砂性土中異形基坑群分期施工受力變形的特性研究

姚青 李明廣

1.上海城建市政工程（集團）有限公司 200065

2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 200240

3.上海市基礎工程集團有限公司 200002

引言

近年來，隨著城市發展，交通擁堵日益嚴重，發展地下交通作為緩解都市交通壓力的一種有效手段受到諸多城市的推崇。作為地鐵線路主要節點的地鐵換乘車站多處于都市繁華區，其基坑形狀常常受到周邊復雜環境的限制而設計為不規則形狀。為了減小異形基坑空間效應的影響，實際施工中，常將整個基坑劃分為多個小基坑，整體施工采用基坑群分期施工的方式。因此研究異形基坑群分期施工的受力變形特性及其對周邊建（構）筑物的影響十分重要。

對于異形基坑施工的變形特性，已有部分學者開展了一些研究。吳水根［1］、姜艷紅［2］等學者曾基于工程實例對異形基坑的支護方案優化選擇方面進行了研究，但其關注重點在于支護結構方案的優化，不涉及對周邊環境的影響分析。在分期施工減小基坑空間效應影響方面，已有研究的分析對象多為軟土地區基坑開挖施工。如應宏偉等［3］探究在軟土深基坑中采用分段施工方法減小基坑變形和對周邊環境的影響；郭躍［4］研究了分段施工對圍護結構的變形特性及內力的影響。

砂性土地區的土層黏聚力較小，故在此類場地進行深基坑施工與其他類型的地質條件存在明顯差異。而對砂性土地區地鐵車站深基坑施工的受力變形特性的研究較少：俞建霖等［5］采用數值分析與實測數據分析的手段，研究了杭州某砂性土基坑施工的變形特性及其對緊鄰地鐵隧道的影響；范建軍等［6］針對砂性土地質條件下超大超深基坑進行研究，提出了一種包括圍護設計、降水、開挖、拆撐等施工措施的控制圍護變形的綜合施工技術；趙秀紹等［7］結合數值模擬和監測數據分析的手段對砂性土中深基坑變形特性進行研究。但上述學者研究涉及的基坑形狀和支撐結構體系較為規整，且不涉及分期開挖對減小基坑群施工的空間效應問題。

總結上述已有研究可以發現，尚未有針對砂性地層中異形基坑群分期施工的受力變形特性的研究。本文以地處砂性土地區的南昌市軌道交通青山路口站基坑分期施工為例進行數值分析對該問題進行探究。首先采用前處理軟件對基坑進行精確建模，然后通過模擬先期施工的一期基坑對數值參數的準確性進行反分析，最后模擬二期基坑施工的全過程。為了指導后續施工，本文重點分析了二期基坑模擬結果的坑外地表沉降、墻體水平變形和支撐軸力，得出異形基坑分階段開挖的受力和變形特性以及其環境影響。

1 工程概況

1.1 工程背景及地質條件

南昌市軌道交通2 號線和3 號線的青山路口換乘站位于市區交通繁華地帶，所在路口為連接市中心與昌北地區的重要節點，場地土層為砂性土，周邊環境和工程地質條件十分復雜。該車站的2 號線部分車站長度約為200m，寬度約為25m，埋深約為24m 左右，采用明挖順作施工；3 號線部分車站長度約為340m，寬度約為24m，埋深約為17m左右，采用半蓋挖順作和明挖順作施工。

基坑群擬建場地屬于贛江二級階地，地形較平坦、起伏不大，地質結構較單一，無不良地質構造。根據巖性及工程特征，場地的地層自上而下可依次劃分為：素填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、細砂、礫砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。

