超大基坑施工對周邊環境影響的研究

翟永勇 王嘉浩 鄔建華 濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江蘇 南京 210007;2. 陸軍工程大學國防工程學院 江蘇 南京 210007;3. 北京交通大學 北京 100044

隨著我國基礎工程建設的飛速發展，城市高層建筑工程深基坑不斷增多[1]。它們常常坐落在人口相對稠密的區域，四周有大量的建筑物和重要管道，施工過程中必須嚴格控制，保證基坑的穩定性。同時，深基坑的開挖與降水會破壞自然土體的均衡狀態，造成土體的變形，引起四周一系列的建（構）筑物以及地下管線變位。由于深基坑支護工程存在復雜性與不確定性，故造成過相當多的問題，引發了一系列重大的工程事故。

本文將考慮初始地應力、開挖步驟、地層物理參數、施工降水等諸多因素，利用數值分析的方法，深入研究大型基坑開挖及施工降水時對于周圍土體的影響情況。

1 國內外研究現狀

陸新征等[2]對某設計尺寸達到69 m×50 m×50 m的特深基坑進行了施工全過程的三維有限元彈塑性分析和模擬，并詳細說明了具體實現方法；平揚等[3]將比奧固結理論擴展應用于彈塑性分析領域，耦合滲流場水力作用與應力場，并通過有限單元法模擬得到深基坑開挖及降水過程中，開挖范圍及鄰近區域地面沉降等環境效應的基本規律。李俊才等[4]采用三維快速拉格朗日差分分析法將南京A、B大廈支護結構（懸臂支護結構、單層支點混合支護結構、鉆孔灌注樁連拱支護結構）與一定范圍內的土體（長、寬、高）作為一個整體，結合基坑實際開挖降水及施工工序，模擬和反映支護結構體的空間受力特征和變形。駱祖江等[5]、馮曉臘等[6]、張蓮花等[7]對此也有相應的分析。常見的巖土工程數值分析主要利用通用和專用的有限元軟件，如Abaqus、Ansys、Midas等。鄭剛等[8]、姚燕雅等[9]、王成華等[10]、陳志明[11]使用Abaqus；許劍峰[12]、郭智杰等[13]、申明亮等[14]使用Ansys；李治[15]、李方成等[16]、李輝等[17]、胡斌等[18]使用Midas，均對基坑開挖降水對周邊環境的影響做過研究。

本文所研究的超大基坑位于江蘇省蘇州市繁華地帶，是蘇州市最大最深基坑之一，在基坑支護設計和施工過程中，受到蘇州市各界人士的關注。方案突破了類似工程常規，具有較強的操作性及針對性，節約了工程造價，縮短了工期。為了解基坑施工對周邊環境的影響，建立了土體、圍護結構和水平支撐體系以及豎向支護體系共同配合作用的基坑三維有限元模型，對基坑開挖過程中圍護結構的變形位移、立柱樁身的沉降、支撐結構軸向力以及不同降水次序進行了定量分析，有效地控制了基坑變形，確保周邊建筑、市政管網設施不受影響，得到了良好的社會和經濟效益。

2 工程概況

本工程地處于蘇州市工業園區，分為兩期工程。一期工程基坑面積約為14 000 m2，周長約為500 m；二期工程基坑面積約為27 000 m2，周長約為640 m。一期工程已經落成，二期工程基坑（圖1）包括了圓環式支撐體系、周圍土體以及支護結構。

圖1 基坑平面示意

3 基坑支護方案

3.1 基坑安全等級

本基坑開挖的深度為14.3 m，周邊環境條件復雜，工程地質條件較差且含豐富的地下水，主要工程地質條件從上至下分別為：雜填土層、黏土層、粉質黏土層、粉土層、粉砂夾粉土層、粉質黏土層、黏土夾粉質黏土層等。基坑側壁安全等級定為一級，重要性系數1.1。

3.2 基坑支護方案設計

本場地內可利用的施工條件較為狹窄，基坑開挖的深度深、面積大，需考慮土體及圍護結構的時空效應受力的特點，采用有利于支護結構材料受力的形式。

綜合考慮以上各種因素，基坑支護結構采用了鉆孔灌注樁的圍護形式，水平方向上加了3道混凝土的環形支撐，環形支撐垂直方向上設置了立柱樁。

同時，基坑的四周采用φ850 mm＠1 200 mm的三軸深軸攪拌樁結合樁間的高壓旋噴樁進行全封閉止水，同時坑內采用疏干降水井，坑外設置了應急觀測井，若止水帷幕出現滲漏，可采用相應應急措施。

