復雜環境下軟土深基坑開挖對周圍環境的影響

奚家米,熊元林,張 馳,武李和樂,潘振興

(西安科技大學 建筑與土木工程學院， 陜西 西安710054)

0 引言

基坑開挖作為分部分項工程中重要的一環，具有很強的區域性。基坑開挖引起的變形會隨著深度的增加而增加，此時施加支護結構可以有效限制變形，因此，利用信息化監測或數值模擬研究基坑在開挖過程中周圍環境的變化，可以有效預防危險事故的發生。文獻[1-4]利用信息監測及數值模擬的方法，對基坑及支護結構變形進行了研究。文獻[5]以南京地鐵深基坑為背景，研究了基坑在開挖過程中支護結構及周邊巖體的變形和受力情況。文獻[6]結合上海陸家嘴超深大基坑工程，通過信息化監測手段，研究了順逆做同步交叉開挖下鄰近地層的變形情況。文獻[7]采用ANSYS有限元軟件，對基坑支護結構在開挖過程中的受力情況及位移關系進行了研究。文獻[8]為研究臺階狀不等高地下連續墻支護結構的受力及變形特征，利用MIDAS-GTS有限元軟件對某錨碇基坑進行了模擬。文獻[9]通過FLAC3D數值模擬軟件對西安地鐵2號線韋曲段深基坑進行模擬計算，通過數值模擬和實測數據的對比，分析了基坑支護結構的位移及軸力的變化情況。文獻[10]通過建立數值模型，研究了深厚淤泥質軟土基坑地下連續墻的變形特征，并將模擬結果和實測數據進行對比，優化了既有支護結構。文獻[11]在數值模擬的基礎上建立了深基坑復合土釘墻支護模型，并將模擬的位移變化量與實際監測數據進行對比研究，指出了土體最大沉降發生的位置，為深基坑支護設計與施工提出了合理的建議。文獻[12]利用數值模擬軟件對樁錨支護與變形縫進行模擬分析。文獻[13]利用數值模擬軟件對基坑開挖進行模擬，并分析了整個開挖過程周圍環境的變化情況。文獻[14]采用數值模擬和現場監測的方法對比分析了基坑的穩定性。文獻[15]通過二維有限元模型，研究了深基坑在開挖過程中地表土體的位移變化情況。文獻[16]通過數值模擬軟件，分析了基坑開挖對周圍建筑的影響。文獻[17]通過有限元軟件從開挖深度、樁長和樁位3個角度，對軟土基坑支護效果展開研究。文獻[18]利用數值模擬軟件，對天津地鐵車站深基坑開挖引起的地層沉降及周圍建筑、支護結構的變形展開了研究。結果表明：地下連續墻底的土體較其他地區的土體會更早地進入塑性區，并且周圍建筑的沉降與基坑開挖的深度有直接關系，其結論可為相似工程提供借鑒。

在目前的研究中，對于單一支護結構及基坑變形情況已有較為成熟的認識，但是對于復雜環境下異形軟土深基坑的開挖及組合支護結構的研究鮮有報道。本文以上海軟土地區為研究背景，以虹橋SOHO深基坑工程為研究對象，運用FLAC3D數值模擬軟件模擬基坑開挖過程中地表及周圍建筑變形的全過程，并將數值計算結果與現場監測數據進行對比分析，從安全性和經濟性的角度出發，研究不同樁徑和內支撐間距對基坑變形的影響，以探究更合理的支護組合形式，達到降低工程造價的目的，為相似基坑工程的開挖支護設計提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

虹橋SOHO項目位于上海市長寧區虹橋臨空經濟園，北至北翟路，南至金鐘路，東至協和路，西至廣順北路，項目地上11層，地下2層。基坑開挖面積約75 000 m2，開挖深度12 m，最大開挖深度達15.5 m。虹橋基坑項目平面示意圖如圖1所示。根據水文地質勘查報告得知，對工程有影響的地下水類型以淺部土層中的微承壓水為主，埋深根據安全原則取0.50 m。

圖1 虹橋基坑項目平面示意圖

該基坑工程周邊布有建筑及交通要道，環境較為復雜。基坑北側的既有建筑物距離該基坑僅12.8 m，北翟高架路距基坑僅25.0 m；基坑東側的文洋大廈距離該基坑20.5 m，茂鑫加油站距離該基坑38.5 m；東南側的消防總隊距基坑最近距離為13.0 m；基坑西側是A20公路及廣順北路，該側地下室邊線距用地紅線最近距離約8 m；并且基坑東側的協和路、南側的金鐘路以及北側的北翟高架路下布有大量管線。在如此復雜的環境下進行施工，應嚴格要求圍護結構，并采用信息化技術及計算機軟件對道路及建筑進行監控。