1.2 施工方案及支護結構

青山路口換乘車站基坑示意如圖1 所示，功能較多且形狀復雜。基坑水平方向主要為地鐵2號線車站覆蓋區域（包括區域Ⅰ、Ⅴ），豎向方向主要為地鐵3 號線車站覆蓋區域（包括區域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。同時，Ⅳ區域內還有一棟需要拆除的南昌市第二十八中學的教學樓。為了協調施工與教學樓拆遷以及地鐵2 號線和3 號線的盾構進度之間的關系，在車站基坑主體結構內設置多道封堵墻，將青山路口換乘站基坑主要分成兩個階段進行施工：一期施工階段包括區域Ⅰ、Ⅴ，二期施工階段包括區域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。其中，區域Ⅴ為一期基坑施工和二期基坑施工的交叉區域，如圖1 所示。

圖1 青山路口站兩期施工區域劃分Fig.1 Division of two stages construction area of Qingshan Road Station

青山路口站總體地面標高為20.66m，主體圍護結構采用1000mm 地下連續墻和內支撐系統，混凝土等級為水下C35 混凝土。圖2 為一期基坑支撐平面布置，基坑設四道支撐，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐；圖3為二期基坑施工支撐平面和剖面布置，共設4 道鋼筋混凝土支撐。各支撐尺寸及中軸線標高見表1。

圖2 一期基坑第一道支撐平面示意Fig.2 First support of the first-stage foundation pit

圖3 二期基坑支撐平面和剖面布置示意Fig.3 Plane and sectional view of the second-stage foundation pit support

表1 青山路口站支撐布置Tab.1 Support arrangement of Qingshan Road Station

2 計算模型與參數

由于本基坑形狀不規則，支撐設置不規則，且分成兩個階段進行施工，故該基坑群受力條件復雜，施工過程結構受力不明確。為了解采用該施工方案引起的基坑圍護結構的受力變形及其對周邊環境的影響，本文采用數值方法模擬整個基坑群的開挖過程。由于項目施工時處于枯水期，數值模擬中暫不考慮地下水的影響。

數值模型包括基坑支護結構和坑內外土體兩部分，為減小邊界條件對基坑變形的影響，本次計算邊界取為坑深的5 倍，開挖深度27m，考慮到開挖對周圍土體的擾動，三維模型取為333m×300m×90m。模型的邊界條件方面，上邊界設為自由邊界，底部各向全約束，各側邊限制法向位移。圖4 所示為土體計算模型和結構單元計算模型示意，其中，土體采用實體（zone）單元模擬，地下連續墻采用liner 單元模擬，鋼筋混凝土支撐和鋼支撐采用空間梁（beam）單元模擬，立柱樁和工程樁采用樁（pile）單元模擬。

圖4 土體和結構單元計算模型示意Fig.4 Calculation model of soil and structural

土體單元采用摩爾-庫侖本構進行模擬，根據地勘報告中的土層分布情況以及一些土體物理力學性質試驗，可以得到土體物理力學參數。其中，楊氏模量E取鉆孔巖土波速試驗中動楊氏模量的一半；泊松比ν采用當地相關經驗數據，取砂土約0.3，黏土約0.495；砂土的內摩擦角φ按照式（1）計算得到；黏土的黏聚力取不排水抗剪強度Cu。將土體模擬用到的參數按照上述標準進行整理，得到各層土層的土體參數，如表2所示。

表2 土體參數Tab.2 Parameter of soil

式中：N為經桿長修正后的標貫擊數。

結構單元采用線彈性本構模型進行模擬，彈性模量取30GPa，泊松比取0.2。

土體單元與結構單元之間的接觸通過彈簧實現，接觸參數包括彈簧的法向和切向剛度，墻土摩擦角和黏聚力。其中，彈簧的法向和切向剛度通過式（2）求得。墻土摩擦角取土體內摩擦角的2／3，黏聚力取土體黏聚力的0.8 倍。

