明挖隧道深基坑變形影響因素研究

摘要：通過有限元分析軟件對基坑進行模擬，以數值分析的方式研究了圍護樁參數與基坑變形的關系、基坑開挖寬度的影響，為基坑設計施工提供理論支持。結果表明，樁徑、樁間距以及嵌固深度對基坑變形所起到影響存在“邊際效應”，嵌固深度在10m以上時所起到的作用較小。具體設計施工時，應結合現場條件綜合對比之下進行確定最為合理的參數，可通過降低樁體剛度或嵌固深度方式對窄基坑進行優化。

關鍵詞：明挖隧道;深基坑變形;數值模擬;開挖寬度

0" "引言

隨著不斷推進的城市化進程，地下空間深基坑項目也在不斷增加。但當前深基坑項目周圍常有密集的建筑物等分布，則存在較大的施工難度和施工風險，因此應重視深基坑項目施工時的變形規律，以最大限度確保施工安全。李博[1]通過有限元分析的方式探討了基坑變形與支護結構的聯系，李淑[2]等人研究了國內30多個深基坑項目，分析了基坑墻體在支護形式不同時的側移模式。雖然當前已經有較多關于基坑變形的研究，但隨著城市空間的不斷縮小，人們對于基坑變形的要求逐漸提高，對其變形規律做出進一步的分析，有助于為施工設計提供更為全面的借鑒與參考。

1" "有限元模型

本文以某18.5m埋深的明挖隧道基坑為背景進行研究。基坑上部土體有1：1的坡度，下部支護結構為“鉆孔灌注樁加鋼支撐”。將1m長度、直徑為12mm的土釘按照2.5m的間距以梅花形布置的方式，打入基坑上部的放坡體中。以長度24m、直徑1000mm按照1.35m的間距布置鉆孔樁。使用Q235鋼管以3m的水平間距設置三道支撐。在斜坡和樁基間使用C25混凝土進行網噴防護。

以實體單元模擬土體，以Liner和Beam單元模擬隧道支護結構，以線彈性本構的方式進行定義[3]。所建模型的尺寸為70m×21m×55m，考慮到荷載的作用，以與坑邊距離為2m的10m寬度的15kPa作為地面堆載，以10kPa作為平臺堆載，如圖1所示。以法向約束對模型側面進行約束，以固定約束對模型底部進行約束，頂部允許自由變形。

2" "圍護樁設計參數

明挖隧道基坑項目中未開挖側土壓力，主要依賴于鉆孔灌注樁進行承受。對于樁體的剛度而言，樁徑、間距均有較大影響。圍護樁中的下滑推力主要通過周邊土體及嵌固地層的抗力分擔，以此保持基坑穩定[4]。

2.1" "樁徑與樁間距

2.1.1" "樁徑

樁體在不同樁徑下的水平位移曲線如圖2所示。由圖2可知，樁體在樁徑不同時的變形均為弓形，且均在同一位置出現位移最大值。樁頂的水平位移僅在0.6m樁徑時超出基坑，且在-0.9m位置，即支撐位置出現拐點。分析原因在于，較小的樁徑下樁體有較大的柔性。此時基坑支撐發揮主要作用，在支撐軸力的影響下圍護樁出現一定形變。

圍護樁的剛度隨著不斷增加的樁徑而有所提高。此時基坑圍護樁是支護結構中的主要受力結構，頂部出現不斷增大的位移，而位移的最大值則不斷降低。樁體的最大位移在樁徑從0.6上升到1.1m時，約有41.5%的降低幅度，但水平位移最大值隨著不斷增大的樁徑，呈現越來越小的降低幅度。

基底的隆起值在0.6m樁徑上升到0.9m時約降低了0.9mm，且基底隆起值隨著不斷增加的樁徑基本不發生變化。樁徑變化對樁體基底以下位移的影響較小，支護樁不會因為不斷降低的樁徑而出現更大的土體擠推作用。綜上可知，樁徑的改變對基坑隆起影響較小。