1.2 深基坑圍護結構設計

基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁并設兩道混凝土內支撐，現場支護結構如圖2所示，鉆孔灌注樁的樁徑為900 mm，樁外側設φ850 mm@1 200 mm三軸攪拌樁止水帷幕，有效樁長19.5 m。基坑圍護結構及支撐體系剖面圖如圖3所示。

圖2 現場支護結構圖

圖3 基坑圍護結構及支撐體系剖面圖

1.3 監測方案

為了解基坑開挖對周邊環境的影響，對該基坑周邊建筑及地表進行位移監測，根據文獻[19]得到基坑監測項目及控制指標，如表1所示，支護結構及監測點平面布置圖如圖4所示。

表1 基坑監測項目及控制指標

擬在工程周邊道路上布置9組沉降剖面監測點，每組沉降剖面從基坑圍護外側算起，按4 m的間距設置5個垂直位移監測點，監測點編號為B1-i～B9-i(i=1,2,3,4,5)；并對1.5倍樁長及3.0倍基坑開挖深度范圍內的主要建(構)筑物進行垂直位移監測，監測點編號為F1～F31。

圖4 支護結構及監測點平面布置圖

2 實測數據分析

根據基坑的形狀以及周邊環境，選取北翟高架路段的地表監測點B1、B2兩組共計10個監測點進行地表變形規律研究；選取基坑北側既有建筑物監測點F1、F2、F4、F6，基坑東側文洋大廈監測點F9、F15、F17、F23，基坑東側茂鑫加油站監測點F25、F27、F28、F30共計12個監測點進行周邊建筑沉降變形規律研究，根據監測結果繪制變形曲線圖。

2.1 基坑外地表沉降分析

圖5為基坑外地表沉降曲線，從圖5中可以看出：兩組監測點變化趨勢基本一致，開挖初期地表位移先上升，隨后穩定下降，個別點在下降過程中發生隆起，出現這一現象主要是因為土層開挖時導致下層土體卸載以及基底發生回彈造成的。隨著開挖深度增加，各監測點位移呈現出不斷增大的趨勢，在完成第3層開挖時，B1組的最大沉降值為5.05 mm，B2組的最大沉降值為5.50 mm，對比兩組監測點發現，位于基坑角部監測組B1的沉降值小于基坑中部監測組B2的沉降值，也就是說，在基坑“坑角效應”的影響下，抑制了鄰近區域的位移發展。

(a) B1組地表沉降曲線

(b) B2組地表沉降曲線

2.2 周邊建筑位移分析

圖6反映了周邊建筑隨基坑開挖的位移變化情況。首先，對比3棟建筑物的沉降趨勢不難發現，基坑周邊建筑的變形同地表變形一致，這說明鄰近建筑的變形在一定程度上會受到地表變形的影響。其次，從沉降值來看，位于基坑北側的既有建筑物及文洋大廈的整體沉降要大于基坑東側的加油站，這是因為基坑北側的既有建筑與文洋大廈離基坑的距離較加油站離基坑更近，受到基坑開挖影響也就更大。F9和F23的沉降變形也是如此，這兩點是監測文洋大廈沉降的控制點，沉降值較其他監測點更大，這也是因為離基坑距離較近，受開挖影響更大的緣故。圖6a中在基坑開挖初期位于文洋大廈一側的監測點F15隆起值是其他測點的1.43～18.2倍，并在2011年10月24日達到峰值2.00 mm，這是因為F15位于文洋大廈與協和路之間，開挖后在車輛荷載及建筑荷載的影響下產生了較大變形。隨著基坑開挖深度的增加，該點與其他測點的沉降趨勢保持一致，各測點中最大沉降值為5.03 mm，并未超過警戒值。

(a) 既有建筑物及文洋大廈部分監測點沉降曲線

(b) 文洋大廈及加油站部分監測點沉降曲線

3 數值模擬與實際數據對比分析

FLAC3D數值模擬軟件以有限差分法為原理，可以模擬巖石、土體及其他材料的力學特征，并且具有強大的三維處理計算功能及較強的兼容性，因此被廣泛應用于基坑穩定性分析、邊坡穩定性分析、隧道工程施工設計等多個工程領域當中。

