基坑開挖方式的對比研究

康 鵬 王亞東 岳夏冰 馬豪豪 袁 帥

(1.中電建路橋武漢投資發展有限公司，湖北 武漢 430200；2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

1 引言

基坑工程是建筑物基礎和大型地下工程建造過程中一個早已存在的課題，也是一個涉及廣泛的巖土工程問題，具有技術復雜，綜合性強等特點，同時又具備事故多發性[1-2]。基坑開挖涉及土方開挖，降水，施工管理，現場監測，相鄰場地施工，既有建筑物相互影響等相關問題，其施工過程不僅要保證基坑自身的安全與穩定，還要嚴格控制基坑周圍地層移動以保護周圍環境[3]。實踐表明，施工困難，開挖過深的基坑以及復雜基坑環境可能造成的施工變形和基坑施工可以通過合理的信息化施工加以控制。

本文武漢江南泵站泵房部分為研究對象，如圖1中左側部分。該泵站基坑長度115m，最小寬度21m，最大寬度68m，開挖深度11.15m～15.8m，它位于長江右岸，主要用于雨水抽排工作，同時也擔負著污水處理廠的尾水排放工作。

圖1 江南泵站支護結構示意圖

2016年夏天武漢出現排水問題之后要求該工程要提前投入使用，工期由原來的2年4個月縮減為7個月。由于工期被大大壓縮，勢必要更改原定施工方案。因此須對此條件下的基坑進行深入研究，論證開挖方案。本文在總結國內外相關研究現狀的基礎上，利用有限元軟件MIDAS構建有限元計算模型，通過總結分析，給出不同開挖方案對基坑變形的影響程度，為基坑開挖方案的選取提供一定的理論支持。

結合實際工況，選擇盆式開挖和島式開挖兩種方式進行了有限元模擬分析。模型建立過程中，將該基坑模型大致分為了八塊，這樣分的目的主要是為了減少研究時間以及減少研究過程中產生的錯誤。針對基坑平面的八塊簡易模型，運用邁達斯軟件對各種開挖方式進行了模擬，對比它們之間引起不利面的位移，從中選擇出一種更可靠的開挖方式，并在后續的研究中，爭對這一開挖方式確定出了具體的開挖順序。

2 開挖方案探討

2.1 分層開挖

結合給出的基坑平面形狀不規則，跨度較大的工程概況。基于地勘報告，可以分別使用放坡和錨桿的復合型支護兩種方式，具體實施方案，最大開挖深度為8m,放坡形式用于2m以上的開挖，長螺旋鉆孔灌注樁與錨桿行支護用于2m以下的開挖。初步選型基坑開挖方案，通過基坑土方開挖原理與經驗規律。

首先，為滿足基坑支護結構的正常施工，把基坑剖面中沿深度方向分為以下幾層(設坡頂的標高0m)。

第一分層：2m以上部分按1:1的坡度放坡開挖，先進行放坡開挖施工，再進行止水樁與深層灌注樁的施工；

第二分層：-2m-3m至之間土方開挖，后2.5m在處施工依次施工支護；

第三分層：-3m至5.5m之間土方，后在-5m處再施加支護；

第四分層：-5.5m至8m之間部分，完成剩余土體的開挖。

無論采用哪種分塊方式，分塊后都是要先開挖鄰近四周保護構建物的分塊，形成圍護控制周圍土體的變形后，再開挖剩余的土方。經過討論，符合條件的開挖方案有兩種：(1)島式開挖；(2)盆式開挖。

2.2 分塊開挖

開挖方案：開挖順序根據分塊的尺寸大小的不同而千差萬別。然而分塊開挖的前提是各子塊的工程量大致平衡得以保證之后，優先施工周邊較差的土塊作為開挖順序。依據各塊周邊的環境，把本基坑大致分為工作量均衡的四等塊以此闡述分塊的問題。

分析：由于工程狀況的影響，無法做到百分之百的均分。分塊方式可根據周邊荷載環境，土體狀況，水文狀況等做出分塊。但無論是哪一子分塊，都存在一定的資源浪費。

2.3 島式開挖

開挖方案：分步開挖根據基坑的分層分為兩步開挖：第一步，選擇一定范圍內的土體，開挖的同時設置支護，并且討論各塊土地的分塊范圍和施工順序通過各邊保護建筑的重要性和施工的組織措施。除此之外，還需要分段處理各塊土體，如果分塊土方量多大。第二步，在第一步完成之后再開挖中間主要部分土體塊。

分析：工作中投入主要的人力，物力，有明顯的工作主次，即島式開挖的特點。為了使基坑圍護體系抑制和抵抗基坑變形與基坑周圍土體位移較早發揮其作用，應該率先施工基坑四周的支護結構。與此同時，圍護體系暴露的時間由于基坑圍護體系過早的形成而增加，圍護體系可能隨暴露時間的增長而變形。除此之外，基坑周邊由于本基坑場地緊湊而沒有堆積材料的地方，并且只有一個出土口。釆用島式開挖出土路線安排不方便，對施工管理者水平要求過高。

