沿海城市地下異形建筑基坑工程挖掘方案

馬樂強 MA Le-qiang

（華南理工大學，廣州 510640）

0 引言

“多維空間，大規模，復雜結構”的城市地下空間建設已成為不可避免的發展趨勢。新的施工理念對基坑工程的建設提出了更高的要求，特別是高標準特殊形狀的地下建筑工程，因此提出經濟合理的基坑支護結構與開挖方案具有重要的現實意義。

1 項目概述

該項目包括軌道交通工程，市政工程和地下公共空間工程，項目周圍環境復雜，各類建筑、市政道路、來往行人車輛分布在基坑周圍（如圖1 所示）。因此，該項目對基坑工程的穩定性要求較高。

該項目基坑工程主要包括三層地下結構。第一層是地鐵車站大廳和公共空間，地下包含夾層結構，為地鐵過境站通過高速公路隧道的平臺。第二層是地鐵傳輸大廳和設備室，它通過另一條高速公路隧道。第三層地下是另一個地鐵站的平臺樓。在基坑建設過程中，地質環境變化很大，基坑周圍環境復雜，交通流量大。因此，確保基坑的施工安全，減少施工對周圍建筑物的影響，保持道路交通的連續流動是該地下異形建筑基坑工程施工的難題。

地下異形建筑工程為三層多跨框架結構，地下一層底板深度為14m，地下二次底板深度為21m，地下三層底板最大深度為33m，基坑平面直徑為200m。

2 有限元模擬分析

2.1 模型建立

本文采用Midas/GTS 軟件進行數值模擬，并通過空間應變建立模型。幾何模型是根據工程地質數據建立的，包括中心區、北區和南區。根據支撐設計建立了中心區基礎模型，挖掘分為6 層，深度分別為9m，5m，6m，4m，5m 和4m。基坑北區和南區深14m，分兩層挖掘，挖掘深度分別為4.5m 和8.5m。由于基坑結構的影響范圍約為基坑平面尺寸的2-3 倍，因此模型尺寸為400m×400m×100m。

該模型考慮了結構的自重，荷載方向垂直向下。模型中的邊界條件是自動約束的；也就是說，正常水平位移被約束在模型周圍，三個方向（x，y，z）的位移被約束在模型的底部，并且地球表面是自由表面。同時，垂直扭轉約束設置在柱樁的底部。假設土壤荷載均勻分布，周圍主干道上覆荷載設計為15kN/m2，周圍建筑荷載按每層18kN/m2計算。

改進的莫爾-庫侖模型被用于土壤層的本構關系。應力-應變的切線模量Et為：

其中Et是切線模量，E0是初始彈性模量，Rf是失效率，其值在0.75 和1.00 之間，c 是內聚力，φ 是內摩擦角。σ1，σ2和σ3是土壤的應力。

2.2 支撐結構模型

在該模型中，將樁以等剛度的方式轉變為地下隔膜壁，并使用厚度為965mm 的線性彈性模型板單元進行模擬。轉換后的公式如公式（2）和（3）所示：

其中D 是樁的直徑，t 是樁的間距，h 是改造后的地下隔膜壁的厚度。

沿深度方向在基坑中心區設置了六個支撐結構。第一至第四支撐結構是鋼筋混凝土支撐，第五和第六支撐結構是鋼板支撐。沿基坑北部和南部地區的深度方向設置了兩個混凝土支撐結構，并在支撐結構的末端設置了頂梁或封閉梁。通過線性彈性梁單元模擬每層、柱樁、頂梁的支撐。支撐結構的模型網格如圖2 所示。

圖2 基坑支護結構的模型網格

建立模型后，土壤層采用10 節點和四面體單元，梁采用3 節點線單元，網格劃分過程中采用12 節點界面單元進行土壤與結構的相互作用。模型元素總數為360437 個，節點總數為263819 個。模型的解決方案類型是施工階段。該模型如圖3 所示。