3.1 建立模型

為減少邊界條件對計算結果的影響，根據該項目所處的空間位置，影響區域選基坑開挖深度的5倍，最終確定模型長640 m，寬410 m，高100 m。該基坑屬于異形基坑，可通過Rhino3DNURBS建模軟件對FLAC3D在前處理過程中構建的結構模型進行優化，基坑幾何模型見圖7。

圖7 基坑幾何模型

模型共210 642個單元，38 235個節點，邊界條件的設定除模型上部不受約束外，其余5個面均施加約束。本構關系選用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則，由于鉆孔灌注樁的受力形式與地下連續墻相近，根據文獻[20]中的公式(D+t)h3=12πD4/64進行折算，求得地下連續墻厚度為0.60 m。在建模過程中以實體單元進行模擬，鉆孔灌注樁外側的三軸攪拌樁止水帷幕也同樣采用此方法進行代替，以簡化模型計算。混凝土內支撐采用beam單元建立模型。周圍公路荷載設10.5 kN/m2，建筑荷載按15 kN/m2計算。本次開挖過程的模擬是在基坑降水之后進行的，地下水位位于坑底以下，模型的土層參數見表2。

表2 模型的土層參數

計算模擬的過程如下：①初始地應力分析；②圍護結構施工；③開挖至1.5 m深，在1.5 m處架設第1道支撐及立柱；④開挖至6.0 m深，在6.0 m處架設第2道支撐；⑤開挖至坑底，即12.0 m深；分3次開挖。

圖8 基坑開挖垂直方向位移云圖

3.2 垂直方向云圖分析

在模型計算過程中，通過基坑外地表、周邊建筑的監測點記錄位移變化過程。每完成一步工況，記錄一次位移沉降值，待所有工況完成后，將曲線擬合，并與實際監測數據進行對比分析。基坑開挖垂直方向位移云圖如圖8所示。

基坑開挖后，打破了原有土體的平衡狀態，造成初始應力場被破壞，發生應力重分布，致使基坑內外產生壓力差。在壓力差及外部荷載的作用下，基坑外土體向基坑內逐漸移動，最終導致基坑外地表出現下沉。從圖8中可以看出：開挖初期，由于開挖深度較淺以及第1道支撐對基坑變形的限制，坑外土體沉降值較小。周邊建筑最大沉降值出現在基坑東側文洋大廈附近，約為1.49 mm。隨著開挖深度的增加，坑外地表沉降逐漸增大，此時第2道混凝土內支撐搭設后，增加了基坑整體的穩定性，對基坑周邊變形起到了限制作用，最終沉降的模擬計算結果約為4.99 mm。

3.3 模擬數據與實例數據對比分析

3.3.1 基坑外地表沉降對比

圖9是B1-3監測點數值模擬結果擬合的沉降曲線與實際監測沉降曲線對比圖。從圖9中可以看出：數值模擬計算結果與實際監測數據位移變化趨勢基本一致，B1-3監測點的實際最大隆起值為0.88 mm，模擬數據的最大隆起值為0.79 mm，相差0.09 mm；實際最終沉降為4.06 mm，模擬數據的最終沉降值為3.64 mm，相差0.42 mm，位移值相差不大，在整個數值模擬計算過程中，位移出現波動的原因與實際監測數據分析結果一致。

3.3.2 周邊建筑沉降對比

取基坑東側文洋大廈處監測點F23進行建筑沉降分析，數值模擬結果與實測曲線對比如圖10所示。由圖10可以看出：在基坑開挖初期下層土體卸載后產生回彈，伴隨著開挖深度增加及時間的推移，建筑物開始沉降。在2011年12月22日至2012年1月6日監測點的沉降速率較大，是由于開挖深度增加造成的，而在2011年12月1日與2012年2月5日左右分別搭設兩道混凝土內支撐后，監測點的沉降速率開始趨于平緩。這說明了基坑開挖深度增大會導致鄰近建筑物沉降增大，施加支護時沉降減小，支護結構會有效限制建筑物的變形。

圖9 基坑外地表B1-3監測點模擬與實測沉降曲線對比

圖10 周邊建筑模擬與實測沉降曲線對比

4 支護結構優化分析

通過數值模擬與實際監測結果的對比可以看出：FLAC3D有限元軟件可以較好地反映基坑開挖的全過程，也證實了模型建立的合理性。為保證基坑的穩定性，降低工程造價，從改變樁徑、內支撐間距的角度出發優化支護結構。樁徑選型為800 mm和700 mm兩種，經過折算在模擬過程中可等價為0.50 m和0.45 m厚的地下連續墻(圖11中樁徑仍備注為800 mm和700 mm)；內支撐間距選擇3.5 m和5.5 m兩種，與原4.5 m間距進行對比，進一步研究支護結構對周邊環境影響。

