城市軟土地區深基坑施工的力學行為分析

許前順 王帥帥, 趙春發 高 波

1. 中交第二公路工程局有限公司 陜西 西安 710065；2. 西南交通大學 四川 成都 610031

目前深大基坑施工技術的研究較多[1-6]，但由于工程地質條件及周圍建筑環境的復雜性，在繁華市區開展深大基坑施工，必須結合場地工程地質等特殊條件[7]，加強施工過程控制[8]，提前預測施工風險并進行預警，有必要針對基坑施工過程建立模型進行施工過程模擬。

本文依托深圳市地鐵8號線沙頭角站軟土地區深基坑實際工程，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，通過分析基坑施工對地表位移及圍護結構受力變形的影響，并結合現場監測數據，分析了一次開挖進尺和及時施作臨時支撐對地表及圍護結構變形的影響，為深基坑施工及監測提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 基坑項目概況

深圳市地鐵8號線沙頭角站軟土地區深基坑位于深圳市深鹽路與園林路交叉口處，沿深鹽路東西向布置。基坑北側為酒店、幼兒園、墩頭村自建房，南側為加油站、工業廠房，茂鑫人行天橋及海天人行天橋位于基坑正上方。

基坑周圍建筑物較多，距基坑最近的建筑物到基坑邊的距離只有4 m，而其中最近的附屬結構距離建（構）筑物凈距只有3 m，因此，深基坑開挖施工對周邊建筑物的影響不可忽視?？紤]到地面為交通主干道，基坑分一期和二期2個階段施工。一期基坑周邊環境較為空曠，基坑主體距民房最近處19.59 m，附屬結構F出入口距離民房最近處13.64 m。

二期基坑周邊環境復雜，距離北側建筑物較遠，主要為墩頭村自建房；南側建筑為工業廠房、村民自建房，南側建筑物距離基坑較近，最近距離4.1 m；茂鑫人行天橋及海天人行天橋位于基坑正上方，施工時需進行拆除，工程完成后重建。

該基坑周邊市政管線密集，沿基坑縱向分布有給水管、電力管、電信管、雨水管、雨水箱涵、污水管等管線，其中有1根9 m×3 m的雨水箱涵橫跨主體基坑。

1.2 工程地質條件

該擬建場地原地貌為沖洪積平原，地表已被填挖成深鹽路，地形比較平坦，地面高程一般在22.01～27.79 m。深鹽路路面表層為混凝土及墊層，路面下普遍分布人工填土，主要成分由黏性土、松散的碎石等構成，填土層的厚度分布變化大，填土層力學性質不穩定，抗剪強度低、土質松散、滲透系數大。

場地普遍分布有凝灰巖的殘積土和全風化巖，殘積土和全風化巖整體上屬松散結構巖土體，巖土體極易受到基坑施工的擾動，發生軟化變形，巖土體強度、承載力低，滲透性大，在基坑開挖時止水不當可能出現基底涌泥、涌砂，基坑側壁巖土體失穩、坍塌等危害[9]。

基巖主要是凝灰巖地層，基巖巖面起伏大，基巖風化程度不均勻，其殘積層和風化巖中有存在差異風化現象的可能。場地下部的基巖風化程度不均勻，呈現出了局部地段凝灰巖的風化界面起伏較大、不均勻風化造成的硬夾層現象以及部分巖體風化層缺失等3種主要形式（圖1）。

圖1 工程地質剖面

1.3 基坑施工技術方案

由于該基坑位于深鹽路下，上方路面交通車流量大，基坑周邊建筑結構物密集，因此，采用半蓋挖順作法施工，首先進行圍護結構的施工，然后分段、分層進行基坑開挖與支護，最后進行主體結構及防水工程施工。

本基坑標準段寬為20.3 m，由于地面走坡，基坑深15.1～23.5 m。標準基坑段的圍護結構選用厚度為800 mm的地下連續墻＋內支撐的圍護結構形式，標準段基坑豎向設置3道支撐，第1道為混凝土支撐，第2、第3道為鋼支撐；小軸端設置4道支撐，端頭井全為混凝土支撐，其他部分第1、第3道為混凝土支撐，第2、第4道為鋼支撐；大軸端設置3道支撐，端頭井全為混凝土支撐，其他部分第1道為混凝土支撐，第2、第3道為鋼支撐。