進一步分析樁徑對地表沉降的影響，可得如圖3所示結果。地表沉降曲線在不同的樁徑下變化情況趨于一致，且約在與坑邊6m位置出現地表沉降最大值。地表最大沉降在0.6m樁徑上升到1.1m時約有41%的降幅。分析原因在于，隨著不斷增加的樁徑，圍護結構剛度也在不斷增加，有效抑制了土體朝坑內的水平位移，從而對坑外土體沉降起到約束作用[5]。且在地表沉降中，隨著樁徑的不斷增加其所能產生的作用在不斷減小。

對圍護樁在不同樁徑下的彎矩變化進行分析可知，圍護樁的正彎矩最大值在0.6m的樁徑上升到1.1m時，約減小了178kN/m，最大負彎矩約增加了471kN/m 。綜上可知，圍護樁的正負彎矩隨著不斷增加的樁徑，表現出不同的變化情況，而圍護樁的最大彎矩受配筋影響最大。因此只有在圍護樁和支撐結構的剛度比例適當，圍護樁有較為接近的正負彎矩時，才能形成更為合理的受力。

2.1.2" "樁間距

樁間距不同時的樁體水平位移如圖4所示。由圖4可知，圍護樁水平位移最大值在1.2m樁間距上升到2.2m時，約有13%的增長幅度。同樣，地表最大沉降值約有11%的增長幅度，其與樁徑降低時的結果基本一致。圍護樁剛度隨著不斷增加的樁間距而有所降低，導致基坑變形有所上升。對比可知，樁徑變化對基坑變形造成的影響更大。原因主要在于，兩種影響因素對圍護樁剛度所起的影響程度有所區別，樁徑呈現出四次冪的影響程度，而樁間距僅為反比關系。

隨著不斷增加的樁間距樁體的彎矩也在不斷上升，原因在于，圍護樁需要承受的土壓力在逐漸增加的樁間距影響下不斷增加，使得樁體內力不斷上升[6]。樁體正彎矩最大值在1.2m樁間距上升到2.2m時，約有11%的增長幅度。同樣，負彎矩約有42%的增長幅度。由此可知，樁間距對圍護樁的內力有較大的影響，在設計支護結構時應予以重視。

綜上分析可知，圍護樁的剛度，隨著樁徑的不斷增加以及樁間距的不斷減小而有所增大，有效抑制了樁體水平位移和地表沉降。但在樁體剛度上升到某限值時，抑制作用有所減弱，即出現“邊際效應”。

樁徑過大會使得成樁施工時的缺陷過大，而樁間距較小時則容易有斷樁情況出現，并且樁間土自承性能也會被限制，導致工程造價有所提高。因此，在設計基坑支護時，樁徑以及樁間距的確定，應基于圍護樁強度以及樁間土穩定性進行考慮，不可盲目增大活減小。

2.2" "嵌固深度

圍護樁水平位移與嵌固深度的關系如圖5所示。由圖5可知，樁體基底以下的水平位移，隨著不斷增加的嵌固深度逐漸降低。樁頂水平位移在4m嵌固深度上升到14m時，約降低了0.7mm，樁體的水平位移最大值約降低了1.4mm，樁底水平位移約降低了2.7mm。

由此可見，樁底位移在較小的嵌固深度下較大。樁底水平位移可通過適當增加嵌固深度進行有效抑制，原因在于基底以下土體在增加嵌固深度時，可以為圍護樁提供足夠的被動土壓力。部分基坑項目產生事故的原因，在于支護結構因缺乏足夠的嵌固深度而出現傾斜。針對于基坑項目處于軟土地區，在設計基坑項目的支護結構時，必須確保嵌固深度充足，以保障圍護樁足夠的穩定。

進一步分析地表沉降與基坑隆起和嵌固深度間的關系可知，地表沉降和基底隆起在嵌固深度不同時變化趨勢類似，嵌固深度增加時兩者的變形有較大降低，但在12m以上的嵌固深度下抑制變形的幅度較小。

樁體基底以下部分在6m以上嵌固深度時有正彎矩出現，且隨著不斷增加的嵌固深度，彎矩值在不斷增加，但均在250kN/m以下。且正負彎矩的最大值有所降低。正負彎矩的最大值，在4m嵌固深度上升到14m時均有所減小。由此可知，圍護樁的受力隨著不斷增加的嵌固深度而有所改善[7]。在10m以上的嵌固深度下，改善效果較小。由此可知，該項目圍護樁應采用10m以下的嵌固深度。

