不同支護深基坑開挖對地下通道變形的影響

陳尚榮，曹傳祥，廖志堅

(1.上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072； 2.蕪湖信達房地產開發有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著城市的不斷發展，對地下空間的利用開發也不斷增加，出現了大量在密集建筑群中施工的基坑工程[1-2]。在周邊環境較為復雜的情況下，不同基坑圍護結構(鉆孔灌注樁、型鋼水泥土攪拌墻及地下連續墻等)的支護體系對周邊環境影響不盡相同，特別是對鄰近地下構筑物的變形影響，必需進行探究[3-5]。基坑周邊環境特別是鄰近地下構筑物對基坑開挖引起的附加應力及其變形也因基坑的圍護結構不同而有所區別，并根據不同圍護結構選型對鄰近地下構筑物的變形影響、圍護結構本身的附加應力及其變形影響的研究則更有必要。許多學者對該問題進行了諸多研究工作。Peck[6]在第七屆國際巖土力學與基礎工程會議上針對基坑開挖實測數據及其發展現狀首次發表了較為全面、深入的研究報告。Finno[7]等人通過基坑開挖對鄰近建筑物影響的研究，提出簡化計算模型。Goh[8]等人提出，將兩階段法應用于基坑開挖對鄰近既有隧道和樁基的影響。李文江[9]等人根據長春站南北廣場地下通道等復雜周邊環境，從隧道施工引起土體變形等基本規律出發，分析了隧道施工對鄰近構筑物和地下管線等的影響，由鄰近既有構建物不均勻沉降的控制標準，建立了隧道施工地表沉降的控制基準。羅啟斌[10]等人基于數值模擬，對某地鐵隧道下穿既有人行地下通道進行了分析，探討了大跨隧道分步開挖施工方法對通道結構的影響。陳敬軍[11-13]等人以某地下通道施工對鄰近地鐵隧道變形影響的研究為背景，利用三維有限元數值模擬，對該工程施工全過程進行了分析，并對該地鐵隧道進行了安全評估。但目前對基坑開挖對鄰近地下通道變形影響的研究集中在鄰近隧道上，針對不同支護形式下基坑開挖對矩形地下通道變形影響的研究尚不足。因此，作者基于上海市某深基坑鄰近中環線地下通道的工程實例，擬利用有限元軟件ABAQUS，建立基坑和鄰近矩形地下通道的整體模型，考慮矩形地下通道結構變形與基坑圍護結構變形的相互耦合作用、土體小應變剛度特性，分析不同圍護結構對鄰近矩形地下通道變形影響。同時，考慮不同圍護結構施工工藝可能造成的環境影響，特別是周邊地下構筑物結構的變形影響，以期為實際工程中考慮基坑周邊復雜環境下的基坑選型提供參考依據。

1 基坑選型

1.1 工程簡述

本工程擬建場地及其周邊環境如圖1所示。場地地貌屬于上海地區四大地貌單元中的濱海平原相地貌類型。本工程勘察所完成技術孔的最大深度為60.00 m，對此深度范圍內揭遇的地基土，按其結構特征、地層成因及土性不同和物理力學性質上的差異，可劃分為7 層。其中：第②層和第⑤層地基土層又根據其工程性質不同，分成不同的亞層。地基土由粘土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土及粉砂等組成。場地的工程地質條件和基坑圍護設計參數見表1。

圖1 周邊環境總圖Fig.1 Surrounding environment

1.2 方案一

方案一(鉆孔灌注樁結合止水帷幕+水平內支撐)：根據挖深，采用一定樁徑的鉆孔灌注樁作為圍護樁，外圍設置一排水泥土攪拌樁止水帷幕(如圖2所示)，灌注樁樁頂設置壓頂梁，坑內設置兩道水平混凝土支撐，被動區采用雙軸水泥土攪拌樁暗墩加固。鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為一種成熟的工法，圍護結構剛度較大，樁長、樁徑的選擇和布置形式等較為靈活。且隨著時間的增長，樁身的強度不斷增加。

