狹長深基坑開挖引起的地表沉降變形及影響因素分析

趙 平，程雪芬

(1.銅陵學院 建筑工程學院，安徽 銅陵 244000；2.南京財經大學 工商管理學院，南京 210023)

0 引言

在現代城市建設中不可避免地要開挖狹長深基坑，這勢必會對周邊建(構)筑物產生不利影響[1]，較為常見的是引起基坑周圍地表沉降，并將威脅周邊環境安全[2]。深入研究深基坑開挖對周圍土體變形的影響，對于基坑工程防災減災及促進新技術的應用與發展具有重要意義[3]。為此，許多學者對深基坑開挖引起地表沉降的規律及相關問題展開深入研究并取得了豐富成果。現有的基坑開挖引起地表沉降變形分析方法主要有三種，即模型試驗、施工現場監測和數值模擬。模型試驗方面：賈曾潘等[4]綜合采用模型試驗和數值模擬方法對土體沉降與支護體系變形特性進行分析，結果表明最大地表沉降與地連墻最大水平位移的比值為1.0～1.6；陳仁朋等[5]開展了軟黏土地層基坑開挖對旁側隧道影響離心模型試驗研究，因既有隧道的約束作用，圍護墻外側地表沉降主要位于Peck(1969年)預測的地表沉降Ⅱ區；馮志等[6]研究結果表明減少內支撐數量及圍護結構剛度會導致地表沉降的最大值有一定程度的增長。施工現場監測方面：何云猋等[7]以呼和浩特市城市軌道交通二號線學府康都站工程為背景，通過現場監測結果，對地鐵基坑開挖過程中的地表沉降、建筑物沉降和管線沉降等進行了系統分析；奚家米等[8]從安全性和經濟性的角度，通過現場監測和數值模擬對比研究了不同樁徑和內支撐間距對基坑沉降變形的影響。數值模擬方面：陶勇等[9]采用數值模擬方法對南京江北新區相鄰深淺基坑開挖時序展開了優化研究，結果表明在減小坑外地表沉降方面，深淺交替時序作用最大；王錦濤等[10]通過數值模擬方法研究了不同深基坑開挖進程中地表沉降變形規律，結果表明地表土體因基坑開挖引起的最大沉降量約為0.5 mm；傅志峰等[11]通過FLAC3D有限差分軟件模擬分析了隔離樁對深基坑支護結構的變形影響，結果表明隔離樁具有較好的隔振作用，使地表沉降變形減小了28%。龔曉南[12]的研究成果表明基坑工程具有很強的區域性，基坑周圍土體的變形可能對周圍地下管線、建(構)筑物產生不良影響。麻鳳海等[13]認為深基坑開挖引起的環境效應已日益引起人們的重視，其中基坑開挖引起的地表沉降對環境的影響最大，也是研究的重點。由于有限元數值模擬方法具有可以動態模擬基坑開挖與支護施工過程等優點，且現場監測可以對施工過程實施動態控制，因此，通過對量測數據的整理和分析，及時制定相應的施工措施，可以有效確保基坑開挖過程中周邊既有建(構)筑物的安全[14]。綜上所述，雖然目前關于深基坑開挖對周邊環境及基坑本身的影響等方面研究成果頗豐，但以合肥地區狹長深基坑開挖引起周圍地表沉降的規律及其影響因素為對象的研究甚少。本文在上述研究的基礎上，以合肥市某狹長深基坑開挖工程為研究對象，將實測的地表沉降值與采用MIDAS GTS軟件建立的三維數值模擬計算值進行對比分析，驗證計算模型和參數選取的合理性；并在此基礎上深入分析狹長深基坑開挖引起地表沉降變形的影響因素，以期為相關工程提供有益借鑒和參考。