綜上分析可知，基坑變形可通過提高圍護樁嵌固深度的方式進行抑制，尤其是抑制樁底位移的效果最佳，并可使圍護樁受力更為合理，使支護結構穩定性得到有效提高。但嵌固深度大于某數值時，抑制基坑變形的效果逐漸減弱，且會使成本增加，即同樣存在“邊際效應”。

3" "基坑開挖寬度對基坑變形的影響分析

以14m作為基坑樁撐的支護深度，選定四種不同的寬度進行模擬。圍護樁不同部位位移統計如表1所示。

由表1可知，圍護樁的變形在不同開挖寬度下表現出兩邊小而中間大的趨勢。圍護樁各個部位的位移，隨著不斷增加的基坑寬度表現出不斷增加趨勢。最大水平位移在7m的基坑寬度上升到42m時，約有134%的增長率，但水平位移最大值所在點未改變，均處于樁頂下11.4m位置。在28m以下基坑寬度時，樁底和樁體最大位移的比值均隨著不斷增長基坑寬度而表現出不斷增加的趨勢，且相比之下，樁底位移有較為顯著的增長。

若圍護結構嵌入較差土質，則容易導致圍護結構出現“踢腳”現象。故在設計基坑時，若基坑的寬度過大，則應將圍護結構剛度以及嵌固深度適當提升，以保證其穩定性。同時，可通過適當降低窄基坑的相應參數來降低成本。

地表沉降隨基坑寬度變化曲線如圖6所示。由圖6可知，地表最大沉降速率在13.4m的基坑開挖寬度上升到28m時最大，沉降值隨著不斷增大的基坑寬度而不斷增加，但其位置基本保持不變，均在坑邊約5.5m位置。當基坑在42m寬度下時，與坑邊有37m距離的地表約有1.95mm的沉降值，說明基坑深度2倍范圍內是坑外土地沉降影響區域。

同理，對比基坑隆起值可知。基坑的最大隆起值在各種基坑寬度下均出現在圍護樁周圍。且基坑隆起最大值在42m基坑寬度下約有53.6%的增長率。分析原因在于，樁體出現較大朝向坑內的位移，導致基底遭到較強擠壓，引起土體出現過大隆起量。

圍護樁最大彎矩值如表2所示。分析圍護樁彎矩可知，圍護樁彎矩在僅改變基坑寬度而不改變支撐位置時，有基本一致的變形曲線。圍護樁第一道支撐在增加基坑寬度時，表現出正彎矩也隨之上升規律，而第二、三道支撐則表現出隨之減小的規律，各支撐間負彎矩均有所增加。

4" "結語

樁體水平位移以及地表沉降變形可通過增大圍護樁樁徑的方式進行抑制，但隨著不斷增加的樁徑抑制效果逐漸減弱，在兩種影響因素中樁徑的影響程度較大，但樁身彎矩在增加樁間距時也會不斷增加。基坑變形和樁體彎矩可通過增加圍護樁嵌固深度的方式進行抑制，但嵌固深度在10m以上時，抑制效果較弱，且對于窄基坑，可通過降低樁體剛度以及嵌固深度的方式進行優化。具體在設計支護結構時，應對比分析多種參數，基于經濟性的要求選取最為合適的方案。

參考文獻

[1] 李博.基于時空效應的深基坑開挖與支護變形特性研究[D].北京：中國地質大學， 2017.

[2] 李淑，張頂立，房倩.北京地區深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學與工程學報， 2012，31（11）：2344-2353.

[3] 吳云雷.海口某深基坑支護監測及數值模擬[D].北京：中國地質大學， 2018.

[4] 張顯飛.深基坑內支撐支護體系及其數值研究[D].西安：西安建筑科技大學， 2006.

[5] 李海龍，吳家嵐，王志詳.明挖隧道深基坑變形監測技術及分析[J].路基工程， 2010（5）：137-139.

[6] 李肖.明挖隧道深基坑變形監測及數值計算分析[J].產業科技創新， 2020（32）：34-36.

[7] 呂高樂，易領兵，杜明芳，等.軟土地區雙側深基坑施工對鄰近地鐵車站及盾構隧道變形影響的分析[J].地質力學學報， 2018，"24（5）：682-691.