式中：kn和ks分別為彈簧的法向和切向剛度；K和G分別為土體的體積模量和剪切模量；Δzmin為接觸面相鄰區域法向上的最小寬度。

3 數值參數反分析

由于本工程分期開挖，模擬過程中需要考慮先開挖基坑的施工對周圍土體地應力分布的影響，故數值模擬仍按照一二期基坑的施工順序進行。先對已完成施工的一期基坑進行模擬，并根據模擬所得結果與實測值進行對比，以此反分析數值模擬參數，確定取值的準確性。一期基坑（區域Ⅰ和Ⅴ）模擬工況見表3。

表3 第一期基坑開挖步驟Tab.3 Excavation steps of the first-stage foundation pit

根據一期基坑數值模擬結果可得坑外地表沉降和墻體測斜分布，圖5 為基坑端頭井地連墻上點DB0 處墻后地表沉降計算值與實測值的對比；圖6 為基坑地連墻測斜點CX0 處水平位移計算值與實測值之間的對比。從中可以看到，實測值和模擬值吻合較好。因此可以認為本文的參數取值能夠較為精確地模擬該區域基坑的變形規律，故以此對二期基坑在施工過程中的變形特性進行分析。

圖5 DB0 處坑外地表沉降計算值與實測值Fig.5 Calculated and measured values of surface settlement of DB0 outside the pit

圖6 CX0 處墻體水平位移計算值與實測值Fig.6 Calculated and measured values of wall horizontal displacement of CX0

4 二期基坑數值模擬

4.1 施工工況模擬

一期基坑開挖模擬完成后，需先將模型的變形和位移清零，繼而進行二期基坑（區域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）的施工模擬，其開挖步驟見表4。

表4 二期基坑開挖步驟Tab.4 Excavation steps of the second-stage foundation pit

4.2 二期基坑變形特性預測

為了更好地了解二期基坑施工時的變形特性及其對環境的影響，數值模擬重點關注基坑及其周邊土體變形、支撐圍護變形和支撐軸力的分布，圖7 為本文分析的幾個關鍵位置分布。

圖7 變形特性分析的幾個關鍵位置分布Fig.7 Distribution of several key locations for deformation characteristics analysis

1.基坑及其周邊土體變形特性

圖8 為第二期基坑開挖不同階段土體的豎向位移云圖。對比圖中的土體豎向位移可以看出，在基坑開挖前期（基坑第一層開挖），坑內隆起分布較為均勻，最大隆起約2.7mm，坑外沉降幾乎為零，甚至出現部分隆起；在基坑開挖中期（基坑第三層開挖），坑內中間部分隆起繼續增大，最大隆起達到11mm，坑外局部出現沉降，約1mm左右；在基坑開挖結束時（基坑第五層開挖），坑內隆起急劇增加，分布均勻，平均隆起約10mm，最大隆起達到13mm，坑外沉降范圍擴大，最大沉降約為25.6mm 左右。基坑外地表最大沉降量約為開挖深度的0.1%。

圖8 基坑開挖豎向位移分布（單位： m）Fig.8 Vertical displacement distribution of foundation pit excavation（unit：m）

整理基坑開挖不同階段時的坑外地表沉降數據，繪制出了墻體2、墻體3 周圍的測線A、B的坑外地表沉降分布，如圖9 所示。從圖中可以看到，在基坑前三層土開挖過程中，墻后地表幾乎沒有出現沉降，甚至出現了部分隆起；而當基坑開挖到第四層土之后，墻后地表開始出現沉降。其中，在墻體2 后的7m處，墻體3 后的6m處，沉降值達到最大，分別為20mm和5mm。發生最大地表沉降的點距離地墻約為0.25 倍的開挖深度。

圖9 墻后測線A 和B 上坑外地表沉降分布Fig.9 Settlement of surface settlement on line A and B after wall outside the pit

總體來說，在基坑開挖完成后，基坑外地表在距離0.25 倍開挖深度的地方達到最大沉降，最大沉降量約為開挖深度的0.1%。因此，該圍護結構和施工方案下基坑開挖產生的對坑外地表沉降的影響較小。