圖3 基坑三維有限元模型

在基坑施工過程中，地質環境變化很大，周圍環境復雜，交通流量大。異形建筑基坑工程應采用分割挖掘的施工方法。為了研究不同挖掘程序下各區之間的相互作用，從逐步挖掘和同步挖掘兩個方面模擬了不同的基坑挖掘施工組織，并討論了基坑挖掘的變形特征。

3 數值模擬結果

3.1 逐步分割開挖的變形特征

3.1.1 模型工作條件設計

模擬了逐步分區挖掘方法的三種工作條件。①首先開挖中心區，然后同時挖掘南區和北區，記錄為條件1。②同時開挖基坑南區和北區，然后開挖中心區，記錄為條件2。③首先開挖基坑的北區，然后開挖基坑中心區，最后開挖基坑南區，記錄為條件3。

3.1.2 基坑周圍地面的變形特征

為了研究基坑周圍地面的變形特征，根據上述工作條件進行了建模和計算，并在基坑的八個方向上選擇了測量點；它從北緯順時針依次命名為P1-P8。分析固定樁50m以內的表面變形情況。

3.1.3 支撐結構的變形

根據挖掘步驟完成模型的數值計算后，比較了三種工作條件下支撐結構的變形情況，可以看出支撐結構的變形差異明顯。差異主要反映在中部和南部-北部地區的共用樁上。在條件1 下，南北排的共用固定樁均變形至中心區內側；在條件2 下，由南北排構成的部分共用固定樁變形到中心區外；在條件3 下，北排共用固定樁的一部分變形到中心區外，南排共用固定樁的一部分變形到中心區內部。

①外固定結構的變形。進一步分析了逐步分割挖掘方法工作條件下各區樁的變形情況。各工作條件下外固定樁的變形規律基本一致，樁軸呈“腰鼓形”；除測量點P1 外，所有固定樁的變形集中在7-11mm 范圍內。上述分析表明，外固定結構的變形規律受基礎不同區域挖掘順序的影響較小，外固定結構的變形相對均勻。

②坑區坑內結構變形的保持。選擇三個固定樁參考點以及與基坑北側相等的距離，其表示K1（西側凹角），K2和K3（東側凹角）。選擇固定樁的兩個參考點以及基坑南側的相等距離，其表示K4（西側凹角）和K5（短側中點）。

顯示：

1）K1，K3 和K4 測量點在不同開挖步驟下樁軸的變形幾乎沒有差異。樁頂部的最大變形集中在4-5mm 范圍內，隨著開挖深度的增加，變形逐漸減小。

2）相比之下，發現在條件2 下固定樁的變形很小。這是因為挖掘坑區坑時，挖掘出北部和南部地區的土壤。由于土壤的卸載效應，坑區坑內上層土壤的荷載效應減弱，變形較小。基坑的開挖順序對坑區坑內樁的變形有一定影響。

③共享保持結構的變形。異形建筑基坑的共享固定結構是指用于分隔中部地區和南北地區的固定樁。在這個工程中有三排共用的固定樁。北排位于bowknot 區的北側（長度為26m），南1 排位于bowknot 區的西南側（長度為26m），南2 排位于bowknot 區的東南側（長度為39m）。沿北行選擇了三個參考點，分別表示ZN1（1/4 側），ZN2（中點）和ZN3（3/4 側）。沿南1 行和南2 行選擇5 個參考點，分別表示ZS1（1/3 南1 行），ZS2（2/3 南1 行），ZS3（1/4 南2行）），ZS4（南2 行中點）和ZS5（3/4 南2 行）。

顯示：

1）在bowknot 地區的挖掘過程中，共用固定樁軸的變形大約是“腰鼓形”。變形主要集中在地下10m 處，10m 以下樁軸的變形逐漸減小。中心固定樁的變形大于兩側固定樁的變形。