4 基坑三維模型的建立

4.1 建模思路

本工程場地土層變化復雜，需要對每層按照實際厚度進行建模。建模時建立設計方案中的水平、豎向支護結構，以此研究基坑開挖過程對周邊環境的影響。

4.2 模型的材料參數

土體采用摩爾-庫侖模型，混凝土采用線彈性材料模型，未考慮支護布局的施工對于周圍土體環境的擾動。模型中的土層參數如表1所示。

表1 模型中的土層參數

4.3 模型的幾何參數

4.3.1 鉆孔灌注樁

為簡化基坑建模過程，同時考慮到支護結構建模采用鉆孔灌注樁時，計算結果可能會出現一些節點不收斂的情況，在建模的過程中，采用地下連續墻進行等剛度替換灌注樁的方法，以此減少計算量，如式（1）所示。

式中：D——鉆孔灌注樁的直徑，m；

t ——鉆孔灌注樁的間距，m；

h ——地下連續墻等效厚度，m。

當D＝1.20 m，t＝0.20 m，得到h＝0.96 m，即等剛度替代的地下連續墻厚度為0.96 m。鉆孔灌注樁強度為C35，彈性模量為31 500 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3，開挖深度為14.3 m。覆蓋土層范圍包括第1土層到第4土層。

4.3.2 立柱

立柱樁樁頂的絕對高程應當確定為立柱位于墊層底的絕對高程，立柱底的絕對高程應當最少比立柱樁樁頂的絕對高程低3.0 m。為了防止立柱樁在彎矩等的影響下發生旋轉現象，在基坑的建模過程中，需要沿z軸的約束立柱。

4.3.3 水平支撐

水平支撐尺寸參數如表2所示。

表2 水平支撐尺寸參數

4.4 施工工況

根據施工方案，模擬的施工進程可分為9個工況：建立初始應力場；安設立柱和豎向支護結構；安裝第1道支撐；開挖第1層土體（－2.75～－0.50 m）；安裝第2道支撐；開挖第2層土體（－6.90～－2.75 m）；安裝第3道支撐；開挖第3層土體（－11.90～－6.90 m）；開挖第4層土體（－14.30～－11.90 m）。

4.5 三維模型的建立

4.5.1 基坑三維模型

擬建基坑開挖寬度為145 m，深度為14.3 m。基坑開挖對周圍土體和建筑物的影響區域為3～5倍開挖寬度和5倍開挖深度，而模型建立過大可能會導致節點數目過多，計算過于復雜。綜合以上因素，設定模型的尺寸為300 m×300 m×60 m（長×寬×高）。模型的節點數目為53 614個，單元數目為112 321個。基坑有限元模型如圖2所示，基坑支護模型如圖3所示，基坑約束模型如圖4所示。

圖2 基坑的有限元模型

圖3 基坑支護的模型

圖4 基坑約束模型

4.5.2 邊界及荷載條件定義

模型左右方向約束x方向位移，前后方向約束y方向位移，底部約束z方向位移，頂部沒有約束。

5 計算結果分析

5.1 數值模型的監測點

基坑開挖過程中對周圍的環境，包括周圍的建筑、周圍的道路、地下的管線都有可能產生各種各樣的影響。數值模型中也在這些位置設定了監測點來提取模擬數據，具體如下：

1）水平位移及豎向位移：沿圈梁頂每隔20 m設1個水平位移觀測點。

2）支撐軸力測量：選擇10處支撐進行軸力測量。

3）支撐立柱沉降：選擇10根立柱樁在不同的開挖層中設沉降觀測點。

5.2 結果分析

5.2.1 支護結構位移

各施工步驟支護結構水平位移如圖5、圖6所示。

圖5 支護結構總位移

圖6 支護結構水平位移

從支護結構的位移圖中可以看出，支護結構在4個開挖步驟中的位移變形曲線大致相同，最大側向位移發生在第3層支撐所在的支護結構處，為17.45 mm，呈現出了“魚腹”的變形，隨著開挖深度的增加，支護結構側向位移剛開始時逐漸增大，到了最后階段，位移變形則呈現出略有減小的趨勢，最大位移的位置先上移，之后向下移動，最后在開挖面的附近處趨于穩定。當開挖的步驟到達基坑底部時，各個測點的位移增量比較大。支護結構的最終位移控制在相對較小的范圍內，可滿足工程安全可靠的要求。

5.2.2 立柱沉降

立柱的不均勻沉降是基坑支護結構設計中需要重點處理的問題，因為存在較大的不均勻沉降回彈將會對水平支撐的系統產生不利的影響。模擬顯示各個立柱的最大沉降量為0.76 mm（圖7），沒有超過規范值1 mm，不會對基坑支護體系產生較大的影響，同時也保證了該基坑開挖時土體的安全。