1 工程概況

本文研究對象為合肥市某狹長深基坑開挖工程，基坑周邊交通繁忙、建(構)筑物密集且有大量生活管線。該基坑平面形狀為狹長矩形，基坑長、寬、深分別為80 m，20 m，16 m。基坑的支護結構由地連墻、4道內支撐、1道冠梁及3道腰梁組成。其中第一道內支撐為鋼筋混凝土正方形截面支撐，截面尺寸為600 mm×600 mm，其余3道內支撐均為圓管型鋼支撐，截面尺寸為D=609 mm，t=16 mm。4道內支撐具體位置分別在地表以下1 m，5 m，9 m和13 m處，內支撐水平間距均為5 m。冠梁與腰梁均為正方形截面的鋼筋混凝土梁，截面尺寸為800 mm×800 mm，分布位置與內支撐豎向位置保持一致。地連墻為鋼筋混凝土墻，高度為26 m，其中嵌入土體深度為10 m，厚度為600 mm。

基坑分4次開挖，開挖深度均為4 m。根據巖土工程詳細勘察報告，簡化后的土層為4層，從上到下依次為：①雜填土(厚度4 m)；②黏土(厚度10 m)；③粉質黏土(厚度16 m)；④中等風化泥質砂巖(厚度30 m)。土體具體力學參數如表1所示。

表1 計算模型力學參數

2 建模與計算

2.1 基本假定

由于施工過程和現場工程條件比較復雜，為了便于計算和研究，數值模型設計有必要對實際情況進行一定簡化[12]，因此本研究基本假設如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續且均勻分布；③不考慮地下水對圍護結構變形的影響；④地下連續墻和內支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質、各向同性；⑥不考慮地連墻與土體分離情況。

2.2 建立模型

根據劉穎的研究成果[15]，基坑開挖影響范圍在水平方向上為開挖深度的3～5倍，在豎直方向上為開挖深度的2～4倍，在影響范圍之外，基坑開挖引起的周圍地層變形可忽略不計。考慮工程實際情況，本文建立的整體三維模型長(x)、寬(y)、高(z)分別為180 m，100 m，60 m，遠大于預計基坑開挖影響范圍。模型坐標系如圖1所示：X軸正方向指向基坑長邊，Y軸正方向指向基坑短邊，Z軸正方向鉛直向上。模型邊界設置為標準邊界[16]，即法向為X方向的豎向邊界面，在X方向固定，YZ方向自由；法向為Y方向的豎向邊界面，在Y方向固定，XZ方向自由；法向非X也非Y方向的變截面在X和Y方向固定，Z方向自由，模型底部邊界為固定約束，地表為任意方向自由。數值模型采用摩爾庫倫本構關系。模型支護結構的具體材料參數如表1所示。模型中土體為3D實體單元，地下連續墻采用2D板單元，基坑內支撐、冠梁及腰梁均采用1D梁單元。整體三維模型網格劃分情況如圖1所示。網格劃分精度選擇中等粗細程度，并對圍護結構和開挖區附近的網格進行局部加密，這樣既能減少計算時間又能得到較為理想的計算結果[17]。為保證數值計算結果的可靠性和準確性，經過前期大量的敏感性計算分析驗證，最終確定深基坑開挖范圍內網格單元尺寸均為2 m，其余網格單元尺寸為4 m。數值模型共計46 300個單元、37 300個節點。基于該基坑周邊存在交通繁忙、建(構)筑物密集等情況，在距基坑邊緣5 m范圍內施加大小為20 kPa的地表豎向均布荷載，以模擬坑邊的堆載。

圖1 三維有限元模型

2.3 模擬施工

數值模擬中，地連墻施工、土體開挖和內支撐的安裝均按照項目的實際施工順序設置。通過MIDAS GTS軟件中提供的“鈍化功能”模擬基坑開挖的過程，應用“激活功能”實現地連墻及支護結構單元模擬基坑支護的過程[18]。基坑開挖施工工況具體內容如表2所示。結合該狹長基坑開挖變形的特點，選取有代表性的斷面進行研究，限于篇幅，本次研究主要側重位于基坑長邊中部(CJ1斷面)、基坑短邊中部(CJ2斷面)及基坑端部坑角處(CJ3斷面)不同位置土體沉降變形的規律，基坑圍護結構及3個斷面布置情況見圖2。