圖11為不同樁徑及內支撐間距下基坑沉降位移云圖。從圖11a中可以看出：800 mm樁徑基坑周邊最大沉降值為19.08 mm，基底隆起值為26.93 mm，最大沉降值與基底隆起值較原圍護結構增加了3.8倍、1.1倍。從圖11b中可以看出：700 mm樁徑下的基坑變形較大，基坑周邊最大沉降值為35.91 mm，基底最大隆起值為31.97 mm，均超過警戒值，最大沉降值與基底隆起值同比增長7.2倍、1.3倍。所以，基坑的變形與樁徑大小有關，樁徑越大，周邊土體沉降越小；樁徑越小，周邊土體沉降越大。并且當樁徑為800 mm時，基坑的最大變形未超過警戒值，滿足安全設計要求，這說明原圍護結構的設計相對保守，可以適當減小樁徑以節約施工成本。從圖11c中可以看出：當內支撐間距為3.5 m時，基坑周邊最大沉降值為32.37 mm，基底最大隆起值為42.47 mm，相較于原圍護結構增加了6.5倍、1.7倍。從圖11d中可以看出：當內支撐間距為5.5 m時，基坑周邊最大沉降值為43.92 mm，基底最大隆起值為45.0 mm，相較于原圍護結構增加了8.8倍、1.8倍，且均已超過預警值。這說明與原設計相比，減小或增大內支撐間距都會增大基坑的變形量。

樁徑與內支撐間距的變化都會影響基坑的穩定性，不同于樁徑的是，內支撐間距的增大或減小都會使基坑變形增大。通過對圖12混凝土內支撐軸力云圖分析可知：兩道混凝土內支撐最大軸力均集中在斜向支撐上，位于基坑角部位置，表現出軸向壓力。圖12a中當內支撐間距為3.5 m時，最大軸力約為8 953.5 kN；圖12b中當內支撐間距為5.5 m時，最大軸力約為6 538.2 kN，均已超過警戒值。這是因為，當兩道內支撐間距過小，待第1道支撐還沒有充分發揮其作用時，第2道支撐便已施加，隨后基坑開挖至底部。由于第2道支撐距基底距離較大，此時基坑外側主動土壓力較大，內支撐無法承受這部分力而導致基坑失穩。當兩道內支撐間距過大時，在還沒有施加第2道支撐的情況下，僅憑第1道支撐無法有效限制基坑的變形。因此，合理的支撐間距至關重要。

(a) 800 mm樁徑下基坑沉降位移云圖

(b) 700 mm樁徑下基坑沉降位移云圖

(c) 內支撐間距為3.5 m時基坑沉降位移云圖

(d) 內支撐間距為5.5 m時基坑沉降位移云圖

(a) 內支撐間距為3.5 m時基坑沉降位移云圖

(b)內支撐間距為5.5 m時基坑沉降位移云圖

綜上所述，原圍護結構方案對于樁徑的設計相對保守；在適當減小樁徑的情況下，地表沉降沒有超過預警值，并不會影響到圍護效果。但改變內支撐間距會導致支撐的軸力超過預警值，基坑的穩定性無法得到保證。所以，在基坑變形的合理范圍內，適當減小鉆孔灌注樁的樁徑，建議將原鉆孔灌注樁的樁徑從900 mm減小到800 mm，內支撐間距仍采用4.5 m，能在保證基坑穩定性要求的前提下節約材料成本。

5 結論

(1)通過對比研究基坑開挖引起的地表及鄰近建筑沉降發現，FLAC3D數值模擬軟件能夠較好地反映基坑開挖變形全過程，證明了模型建立的合理性。

(2)通過對不同樁徑、不同內支撐間距下基坑開挖模擬結果分析可知，減小樁徑或內支撐間距會導致基坑變形增大，增大內支撐間距也會使基坑變形增大。

(3)當兩道內支撐間距較小時，會導致第2道內支撐距基底的距離過大，在基坑外側主動土壓力的作用下，支護結構的軸向壓力過大，超出自身承受極限，對基坑變形沒有起到有效的限制作用。當兩道內支撐間距過大時，第2道支撐對第1道支撐及基坑的變形沒有起到限制作用，此時第1道支撐的軸力值也會超過設計允許值，無法充分發揮支護作用。

(4)利用FLAC3D對組合圍護結構進行優化后，將原鉆孔灌注樁的樁徑從900 mm減小到800 mm，內支撐間距保持不變，依然可以滿足基坑安全設計要求。