中坑基坑被動土壓力疊加算法[J].上海交通大學學報,2012,46(1):79-83.

[5]鐘琳.多級基坑支護結構變形的關鍵影響因素分析[J].福建建筑,2014,191(5):84-86.

鐘琳(1981-)，女，碩士，實驗師，主要從事巖土工程方面的教學和科研工作。

The critical distance of the deformation of retaining structures for pit-in-pit excavation

ZHONGLin

(Department of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350108)

Based on the pit-in-pit excavation of Fujian grand theatre,the interplay between outer pit and inner pit was analyzed.The deformation of retaining structure under the conditions of different distances between outer pit and inner pit,and different depth of eacavation were analyzed by using the special geotechnical software FLAC with numerical simulation，and a relationship between α (α = W / H) and the critical influence distance of outer pit and inner pit was found;Then,the actual monitoring data of the project was analyzed.The common conclusion.that the critical influence distance between outer pit and inner pit was five times of depth of outer pit or inner pit was obtained.

Pit-in-pit excavation; Retaining structure; Critical distance

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JB13145)；福建工程學院青年科研基金項目(GY-Z09080)

鐘琳(1981-)，女，實驗師。

2015-12-08

TU47

A

1004-6135(2016)01-0039-04