2.支撐圍護變形特性

整理基坑開挖不同階段時的地連墻CX1 ～CX4產生的水平位移數據，得到基坑不同開挖工況下基坑四個測斜點處墻體水平位移沿深度分布，如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著基坑開挖的進行，墻體水平變形逐漸增大；墻體變形呈凸鼓型，最大水平位移出現在細砂土層范圍內，其主要原因是細砂土層以下土體的強度和剛度較大。

圖10 不同工況下墻體測斜分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of wall under different working conditions

從圖10 中還可以看出，開挖結束后墻頂的水平位移較大，其主要原因是支撐的不規則布置使得支撐的剛度較低，隨著開挖的進行，開挖面以上部分的墻體出現了較大的平動位移。統計結果如表5 所示，從表中可以看出，開挖結束后，墻體最大變形為27.8mm，為開挖深度的0.1%。

表5 墻體水平位移統計Tab.5 Statistical table of horizontal displacement of wall

綜上，在前三個基坑開挖階段，墻體水平變形很小；當基坑開挖進行第四、第五階段時，墻體水平變形開始增大，其最大水平位移出現在CX2 點處，其最大值為27.8mm，約為開挖深度的0.1%。因此，在二期基坑開挖結束后，基坑開挖產生的地墻水平位移相對較小。

3.支撐軸力

圖11 顯示了二期基坑開挖結束時四層支撐內部的軸力分布。從圖中可以看出第一、二和第三道支撐在基坑開挖最后一個階段完成后均存在拉應力和壓應力，而第四道支撐則全部受壓；同時，第二道和第三道支撐相比其他道支撐而言，其拉壓應力要大一些。

圖11 基坑開挖結束支撐內部軸力分布（單位： N）Fig.11 The axial force distribution of support after foundation pit excavation（unit：N）

整理基坑開挖不同階段時各道支撐的軸力數據，進行基坑開挖不同階段各道支撐軸力的最大值和最小值的統計，整體結果如表6 所示。從表中可以發現，第一道支撐在開挖最后一個階段時所受壓力與拉力達到最大值，最大拉力為0.58MN，最大壓力為4.45MN；第二道支撐也在開挖最后一個階段時所受壓力與拉力達到最大值，最大拉力為3.31MN，最大壓力為9.7MN；而第三道支撐在開挖最后一個階段拉力達到最大值，為13MN，在開挖第四層土時壓力達到最大值，為6.51MN；第四道支撐全部受壓，最大壓力為4.73MN。從各道支撐軸力的最大和最小值統計結果中可以看出，采用本施工方案會引起較大的支撐拉應力。

表6 不同開挖階段支撐軸力的最大值和最小值（單位：MN）Tab.6 Maximum and minimum values of support axial forces in different excavation stages（unit：MN）

5 結語

本文對南昌市軌道交通交叉樞紐青山路口站砂性土中異形基坑群的分期施工過程進行了數值模擬，研究其支護結構受力變形特性。可以得到以下結論：

1.通過對先期施工完成的一期基坑進行數值模擬反分析，其變形特性與實測數據吻合較好，故本次數值模擬的參數取值對于該區域基坑變形模擬準確可靠，可用于模擬后續基坑施工；

2.基于數值模擬結果，可得二期基坑在開挖結束后坑外地表沉降和墻體水平位移的分布特性：基坑外地表在距離0.25 倍開挖深度的地方達到最大沉降，最大沉降量約為開挖深度的0.1%；地連墻的水平位移最大值為27.8mm，約為開挖深度的0.1%。故該支護結構體系能保證基坑安全并產生較小的環境影響；

3.基于二期基坑四道支撐的內軸力模擬結果，支撐所受最大拉力約13MN，最大壓力約10MN，故采用本施工方案會引起較大的支撐拉應力；

本文分析方法對今后該地區形狀不規則的含異形支撐的基坑群施工模擬有借鑒意義。