某深基坑開挖對周邊環境影響的數值分析

周 健，楊 艷，唐玉陽，程春英

(1.中楚工程勘察設計咨詢有限公司，武漢 430073；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430014；3.湖北別一閣鋼結構科技開發有限公司，武漢 430070)

在目前“雙碳”目標的大背景下，武漢市作為國家可再生能源建筑應用示范城市，在某商務區規劃了一座江水源能源站滿足區域供冷供熱需求。由于中心城區土地供應緊張，能源站設置于地下且緊鄰長江，此時基坑開挖時的自身穩定及對周邊環境的影響顯得尤為重要。李方成等[1]利用Midas對武漢某深基坑施工過程進行了仿真模擬計算并分析了其對基坑穩定性的影響。孫超等[2]對長春某基坑施工過程進行模擬，并結合現場實際監測數據進行了對比分析，表明計算模型與實際吻合，模擬軟件Midas 具有一定的可靠性。

該工程位于長江Ⅰ級階地，地質構造與水文地質條件較復雜。通過對深基坑開挖的施工過程進行數值模擬，計算各工況下的圍護結構內力及土體變形，結合實際監測數據驗證數值模擬的正確性，分析深基坑施工對周圍環境的影響，為基坑施工的安全提供技術保障，同時也可為漢口濱江地區基坑工程提供參考。

1 工程概況

該項目為地下一層設備用房，主要包括控制室、配電室、設備間、蓄能水槽等。設備機房布置于能源站中部，蓄能水槽布置于建筑南部，控制室、配電室布置于西北部，且位于擬建地下市政環路正上方。由于能源站與擬建環路空間關系密切，為節省投資，業主擬將兩單體工程基坑合二為一。合建后站房基坑平面近似矩形，長約130 m，寬約80 m，周長約420 m，總面積約1.1萬m2。基坑普挖深度10.20 m，局部開挖至12.90～14.80 m，安全等級為一級。

1.1 周邊環境

擬建場地周邊環境較為復雜，分布有已建道路、住宅小區等。其中西側100 m處為已建住宅小區；北側邊界為已施工地下連續墻；南側為沿江大道及防洪墻，道路紅線距離支護結構外邊線距離最大約6.0 m，距離堤防防洪墻最小約60 m，且沿線分布有燃氣、雨水、電力、通信等各類地下管線。

1.2 地質條件

擬建場地位于長江Ⅰ級階地，屬長江沖積平原地貌，地形平坦，地質構造、水文地質條件較復雜。根據該項目巖土工程勘察報告，開挖深度范圍內主要土層為：①雜填土；②粉質黏土夾粉土；③粉細砂夾粉土；④粉細砂。其詳細的物理參數如表1所示。

表1 巖土物理參數表

1.3 基坑支護方案

該工程基坑支護設計方案為：1)北側利用已施工地下連續墻進行支護，地連墻厚1.0 m，深48 m；2)東側、西側、南側采用樁頂放坡+鉆孔灌注樁+一道(局部兩道)鋼筋砼樁，樁長約20 m，樁身混凝土強度等級為C30；3)側壁采用懸掛式止水帷幕(即兩排三軸攪拌樁)防滲止水，基坑內設置管井降水。

2 數值模擬

2.1 基本假定與邊界條件

根據該工程場地工程地質條件和基坑支護設計方案，利用Midas GTS有限元軟件，考慮模型的尺寸效應，建立基坑的三維數值模型模擬基坑開挖過程。為簡化計算、保證運算結果收斂，針對該項目做如下假定：1)假定土體為水平層狀分布，土體為均質體；2)土體本構模型選用修正Mohr-Coulomb模型，鋼筋混凝土及鋼結構為彈性模型；3)土體不考慮排水固結及地下水滲流的影響。

根據相關規范與工程經驗[3-6],深基坑數值模型的計算深度取基坑底部以下2～3H，影響寬度取3～5H(H為基坑開挖深度)，模擬計算區域的面積為300 m×200 m。邊界條件為：底面水平和垂直方向均固定，側面水平方向固定，頂面自由。該模型中涉及的土層按照不同材料分為7層，材料參數選取見表1、表2。

