軟土地區深基坑開挖對鄰近連通道影響分析

褚 峰

上海陸家嘴金融貿易區開發股份有限公司 上海 200126

深基坑工程的建設會導致周圍土體應力狀態發生改變，對鄰近建筑結構及軌道線路產生較大影響[1-3]。工程經驗表明，在基坑修建過程中，一旦支撐體系失穩，將嚴重影響周圍的應力位移場，甚至會引發工程事故。因此，研究深基坑開挖影響下周圍工程設施的沉降規律及預測方法有著十分重要的意義。

針對深基坑開挖影響下周圍工程設施的變形，國內外學者已經做了很多的研究。

鄭剛等以天津市某鄰近既有隧道的深基坑實測資料為基礎，針對基坑施工對鄰近既有隧道的變形影響規律進行了參數分析，指出根據基坑圍護結構可能產生的變形形式、最大變形和隧道與基坑的相對位置，可預估隧道產生的變形。

章紅兵等對基坑周圍地鐵隧道的結構變形特性展開研究，指出地鐵隧道的變形受基坑周圍土體位移場、應力場等多種因素的影響。

徐中華等借助有限元模擬技術，從土體本構模型的角度，研究了基坑開挖對周圍建筑設施產生的影響。

針對基坑開挖對既有建筑設施的影響，已有相當多的研究[4-8]，采用的方法包括結合工程實踐的數值模擬及理論公式推導等。上述研究基本是分析基坑開挖卸載對鄰近與基坑平行的地鐵線路的變形，關于基坑施工對鄰近垂直于圍護結構的地下連通道的分析研究較少。

本研究結合上海軟土地區某基坑工程項目，基于現場工程地質狀況及實測工程數據，建立數值模型，研究基坑施工對相鄰垂直于圍護結構的地下連通道的影響，為后續施工提供參考。

1 工程概況

已建的25-01項目及待開挖的21-02基坑項目位于上海市浦東新區核心地帶，軌交6號線、8號線以及11號線交會于此。地下連通道呈東西向橫跨東育路，連通25-01地塊和21-02地塊，建筑面積約500 m2。地下連通道內部結構凈寬9.0 m，高4.5 m（圖1）。

圖1 平面布置示意

現場工況為：25-01基坑施工→連通道施工至21-02基坑5 m處→21-02基坑施工→連通道剩余部分施工及與21-02地塊接頭施工。本文主要研究第3步，即21-02地塊基坑施工對地下連通道的影響。

2 數值模型

2.1 參數選擇

采用數值方法分析基坑施工對鄰近工程設施的影響，土體本構模型與計算參數的選擇十分重要。研究表明，基坑開挖過程中，土體剛度具有高度的非線性。

本文采用能描述土體剛度非線性的硬化土小應變模型（HSS模型）來模擬基坑開挖的影響，參數如表1所示。

表1 HSS模型土體參數

2.2 模型建立

為了驗證本文建模方法和參數選取的合理性，首先基于已施工的25-01基坑工程，對比地下連續墻水平位移實測數據和數值計算結果。監測點的位置如圖2所示。

圖2 監測點布置平面示意

取基坑典型剖面進行模擬，建立的模型如圖3所示。其中基坑支撐采用線彈性模型，地鐵隧道地下連續墻用板來模擬，在模型邊界施加約束。

圖3 驗證模型

施工完成后，通過對比基坑支護結構水平位移實測值與計算值（圖4）可以發現：對于監測點X45，支護結構最大水平位移發生在地表以下7.50 m處，最大值為17.95 mm，計算最大水平位移發生在地表以下8 m處，最大值為19.05 mm。對于監測點X58，支護結構最大水平位移發生在地表以下9.00 m處，最大值為38.40 mm，計算最大水平位移發生在地表以下9.00 m處，最大值為39.30 mm。計算結果與實際數據接近，且變化趨勢大致相同，表明本節建模方法及參數取值方法較為合理。

圖4 數值計算結果與實測結果對比

采用上述數值模型參數及建模方式，建立地下連通道的數值計算模型，計算施工工序如表2所示。

表2 基坑施工順序

3 模型結果分析

施工后基坑及地下連通道的變形云圖如圖5所示。值得注意的是，模型計算時，在21-02基坑施工前，平衡了一次模型位移，故圖中位移可全部視為由21-02基坑施工引起。由圖可知，開挖導致坑底有一定回彈，最大回彈量10 cm，位于基坑中部。連通道上方地表最大沉降35 mm。地下連續墻左側最大水平位移位于基坑底板附近，為40 mm。

圖5 基坑及地下連通道變形云圖

21-02地塊基坑鄰近東育路一側為一級環境保護要求，根據上海市《基坑工程技術規程》的規定，允許圍護墻最大水平位移為0.18%H（H為基坑開挖深度），數值模擬結果表明，本工程基坑圍護方案基本滿足基坑周圍環境保護要求。基坑右側圍護墻最大水平位移60 mm，同樣位于基坑底板附近。

基坑右側圍護墻的最大水平位移約為基坑左側圍護墻最大水平位移的1.5倍。究其原因，一方面是基坑左側一定距離外有25-01基坑開挖，有一定的卸載作用；另一方面是地下連通道的施工，會進一步引起左側圍護墻外側土壓力降低。

對基坑開挖各階段地下連通道的沉降值進行分析后得知，隨著21-02基坑的開挖，地下連通道的豎向變形逐漸增大。連通道最大沉降位于距地下連續墻15 m附近。值得注意的是，21-02地塊基坑開挖至第1道支撐，地下連通道即產生較大沉降。開挖至第1道支撐，連通道最大沉降30 mm，底板澆筑完成后，連通道最大沉降35 mm。第1道支撐施工完成時，連通道的最大沉降約占最終最大沉降值的85%。其原因可能是連通道埋深較淺，位于首道支撐主要影響范圍。實際施工時，應特別注意開挖初期對連通道的保護。

連通道靠近地下連續墻一端，端部約束接近自由，靠近25-01地塊一側端部約束則為剛接。連通道變形空間分布與土體變形空間分布相似。基坑開挖引起連通道沿軸線產生不均勻沉降，靠近接口處最終沉降約30 mm，接口處埋深產生變化，后期接頭施工，考慮基坑開挖引起的連通道埋深的變化，預留的接口位置埋深可能需做相應調整。此外，不均勻沉降可能引起連通道結構產生較大的附加內力，應引起足夠重視。

4 結語

本文通過數值模擬，分析上海軟土地區某深基坑開挖引起的地下連通道變形，得出以下結論：

1）基坑開挖會引起與地下連續墻垂直方向的地下通道產生不均勻沉降，最大沉降位置距基坑0.7H，最大沉降為0.16%H。

2）基坑首層土體開挖階段，地下連通道即產生較大沉降，此階段應作為施工控制的重點。

3）后期地下連通道與待開挖基坑項目連通施工時，應考慮基坑開挖而引起的地下連通道接口位置埋深的變化，并做好應對方案。