選取其典型剖面分別進行ABAQUS數值模擬分析，其基坑開挖二維平面模型如圖3所示。基坑開挖工況分為5個步驟：① 土體初始應力場平衡；施工圍護結構。② 第1級基坑開挖，開挖表層土1 m，加設第一道水平支撐。③ 第2級基坑開挖，開挖第二層土體4.2 m，加設第二道水平支撐。④ 第3級基坑開挖，開挖第三層土體3.4 m，加設底板。⑤ 第4級基坑開挖，開挖下沉土體3 m，加設底板。

表1 土層主要物理力學性質參數Table 1 Main physical and mechanical properties of the soil layer

圖2 鉆孔灌注樁結合止水帷幕平面示意Fig.2 Sketch map of a bored pile combined with curtain for cutting off water

地下通道距基坑開挖面最近處18 m，地下通道襯砌結構厚度為1 m。鉆孔灌注樁長22 m，直徑為1 m。止水帷幕為水泥土攪拌樁，長為30 m，直徑為0.85 m。多孔介質彈性模型的參數：拉伸極限為0；體積模量的對數為0.01；泊松比為0.35；塑性體積模量對數為0.14；應力比為1.4。

修正劍橋模型的參數：截距為2～3；Wet屈服表面尺寸為1；流動應力比為1。鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁采用面-面接觸，摩擦系數為0.3。

在模型中，假定土層為均質土，分析中不考慮與地下水的耦合作用。本研究為上海地區典型軟土背景下的基坑開挖對鄰近地下通道的影響，參考上海市華東建筑設計研究院的取值，土體參數選用上海地區第三層土的參數。分別對模型的土體、基坑圍護結構及地下通道襯砌結構進行網格劃分，單元類型為CPE4R(4結點雙線性平面應變四邊形單元)，設置合適的網格密度。

圖3 方案一(單位：m)Fig.3 Plan one(unit：m)

1.3 方案二

方案二(SMW工法樁+水平內支撐)：采用單排φ850@600三軸水泥土攪拌樁內插H700×300型鋼(“插一跳一”與“插二跳一”相結合)圍護樁型式，如圖4所示。水泥土攪拌樁主要起到止水作用，內插H型鋼起到擋土作用。

圖4 SMW工法示意Fig.4 SMW engineering methods

其基坑開挖二維平面模型如圖5所示。SMW工法樁的樁徑為0.85 m，長度為30 m。SMW工法樁與土體之間采用面-面接觸，摩擦系數0.3。

圖5 方案二(單位：m)Fig.5 Plan two(unit：m)

2 結果分析

依據實際工程案例，選取其典型剖面進行二維數值模擬分析。土體選用修正劍橋模型，需與多孔介質彈性模型聯合使用。上海地區圍護結構(地下連續墻)采用C30混凝土，其彈性模量為3×107kPa，則基坑圍護結構的線彈性模型的彈性模量為2.4×107kPa，泊松比為0.2，密度為2 550 kg/m3。地下通道外墻采用線彈性模型。考慮鋼筋對其抗拉強度的加強及忽略地下通道上覆土對其影響，故彈性模量為2.0×108kPa，泊松比為0.2，密度為2 550 kg/m3。

2.1 對基坑周圍土體水平位移的分析

根據這2種方案，對基坑分步開挖過程中周圍土體的水平位移進行研究，第1～4級基坑開挖不同位置(距基坑4，8，12和16 m)土體的水平位移分別如圖6～9所示。從圖6～9中可以看出，隨著開挖深度的增加，土體的水平位移增加。在每一級基坑開挖中，隨著距離基坑距離的增加，土體的水平位移減小，并且土體隨深度方向變化的趨勢減弱。通過與基坑圍護結構變形的對比可知，與基坑的距離越近，土體的變形與基坑圍護結構變形曲線規律更為接近。

圖6 第1級基坑開挖不同位置土體的水平位移Fig.6 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 1st excavation

圖7 第2級基坑開挖不同位置土體的水平位移Fig.7 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 2nd excavation