表2 土層材料參數表

同時支護樁按等剛度轉換原則折算成相應厚度連續墻。折算規律如式(1)所示。

(1)

式中,D為灌注樁直徑,m；t為樁間空隙距離,m；H為等效后樁墻體系的厚度,m。折算后，φ1 200排樁折算成930 mm厚連續墻,φ1 400排樁折算成1 100 mm厚連續墻。

2.2 開挖模擬工況

首先建立土體網格模型并賦予相應材料屬性，添加約束組和荷載組，然后根據施工順序逐步鈍化土體網格，激活相應支護單元，最后運行分析。此次模擬將基坑施工分六步工況進行：

工況1：初始地應力計算。

工況2：澆筑排樁，嵌入基坑底部土體20 m，同時施工立柱樁。

工況3：樁頂放坡開挖至-3.6 m(假定自然地面為0.000 m)。

工況4：開挖土體至-4.6 m，在-3.60 m澆筑第一道鋼筋混凝土支撐。

工況5：開挖土體至-10.2 m，在-9.20 m處澆筑第二道鋼筋混凝土支撐。

工況6：開挖至坑底-12.9 m，局部開挖至-14.8 m。

3 計算結果與分析

3.1 基坑變形分析

1)排樁變形

南側(基坑長邊)排樁在基坑開挖至-4.6 m后，排樁剛開始發揮支護作用，樁身最大位移為0.75 mm，但樁頂位移接近0 mm；開挖至坑底-12.9 m后，距離樁頂(含冠梁)5.0 m處位移最大，達到最大9.75 mm；東側(基坑短邊)排樁在基坑開挖至-4.6 m后，排樁剛開始發揮支護作用，樁身最大位移為0.77 mm，樁頂位移為-0.3 mm；當開挖至-10.2 m(第二層支撐底)時，樁身最大位移為3.76 mm，樁頂位移為3.38 mm；開挖至坑底-14.8 m時，樁頂位移為6.46 mm，樁身最大位移為8.33 mm，距離樁頂(含冠梁)約6.0 m。圖1、圖2給出了位于基坑長邊南側(即沿江大道側)中部的CX05#及東側中部的CX08#監測點在支護結構部的水平位移。可以看出：(1)基坑南、東側圍護結構水平位移隨著開挖深度的增加,呈現不斷增大的趨勢。在開挖至坑底時達到最大值，位移最大處為距離支護樁(含冠梁)4～6 m處。(2)將數值模擬分析結果與現場監測數據比較,差距最大處為樁頂處3.86 mm，最小處僅為0.02 mm。這是由于軟件中土體采用修正摩爾庫倫模型，計算時考慮了土體的卸荷回彈，此時樁體與土體協調變形，故樁頂偏向基坑外側，水平位移計算值會略小于實測值；隨著土體深度加大，外部土體受基坑開挖卸荷影響越來越小，這時水平位移計算值又較為接近實測值。因此，Midas GTS 軟件在該工程案例應用中具有一定的準確性與可靠性。(3)按照《湖北省基坑工程技術規程》的相關規定：重要性等級為一級的基坑工程支護結構水平變形控制值最大限值為30 mm，該工程實測水平位移最大值為 12.88 mm，滿足規范要求。

2)地下連續墻變形

圖3為基坑北側地連墻各工況的水平位移，基坑開挖至-4.6 m后，第一層支撐還未完全發揮作用，開挖卸荷致使墻體頂部位移約為0.38 mm，墻身整體位移較小；開挖至坑底-10.2 m時，支護結構與第一層支撐開始工作，墻體發生彎曲變形。由于支撐的限制作用，水平位移最大處并非墻頂，而是發生在距離墻頂5.6 m處，約17.5 mm，深度超過32 m后變形逐漸減小。與現場監測結果相比，墻身位移曲線趨勢變化大致相同，但數值略有差別，這是由于現場施工時在地連墻施工時對外側土體利用高壓旋噴樁進行了加固，增大了土體抗剪強度及壓縮模量，因此樁頂位移實測值相對較小。