表2 基坑開挖工況及具體內容

圖2 地表沉降測點布置示意圖

2.4 現場監測方案設計

龔曉南[12]的研究表明，為了確保基坑工程施工的安全，有必要對該工程施工過程進行監測，進而對現場施工進行指導。基于此，依據相關規范和要求，結合施工現場的具體情況，制定了本次研究的監測方案：對基坑開挖過程中周圍地表沉降進行監測，地表沉降采用精密水準儀和銦鋼尺量測。共對基坑周圍3個有代表性的斷面(CJ1斷面、CJ2斷面及CJ3斷面)進行監測，監測點均勻分布在3個監測斷面上(每隔2 m布置1個)，與地連墻距離最小值為0，最大值為32，每個斷面布置16個監測點，3個斷面共計48個監測點。地表沉降自完成圍護結構、基坑開挖起進行監測，數值模擬與現場監測選取的研究對象保持一致。

3 結果分析

3.1 數值模擬與現場監測對比分析

為了驗證本文模擬設計的合理性和結果的可靠性，有必要對實際工程工況下地表沉降進行數值模擬，并同現場監測結果進行對比分析，做出基坑開挖完成時3個斷面(CJ1，CJ2與CJ3)地表沉降數值模擬與監測對比圖。基坑開挖完成時地表沉降數值模擬與現場監測對比結果如圖3所示。從圖3可以看出：①地表土體由基坑開挖引起的沉降變形規律呈開口向上的“拋物線型”，基坑周邊地表沉降值對基坑開挖深度敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，地表最大沉降值出現在離墻后約8 m的位置，地表沉降的主要影響范圍為0.5He～1.5He(He為基坑深度)；②通過數值模擬得到的最大地表沉降約為27.3 mm，而監測結果顯示最大地表沉降約為29 mm，相比之下有一定誤差，但在允許范圍之內；③數值模擬與現場監測情況下地表沉降變化規律較為接近，且最大沉降出現的位置均為距離地連墻約8 m的位置。這表明所建模型能夠很好地反映坑外地表土體實際沉降變形情況，可以為深基坑工程的設計提供可靠的依據，同時表明數值模擬技術在該地區狹長深基坑開挖工程中的應用是可行的，在此基礎上可以開展進一步研究。此外，由圖3還可以看出，實測數據略大于數值模擬計算結果，這主要是由于數值模擬設置了一些假定條件，而實際基坑開挖施工則不可避免地會受到周邊其他因素如坑邊堆載、降雨影響以及測量誤差等影響，這些因素是導致兩者之間差異的主要原因。此結論與童建軍等[19]在成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降規律研究中得出的結論相一致。因此，為避免狹長基坑開挖引起的基坑長邊附近地表沉降所造成的不利影響，應注意并加強狹長深基坑長邊中部區域地下管線的保護及地表重要建(構)筑物的沉降監測工作。

圖3 基坑開挖完時地表沉降 數值模擬與現場監測對比圖

3.2 地表沉降變形影響因素分析

基坑周圍地表的最終沉降變形與基坑開挖過程中的許多因素有關，楊倫和喬瑞龍[20-21]的研究成果顯示，基坑開挖時影響地表沉降的因素主要有以下三類：自然因素、設計因素及施工因素。采用地連墻+內支撐支護的狹長深基坑受力主體為地連墻和內支撐，限于篇幅，也為了突出重點，這里僅討論設計因素中的地連墻及內支撐相關參數的改變對基坑周圍地表沉降的影響。根據李福林[22]在軟土地區狹長深基坑開挖引起深層土體變形研究中得出的基坑空間影響效應相關結論，基坑長邊測點豎向位移最大、短邊測點次之、坑角最小，本次研究對象選取有代表性的基坑長邊中部CJ1斷面。具體位置參見圖2，參數變化具體情況見表3。

表3 設計參數改變方案 m

3.2.1 地連墻相關參數改變對地表沉降變形的影響

為研究地連墻相關參數改變對地表沉降變形的影響，分別單獨設計地連墻厚度和嵌入深度相關參數，其他參數保持不變，參數改變設計方案具體見表3。對應地連墻厚度和嵌入深度不同參數分別建立三維數值模型，通過數值模擬結果研究參數改變對地表沉降的影響，具體結果見圖4和圖5。由圖4可以看出，當地連墻厚度分別為0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m時，相對應的地表沉降最大值分別為32.2 mm，27.3 mm，25.1 mm，23.4 mm，22.3 mm。由圖5可以看出，當地連墻嵌入深度分別為6 m，8 m，10 m，12m，14 m時，相對應的地表沉降最大值分別為33.2 mm，30.1 mm，27.3 mm，24.4 mm，23.3 mm。由此可見，適當增加地連墻厚度及嵌入深度，可以有效抑制深基坑開挖引起的地表沉降，這是因為隨著地連墻厚度及嵌入深度的增加，圍護結構的側向剛度及抵抗變形的能力會逐漸增強，進而對地表土體的沉降起到限制作用。