圖8 第3級基坑開挖不同位置土體水平的位移Fig.8 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 3rd excavation

圖9 第4級基坑開挖不同位置土體水平位移的對比Fig.9 Comparison of horizontal displacement of the soil at different positions of the 4th excavation

2.2 對基坑周圍土體沉降的分析

根據這2種基坑圍護方案，對基坑分步開挖過程中周圍土體的沉降進行了研究，第1～4級基坑開挖不同位置(距地表4，8，12和16 m)土體的沉降分別如圖10～13所示。從圖10～13中可以看出，隨著開挖深度的增加，2種方案土體沉降的規律趨于一致。其中：方案一土體的沉降小于方案二土體的沉降，并且隨著開挖深度的增加，土體的沉降增加。表明：方案一的圍護結構對基坑周圍土體沉降的影響小些。

圖10 第1級基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.10 The settlement of the soil at different positions of the 1st excavation

圖11 第2級基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.11 The settlement of the soil at different positions of the 2nd excavation

圖12 第3級基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.12 The settlement of the soil at different positions of the 3rd excavation

圖13 第4級基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.13 The settlement of the soil at different positions of the 4th excavation

2.3 地下通道變形對比分析

考慮2種不同基坑圍護方案在不同工況下對地下通道變形的影響，每一級開挖過程中左側地道的水平位移和地道底部的沉降分別如圖14，15所示。

從圖14中可以看出，2種方案的左側地道水平位移的變化規律一致，其中：方案一的水平位移偏小。第1級基坑開挖中，方案一的水平位移可以忽略，方案二的水平位移為0.6 mm，地道底部的水平位移略大。第2級基坑開挖中，方案一的最大水平位移為0.7 mm，方案二的最大水平位移為2.1 mm，它們均位于地道頂部位置，且呈線性變化規律。第3級基坑開挖中，方案一的最大水平位移為1.86 mm，方案二的最大水平位移為1.88 mm，它們均位于地道頂部位置。第4級基坑開挖中，方案一的最大水平位移為3.7 mm，方案二的最大水平位移為4.8 mm，它們均位于地道頂部位置。

圖14 分步開挖下左側地道的水平位移Fig.14 The horizontal displacement of the left tunnel under different steps of the excavation

圖15 分步開挖下地道底部的沉降Fig.15 The settlement of the bottom tunnel under different steps of the excavation

從圖15中可以看出，隨著開挖深度的增加，2種方案的變化規律趨于一致，其中：方案一的沉降偏小。

3 結論

依據2種不同基坑支護方案選型，選取其典型剖面分別進行ABAQUS二維數值模擬。2種方案選型均取基坑半剖面為研究對象，基坑分為4級開挖，其中：最后一級開挖為下沉區域。將不同支護形式下的基坑對鄰近矩形地下通道變形影響進行了研究。從基坑周圍土體水平位移規律、基坑周圍土體沉降規律及矩形地下通道變形3方面，分析了不同支護形式對周邊環境的影響。得到的結論為：

1)隨著開挖深度的增加，土體水平位移隨之增加。在每一級基坑開挖中，隨著距離基坑的距離增加，土體的水平位移減小，并且土體隨深度方向變化的趨勢減弱。通過與基坑圍護結構變形的對比可知，到基坑的距離越近，土體的變形與基坑圍護結構變形曲線的規律越接近。

2)隨著開挖深度的增加，2種方案的土體沉降規律趨于一致。其中：方案一土體的沉降小于方案二土體的沉降。并且，隨著開挖深度的增加，土體的沉降增加。表明：方案一的圍護結構對基坑周圍土體沉降的影響較小。

3)隨著開挖深度的增加，2種方案的沉降變化規律趨于一致。其中：方案一的沉降偏小。方案一地道底部的沉降隨著開挖深度的增加而增加，其變形曲線的凹形趨勢逐漸減小。表明：方案一對鄰近矩形地下通道變形的影響小些。結合型鋼水泥土攪拌墻的變形控制需滿足內插型鋼拔出回收等要求。因此，方案一更適合于該工程。