基坑采用半蓋挖順作法施工，主體基坑施工工序為：施作基坑連續墻結構，作降水井點，進行預降水→基坑開挖至第1道支撐下0.5 m，架設第1道支撐→開挖土方至第2道支撐下0.5 m，架設第2道支撐→繼續開挖土方至第3道支撐下0.5 m，架設第3道支撐→基坑開挖至設計標高，施工素混凝土墊層→施工車站底板，拆除第3道支撐→施工地下2層側墻及中板混凝土，拆除第2道支撐→施工地下1層側墻及頂板，拆除井點，拆除第1道支撐，覆土。深鹽路與沙深路交叉路口處先行倒邊施工完成臨時路面體系，確保路口處交通順暢。西側主體基坑施作時占用現狀道路為施工場地，交通通過兩側綠地及空地疏解。東側主體基坑為確保深鹽路東西向交通，先施工北側圍護結構并加混凝土蓋板為臨時路面體系，后施作南側圍護結構并開挖基坑，交通疏解依靠北側蓋板進行，以保證4車道寬度。

2 施工風險分析

該標準段基坑寬20.3 m，由于地面走坡，基坑深度為15.1～23.5 m。根據規范，該基坑深度、地下水位埋深均滿足一級基坑的要求，施工風險大，要求高。且基坑范圍地下水位較高，底板主要位于粉質黏土、全風化凝灰巖、強風化凝灰巖和中風化凝灰巖中。

2.1 周邊環境風險

周邊建筑物較多，基坑施工過程的降水和卸載可能使這些建筑物產生不均勻沉降和水平位移，導致房屋開裂。

另外，本場地地下市政管線眾多，地下管線埋深0.5～3.0 m，局部地段管線埋深超過5.0 m，位于基坑開挖深度范圍內，對基坑開挖、隧道施工造成較大影響。

2.2 基坑施工風險

深基坑工程施工，必須做好相應的圍護結構和支撐，對圍護結構、地面沉降、支撐等進行嚴格監控，同時根據工程地質情況及周邊環境保護要求，基坑安全等級為一級，變形控制標準：地面最大沉降量≤0.20%H且≤30 mm（H為開挖深度）；支護結構最大水平位移≤0.25%H且≤30 mm；支護頂部最大水平位移≤0.20%H且≤30 mm。

基坑影響范圍內存在較多的地下管線，施工前需仔細核實地下管線，確保地下管線已改遷或被妥善保護后，方可施工。

綜上所述，該深基坑位于深圳市城市主干道下方，沿線人口密集、交通繁忙，交通疏解對工期影響大。周邊管線復雜，亦對施工工期影響大?；又苓吔ㄖh境復雜，施工沉降變形要求高，技術難度較大。

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

本次數值仿真分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，首先，建立基坑地層結構三維有限元模型，其中二期工程標準段在不改變設計的情況下縮減至200 m，以減小模型尺寸。在合理建立地下連續墻及內支撐體系模型的基礎上，考慮實際施工工法，對基坑的施工分析進行了動態施工全過程的有限元數值模擬分析（圖2～圖4）。

圖2 整體網格劃分

圖3 地下連續墻模型

圖4 支撐體系模型

3.2 模型邊界條件及計算參數確定

在基坑有限元數值分析中，對模型的前后左右4個側面，采用約束邊界垂直方向位移的滾軸約束，模型的底部采用了固定邊界。基坑地下連續墻與周圍土體之間采用共用節點的方式連接，橫向支撐與地下連續墻之間采用固結節點的方式連接。

基坑地下連續墻以及內部的支撐采用線彈性模型本構，基坑土體和圍巖采用Mohr-Column彈塑性模型。對于鋼筋混凝土澆筑的地下連續墻和鋼筋混凝土支撐，其彈性模量取值為30 GPa，泊松比按0.2取值，混凝土密度為2 500 kg/m3；而基坑內的臨時鋼管支撐彈性模量為209 GPa，其泊松比取值為0.3，相應的鋼管密度按7 850 kg/m3取值，不同地層的巖土體物理力學參數詳見表1?；游挥谥鞲傻老虏浚诨又苓?0 m的地表范圍內，通過施加均布荷載20 kN/m2用于模擬上部交通或地面的施工荷載。