圖4 地連墻厚度對地表沉降的影響

圖5 地連墻嵌入深度對地表沉降的影響

綜上所述，雖然適當增加地連墻的厚度和地連墻的嵌入深度，可以有效抑制基坑周圍土體沉降，但數值模擬結果同時表明，當二者數值增加到一定程度時，其抑制基坑變形的效果會變得十分有限。此外，盲目加大地連墻厚度和嵌入深度還會大大增加基坑開挖支護成本。

3.2.2 內支撐相關參數改變對地表沉降變形的影響

為研究內支撐相關參數改變對地表沉降變形的影響，分別單獨改變內支撐豎向間距和水平間距，其他參數保持不變，參數改變設計方案具體見表3。對應豎向間距和水平間距不同參數分別建立三維數值模型，通過數值模擬結果研究參數改變對地表沉降的影響，具體結果見圖6和圖7。

圖6 內支撐豎向間距對地表沉降的影響

圖7 內支撐水平間距對地表沉降的影響

由圖6可以看出，當內支撐豎向間距分別為2 m，3 m，4 m，5 m，6 m時，相對應的地表沉降最大值分別為24.3 mm，25.1 mm，27.3 mm，31.3 mm，34.0 mm。由圖7可以看出，當內支撐水平間距分別為3 m，4 m，5 m，6 m，7 m時，相對應的地表沉降最大值分別為23.0 mm，24.2 mm，27.3 mm，32.5 mm，34.5 mm。不難看出，適當減小內支撐豎向間距和水平間距，可以有效抑制深基坑開挖引起的地表沉降，這是因為隨著內支撐豎向間距和水平間距的減小，支護體系整體剛度和抗變形能力會逐漸增強，進而對地表土體的沉降起到限制作用。但數值模擬結果同時表明，當二者數值增加到一定程度時，其抑制基坑變形的效果會變得十分有限。此外，盲目減小內支撐豎向間距和水平間距也會大大增加基坑開挖支護成本。

4 結論

通過MIDAS GTS有限元軟件建立三維有限元模型，用以分析合肥地區某狹長深基坑開挖過程引起周圍地表土體沉降變形的規律，并將數值模擬結果與現場監測數據進行對比，在此基礎上分析了狹長深基坑開挖引起地表沉降變形的相關影響因素，主要結論如下。

(1)通過數值模擬結果與現場實測結果的對比分析，得出數值模擬結果與實際監測結果吻合較好，驗證了本研究所建立數值模型的可行性及模型參數取值的合理性和可靠性，表明本研究的數值模擬結果對類似深基坑開挖施工具有一定的借鑒意義。

(2)地表土體受基坑開挖影響所引起的沉降變形規律呈開口向上的“拋物線型”，地表沉降值隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，最大沉降值出現在離墻后約8 m的位置，主要影響范圍為0.5He～1.5He。

(3)地表沉降隨地連墻厚度和嵌入深度的增大而減小，隨內支撐水平及豎向間距的減小而減小。但模擬結果表明，不能盲目增加地連墻厚度、嵌入深度，也不能盲目減小內支撐間距，否則都會導致施工成本大大增加，因此在基坑設計和施工時應結合工程實際情況選擇合適的設計參數，在保證安全的前提下提高經濟效益。

(4)切實做好監測工作對基坑工程的設計和施工非常重要，也是實現信息化施工的必要條件。在深基坑開挖過程中應加強對各種預設監測設備的管理及監測點的保護，否則容易造成監測點的破壞以及監測數據的失準。此次施工過程中已發生預設監測設備和部分監測點保護不利的情況，在以后施工監測過程中應避免類似情況發生。