3)基坑土體隆起與沉降

根據數值模擬結果，基坑開挖至-3.6 m后，坑底隆起變形，最大豎向變形量達10.2 mm，基坑周圍在外荷載及坑內開挖卸荷作用下變形量隆起約3.5 mm；開挖土體至-4.6 m(第一層支撐底)后，坑底隆起量最大約為12.70 mm，基坑周邊豎向位移無明顯變化；開挖土體至-10.2 m(第二層支撐底)時，坑底隆起量最大約為34.1 mm，基坑周圍最大沉降約4.5 mm，最大隆起約0.8 mm，變形量極小；開挖至坑底-12.4 m，坑底隆起量為39.5 mm，基坑周圍位移無明顯變化。可見，隨著基坑開挖深度的加深，坑底隆起變形在逐漸增大，位移量超過20.0 mm的范圍也進一步擴大；基坑周圍沉降變化量雖然也處于增加趨勢，但逐漸趨于穩定。因此可以看出基坑開挖對坑內土體豎向位移影響較大，對基坑四周土體豎向位移影響卻不明顯[7,8]。

由圖4、圖5可知，地表沉降呈現時空分布規律，在時間上隨著基坑工程的進行，地表沉降值逐漸增加，基坑周邊各監測點沉降曲線趨勢基本相同；在空間上，地表沉降主要與距離深基坑邊緣的距離有關，土體沉降值隨著距離的增加逐漸增大，在達到最大值之后，隨著距離的增加而逐漸減小，最終保持穩定。

沉降變形計算值與實際監測數據變化趨勢相同，但實際監測數據要大于計算數值，這主要是由于計算模型未考慮由管井降水引起的土體沉降造成的。

3.2 支護結構內力

1)支護結構內力

基坑周邊支護結構產生的樁(墻)身最大彎矩為888.4 kN/m，剪力為433.90 kN。

2)內支撐內力

隨基坑開挖深度的增加，第一、二層支撐逐漸發揮作用，內支撐及圍檁軸力不斷增大直至穩定。內力計算值見表3。

表3 支護結構內力統計表

3.3 環境影響分析

基坑南側距離沿江大道邊線約6 m，通過模擬計算與現場實際監測數據分析可知，道路邊線最大水平位移為3.9 mm，最大豎向位移為13.1 mm；道路中心處最大水平位移為1.9 mm，最大豎向位移為6.9 mm；堤防防洪墻最大水平位移為0.7 mm，最大沉降小于2.0 mm。道路及防洪墻總沉降量均未超過《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)與《水工擋土墻設計規范》(SL 379—2007)規范中限值，故基坑開挖對道路與各類管線及堤防安全穩定運行均不構成影響；基坑東側、北側均為空曠地帶，且支護結構變形在規范限值范圍以內，西側住宅小區處位移變化量極小。因此，基坑開挖不會影響周邊環境安全。

4 結 論

a.基坑外部土體隆起僅在開挖第1階段到第2階段較為敏感，后期逐漸趨于穩定。開挖至基底時，土體隆起明顯，故開挖結束后應盡快施工結構底板，避免變形加劇。

b.基坑周邊沉降值的變化趨勢與地表沉降較為一致，且與基坑距離呈反比。

c.支護結構水平位移隨著開挖深度的增加而增大，且支護結構變形特點為上端大、下端小，由于樁頂內支撐的作用，樁身最大位移出現在上部1/3樁長處。

d.根據實測數據反演計算，樁底水平位移趨近于零，模擬時樁端可適當限制樁端水平位移。

e.基坑開挖對周邊環境，特別是對沿江大道與堤防安全穩定運行不造成影響。

f.雖然數值分析結果與實測結果略有差別，但兩者變化趨勢基本吻合，因此采用Midas GTS進行基坑開挖支護的全過程數值模擬分析，能夠檢驗基坑支護方式的合理性，也能為實際基坑開挖提供數據支撐。