表1 土體物理力學參數

土體以及地下連續墻采用solid185實體單元模擬，基坑內支撐采用beam188單元模擬。

3.3 工況確定

依據實際工程施工組織設計，在本次數值模擬中各工況如下：

1）工況1：開挖到第1道支撐下0.5 m的位置，并施作基坑的第1道鋼筋混凝土支撐。

2）工況2：開挖到第2道支撐下0.5 m的位置，施工基坑第2道臨時鋼支撐。

3）工況3：開挖到第3道支撐下0.5 m的位置，施工基坑的第3道臨時鋼支撐。

4）工況4：開挖至基坑第4道支撐下0.5 m的位置，施工第4道臨時鋼支撐。

5）工況5：開挖至基坑底位置，施作車站底板。

6）工況6：拆除第4道臨時鋼支撐。

7）工況7：拆除第3道臨時鋼支撐，回筑至第3道支撐。

8）工況8：拆除第2道臨時鋼支撐，回筑至第2道支撐。

9）工況9：拆除第1道鋼筋混凝土支撐，回筑至第1道支撐。

3.4 有限元模擬結果分析

本節主要分析基坑施工的有限元數值計算結果，通過分析基坑周邊地表的水平位移及豎向沉降規律，探明基坑開挖支護對地下連續墻及內支撐體系的內力和位移影響。

3.4.1 基坑周邊地表土體水平位移分析

選取基坑中部標準斷面E—F段為監測斷面（見圖2），得到基坑周邊地表土體水平方向位移（圖5）。分析基坑邊上地表的水平位移變化規律可以發現，基坑周邊的地層水平位移值隨著遠離基坑而明顯減小，基坑開挖對地層位移的影響范圍約為40 m，大致是2倍的基坑深度[10]，地表最大水平位移為11.0 mm，出現在基坑邊緣處，此時，基坑開挖到底部，因此當基坑開挖到基坑底時，應重點監控地表位移變化趨勢。

3.4.2 基坑周邊地表土體豎向位移分析

本節選取基坑中部標準段位置E—F段為監測斷面，得到基坑周邊土體的豎向沉降位移（圖6）。

圖5 地表土體水平位移

圖6 地表土體豎向位移

通過進一步分析地表沉降曲線可以發現，隨著距基坑距離的增大，地表沉降量呈現先增大后減小的趨勢，其分布規律和文獻[4-5]研究一致。其中基坑施工引起地表最大沉降值為13.3 mm，沉降最大處位于距基坑13 m位置。進一步可以發現，距離圍護結構一定距離處的地表沉降變形較大，影響范圍約為40 m，約為2倍的基坑開挖深度，該區域應重點監測地表沉降[10]。通過分析豎向位移云圖分布可以發現，當基坑開挖到底部時，由于底板尚未施工，底部約束較差，在基坑開挖卸荷效應下，基坑底部產生了明顯的坑底隆起，在實際工程中應引起注意。

3.4.3 地下連續墻水平位移分析

基坑開挖后，觀察地下連續墻體的水平位移云圖（圖7）可以發現，基坑開挖后由于受到周圍土體變形的影響，墻體發生向坑內的變形，基坑中部墻體變形最大。

圖7 墻體水平位移云圖

進一步以基坑地下連續墻中部位置斷面為研究對象，提取該位置的地下連續墻水平位移變化曲線（圖8）。

首先，分析地下連續墻的水平位移隨施工工況變化的曲線，可以發現，隨著基坑豎向開挖深度的增大，基坑側壁水平位移最大值也不斷增加，并且在拆除了第4道臨時鋼支撐后（工況6），其基坑側壁的水平位移值仍有一定程度的發展，因此，在實際工程中拆撐應引起重視，注意監測基坑位移發展趨勢。根據基坑側壁水平位移在豎直深度方向的變化特性可以發現，墻體側壁的變形呈現了先增大后減小的趨勢，并且墻體最大水平位移為11.1 mm，兩側壁向基坑內鼓出，出現在距地表14.85 m處的墻體位置。

當基坑開挖到底部時，觀察基坑對應位置處地下連續墻實測測斜曲線（圖9）可以發現，圖9中工況5墻體水平位移曲線和實測數據規律基本一致：在整個開挖過程中，兩側壁向中間部分鼓出，呈現“)(”形。進一步分析后發現，實測數據比有限元分析結果要大，主要是實際工程中，基坑開挖后，未及時施作支撐，具有時間上的滯后。

3.4.4 內支撐軸力及位移

通過分析模型各個工況下的內支撐軸力計算數據，可以得出基坑4道內支撐在各個工況下的最大軸力值（圖10～圖13）。分析基坑各層支撐的軸力分布規律可以發現，基坑兩端擴大斷面以及中間約束較弱的位置處一般軸力較大。