圖7 立柱位移

5.2.3 支撐軸力

結果表明，第1道支撐的最大軸向力為2 706.8 kN（圖8），第2道支撐的最大軸向力為9 990.3 kN（圖9），第3道支撐的最大軸向力為17 622.6 kN（圖10）。這3個支撐結構中，第1道支撐結構承受的軸力最小，第3道支撐結構承受的軸力最大。從圖8～圖10可以看出，內環撐軸向力很大，因此在施工過程中應該重點進行相關的監測，當所得到的監測值超過了計劃值時，應當及時采取相應的應急辦法。

圖8 第1道支撐軸力

圖9 第2道支撐軸力

圖10 第3道支撐軸力

6 結語

文中所涉及的超大基坑工程一期、二期總基坑面積約41 000 m2，采用的支護結構直徑達162 m，為目前蘇州地區最大。同時，該項目場地周邊不僅分布著煤氣、自來水、電信等管線，且緊鄰游樂園摩天輪等高聳構筑物及密集的已建建筑。本研究對于分析超大型基坑圍護結構安全性能及周邊環境的穩定性具有較強的借鑒意義，結論如下：

1）開挖面附近的四周結構的水平位移均比較大，支護結構轉角處的應力明顯大于其他部位，4個轉角處的軸力明顯大于其他部位。

2）支護結構的軸力最大值空間上處在不同位置，軸力最大值在第3道支撐處。

3）深基坑工程、支護結構和工程的降水是確定基坑穩定安全的首要任務，尤其是關于淺埋的深基坑開挖的內容。降水引起的地面沉降對于周圍建筑物的不利影響，需結合所在區域的經驗定性分析和定量計算。

[1] 翁新芳.淺談高層建筑深基坑支護施工[J].城市建設理論研究(電子版),2012(10):1-3.

[2] 陸新征,宋二祥,吉林,等.某特深基坑考慮支護結構與土體共同作用的三維有限元分析[J].巖土工程學報,2003,25(4):488-491.

[3] 平揚,白世偉,徐燕萍.深基坑工程滲流-應力耦合分析數值模擬研究[J].巖土力學,2001,22(1):37-41.

[4] 李俊才,張倬元,許強.深基坑開挖變形的三維數值模擬研究[J].南京工業大學學報(自然科學版),2005(3):1-7.

[5] 駱祖江,李朗,曹惠賓,等.復合含水層地區深基坑降水三維滲流場數值模擬:以上海環球金融中心基坑降水為例[J].工程地質學報,2006,14(1):72-77.

[6] 馮曉臘,熊宗海,莫云,等.復雜條件下基坑開挖對周邊環境變形影響的數值模擬分析[J].巖土工程學報,2014,36(增刊2):330-336.

[7] 張蓮花,孔德坊.沉降變形控制的基坑降水最優化方法及應用[J].巖土工程學報,2005,27(10):1171-1174.

[8] 鄭剛,劉慶晨,鄧旭.基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數值分析與變形控制研究[J].巖土力學,2013,34(5):1459-1468.

[9] 姚燕雅,陳國興.滲流場-應力場耦合作用下基坑三維數值分析[J].地下空間與工程學報,2009,5(3):499-504.

[10] 王成華,劉慶晨.考慮基坑開挖影響的群樁基礎豎向承載性狀數值分析[J].巖土力學,2012,33(6):1851-1856.

[11] 陳志明.深基坑工程開挖與支護的三維有限元模擬[D].天津:天津大學,2010.

[12] 許劍峰.基坑工程中土體深層水平位移研究[J].施工技術,2012(增刊1):95-96.

[13] 郭智杰,陸上云,邊亦海.可拓學理論在深基坑安全評估中的應用研究[J].地下空間與工程學報,2006,2(5):851-854.

[14] 申明亮,廖少明,周小華,等.坑中坑基坑應力場的參數化分析[J].巖土工程學報,2010(增刊2):187-191.

[15] 李治.Midas/GTS在巖土工程中應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[16] 李方成,郭利娜,胡斌,等.基于MIDAS軟件探討施工工序對深基坑穩定性的影響[J].長江科學院院報,2013,30(3):49-55.

[17] 李輝,楊羅沙,李征,等.基于MIDAS/GTS對地鐵站超深基坑空間效應的研究[J].鐵道建筑,2011(4):83-85.

[18] 胡斌,郭利娜,李方成,等.武漢地鐵名都站深基坑圍護結構水平變形分析與仿真模擬研究[J].工程勘察,2012,40(8):7-12.