2.3 盆式開挖

開挖方案：將基坑平分為盆中和盆厚兩個部分，盆厚為預留部分。以盆中部分的土體先挖，預留部分即盆厚部分土體后挖的順序進行開挖。為了高校組織施工和有效控制基坑變形，在開挖過程中，是否需要進一步采用分段與分塊等開挖方式通過分析盆中部分和盆厚部分土體的大小。先開挖盆中分塊土體，同時，開挖方式和開挖順序需要根據模型和各塊對應基坑便捷的不利條件來討論確定。

分析：基坑變形得以有效控制，進而基坑挖周圍環境的影響被有效降低即為盆式開挖的特點。區別于島式開挖，盆式開挖注重體系施工的及時圍護，通過圍護得以有效控制變形。周圍環境通過圍護的早期形成，圍護控制基坑變形有效降低。

3 開挖方式的有限元模擬計算

為進一步優化開挖方案，需要首先對原支護形式進行有限元模擬計算，由于本次基坑開挖模型面積較大，形狀不規則，各個開挖面支護不盡相同，若以整個基坑開挖為研究對象，將給分析帶來一定的困難(設備要求高、耗時長)。而且在基坑開挖過程中，我們的研究主要方向是基坑的最不利邊的影響，在模擬基坑開挖過程中，只需要對該邊以及鄰近條件加以模擬，并不需要將基坑整體納入研究對象。為此在建立模型的時候選取鄰近建筑物邊的泵房部分作為研究對象。

3.1 有限元模型的建立

采用大型通用有限元軟件MIDAS對基坑進行模擬計算。綜合考慮各方面的影響因素后，本文選取M-C模型，來對基坑的穩定性問題進行研究[4-9]。

1.材料參數選取。各層土體的力學計算參數，如表1所示；鋼筋混凝土地下連續墻及支撐的計算參數，如表2所示。

表1 土層參數表

表2 支護結構參數表

2.模型建立。 采用二維面擴展為實體的方式建立基坑模型， 網格劃分中， 鄰近基坑土體部分網格尺寸較密。 為了使模擬基坑開挖過程與實際工程施工相一致, 利用“生死”單元來對開挖過程進行模擬， 具體過程如下： 同時建立土體和支護結構模型并進行網格劃分， 進行單元組及材料參數定義； 在建立地應力平衡時， 將支撐部分“殺死”， 在開挖過程中， 架設支撐時， 利用單元屬性可以改變的特性， 選擇相應的單元屬性來激活支撐。 所建立模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

3.2 不同開挖方式結果分析

圖3、圖4及圖5分別是盆式開挖及島式開挖兩種開挖方式下對應的基坑整體變形云圖、Y向和Z向位移云圖，從圖中可以看出，兩種開挖方式完成后基底及開挖面所產生的位移分布云圖一致。將兩種開挖方式對應的變形最大值匯總于表3。可以看出，島式開挖在基坑開挖完畢后的整體位移，Y和Z方向上所產生的最大位移，位移差均偏小，從而可以得出結論，該基坑可采用島式開挖方式可最低限度降低基坑開挖產生的土體變形和位移。

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖3 基坑整體豎向位移云圖

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖4 基坑Y向位移云圖

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖5 基坑Z向位移云圖

因素 工況整體位移Y向位移Z向位移盆式開挖81.01748.24680.9627島式開挖79.632247.467979.5768

4 基坑變形控制措施

基坑開挖和支護結構施工過程中，基坑變形的發展過程是逐步產生的。同時考慮開挖、施工過程中的降水，由于雨水淤積，破壞了原有的地下水平衡，導致了基坑內外出現滲流現象，嚴重影響基坑整體變形。因此，支護結構及防排水施工工藝的好壞將嚴重影響基坑的整體變形和位移。主要從以下三個方面進行控制：(1)支護結構的控制施工；(2)做好基坑降水、排水控制措施；(3)基坑周邊環境抵抗變形能力的變形控制措施。

5 結 論

本文對基坑的常見土方開挖方式進行了總結，歸納其開挖過程，開挖方式的優缺點以及適合其使用的條件。結合具體的工程狀況，對不同的開挖方式進行有限元模擬，并確定出合適的開挖方式。同時從實際出發，提出了基坑變形控制的措施，主要得出以下結論：

(1)對分層、分段、順序開挖、盆式開挖、以及島式開挖定性分析了各開挖方式在抑制基坑開挖變形的不同之處，并討論了各方式的使用條件了優缺點。

(2)結合實際工況，針對基坑平面的八塊簡易模型，選擇盆式開挖和島式開挖兩種方式進行了有限元模擬分析，得出島式開挖方式所產生的變形均小于盆式開挖方式。

(3)從對支護結構的施工工藝、基坑的降排水、基坑周邊環境的控制來降低基坑的變形加以總結，并且在整個基坑工程中要做到嚴格地基坑開挖的監測任務，讓“千里之堤，潰于蟻穴”的事情不可能發生。