對比分析不同工況下基坑各道內支撐的軸力值（表2、表3）可以發現，基坑內支撐軸力最大值發生在拆除第4道支撐并回筑的工況時，此時對應的第3道支撐最大軸力為2 521 kN，在實際施工時應引起重視，宜增加監測頻率。

圖8 墻體水平位移變化曲線

圖9 墻體水平位移實測曲線

圖10 基坑第1道支撐內力

圖11 基坑第2道支撐內力

圖12 基坑第3道支撐內力

圖13 基坑第4道支撐內力

表2 開挖過程各工況下支撐軸力最大值

表3 拆撐過程各工況下支撐軸力最大值

4 現場測試數據分析

基坑端頭處地表沉降在2017年8月17日—2017年8月24日，從13.3 mm增加到30.0 mm，監測數據出現了紅色預警，引起了施工和建設單位的重視。分析地表沉降曲線變化規律可以發現，現場測試數據和有限元分析結果規律一致，在離基坑30 m范圍內的地表沉降較大（圖14）。

地表沉降實測曲線顯示，當基坑開挖到第4道支撐位置時，地表最大沉降為13.3 mm，當縱向一次開挖進尺為6 m時，地表沉降增大為19.7 mm，此時，地表沉降未超限。

圖14 地表沉降實測數據曲線

考慮在基坑底部施作第4道鋼支撐的空間有限，大型設備很難進入基坑底部，因此，施工隊伍未按設計要求及時施作第4道鋼支撐，而是采取了繼續縱向開挖至12 m，此時監測到地表沉降快速增加為23 mm，地表沉降已經超過了規范值30 mm的2/3。但作業隊伍仍未及時跟進臨時鋼支撐，待繼續縱向開挖到20 m左右時，地表沉降急劇增大為30.1 mm。當監測數據出現異常以后，引起了施工單位的重視，基坑后續開挖嚴格按照設計進行，控制一次開挖進尺為6 m，并及時施作第4道支撐。

上文分析了基坑底部縱向開挖進尺過大，未及時跟進第4道鋼支撐，而導致地表沉降急劇增加，本節將分析其圍護結構水平位移變化規律（圖15）。

圖15 圍護結構水平位移實測數據曲線

可以發現，當基坑開挖到第4道支撐時，圍護結構最大水平位移為20 mm，出現在地下13 m處，且呈“)”形向基坑內彎曲，其變形模式和前述有限元分析結果基本一致，但實測數據大于有限元分析結果，主要是由于對有限元分析進行了大量簡化，未能考慮開挖及支護的時效性。

當縱向開挖進尺增大為6 m時，圍護結構最大水平位移為27 mm，結合地表沉降數據19.7 mm，沒有超過規范允許值，因此，作業隊伍未嚴格按照設計要求開展，而是繼續增大開挖進尺。當縱向一次開挖進尺達到12 m時，未及時跟進第4道支撐，圍護結構水平位移增大為35.6 mm。當縱向開挖長度繼續增大至20 m時，圍護結構水平位移急劇增大為46.6 mm，地表沉降達到了30.1 mm，均明顯超過了規范要求限值，因此，及時施作了第4道支撐，后期數據基本穩定。由此可見，對于基坑底部開挖，必須嚴格按照設計要求施工，嚴格控制開挖進尺，并及時施作支撐。

5 結語

1）基坑開挖引起地下連續墻周邊的土體水平位移最大，并且隨著距基坑距離的增大，周邊土體水平方向位移值明顯減小，在距基坑2倍基坑深度的范圍內，地層水平位移較大。

2）隨著到基坑邊的距離增大，基坑內土體開挖引起的地表沉降先增大后減小，地表最大沉降量為13.3 mm，滿足規范要求，最大沉降影響范圍為基坑邊緣外13 m，應重點監測該區域內豎向沉降。

3）基坑地下連續墻在基坑開挖過程中的主要變形特征為：兩側坑壁向中間部分鼓出，呈現“)(”形，在基坑兩邊側壁位置應重點監測地下連續墻的傾斜值。

4）在基坑開挖支護過程中，可以發現支撐軸力最大值發生在拆除第4道支撐并回筑時，此時第3道支撐出現最大軸力。

5）當基坑底部縱向一次開挖進尺從6 m增大為20 m時，由于未能及時施作支撐，地表沉降最大值從19.7 mm增大為30.1 mm，圍護結構水平位移最大值從27 mm增大為46.6 mm，超過了規范允許值。因此，施工中應當嚴格控制開挖進尺，并及時跟進支撐，地表沉降和圍護結構位移將得到有效控制。