2）當坑區坑挖掘時，南2 排固堆（長堆）底部的變形繼續增大，最大變形位置隨著挖掘逐漸向下移動。

3）當在北部和南部地區建造基坑時，由于樁后面土壤的卸載作用，短樁的變形從原始的“腰鼓形”變為近似的“垂直形”。樁干主要受基坑內支撐的軸向力的影響。

4）樁的變形主要發生在南北地區的挖掘階段。

3.2 同步分割挖掘的變形特征

3.2.1 模型工作條件的設計

中心區和基坑南北區的同步分割挖掘分為兩種情況：同一層同步挖掘和分層同步挖掘。

3.2.2 基坑周圍地面的變形特征

建模和計算是根據上述工作條件進行的。在計算了基坑模型之后，在與先前工作條件相同的位置選擇了參考點，稱為M1-M8。在條件4 和條件5 下，由于采用了對稱分割挖掘方法，基坑周圍地面變形的變形特征基本相同。

3.2.3 保持結構的變形

當根據工作條件4 和5 的挖掘步驟完成計算時，分析保持結構的變形。

①外固定結構的變形。

分析了同步分割挖掘過程中保持結構的變形。

變形曲線表明，在不同地區同步開挖條件下，周圍樁的變形不受開挖過程的影響，變形相對均勻。

②坑區坑內固定結構的變形。

選擇了五個參考點，它們與逐步分區挖掘的位置相同，分別稱為M1'，M2'，M3'，M4'和M5'。顯示坑區坑內樁的變形與階梯開挖的最終變形一致，表明基坑的同步開挖順序對坑內樁的變形影響不大。

③共享保持結構的變形。

選擇了八個參考點，其位置與逐步分區挖掘的位置相同。分析了不同開挖階段各保持樁的變形情況。

顯示在工作條件4 下：

1）當第一層開挖完成時，在第一支撐和第二支撐的約束下，頂置樁的變形較小，樁軸的最大變形位于地下約10m 處；也就是說，在北部-南部地區的第二個支撐物（-4 m）與北部-南部地區的底部（-14m）之間。

2）當異形建筑基坑挖掘到中心區的第一層時，由于樁后面的基坑土壤的卸載效應，其近似線性形狀，顯示了保持樁的回彈變形。樁頂沒有明顯的變形，這是由于開挖前豎立的混凝土支撐阻礙了樁的回彈。

3）當異形建筑基坑挖掘到中心區的第三層時，每個固定樁的變形進一步增加，樁的變形在10-20mm 范圍內最為明顯；在坑區坑的挖掘中，只有ZS4 和ZS5 保持樁（長樁）繼續向下變形。

顯示在條件5 下：

1）在bowknot 地區挖掘基坑時，共用樁僅進行單側土方卸載，各區樁的變形趨勢相對較近，表明各區樁的應力區域是一致的。

2）在挖掘的早期階段，由于樁后土壤的卸載效應，當同時挖掘基坑的南部和北部區域時，保留樁的整體變形減小。隨著開挖步驟的推進，保持結構的變形繼續增加，表現為短樁整體變形較大，長樁明顯變形僅發生在樁上部。

3）當基坑開挖完成時，長樁的變形呈拋物線狀，短樁仍有一定的鼓形；也就是說，樁的變形沒有完全恢復，樁的整體變形較大，ZS5 的頂部變形大于ZS3 和ZS4 的頂部變形，這與角支撐的剛度有關。這表明當在不同地區進行分層同步挖掘時，內力變化很大并且易于發生突變。

3.3 分區挖掘方法的比較

從以上分析可以看出：

①在基坑的逐步挖掘中，不同工作條件下基坑周圍地面的變形的特征在于基坑底部土壤的橫向位移和隆起。在工作條件1 和2 下對稱開挖的表面沉降很小。共用固定樁的最終變形向挖掘區域傾斜。當樁兩側的土壤卸載時，保持樁的變形為“線形”。

②采用同步分割開挖時，各工作條件下坑周圍地面變形，外固樁變形，坑區坑內變形與逐步變形相一致挖掘。共用樁的變形差異明顯。共用保持堆的變形很小，并且當同步挖掘同一層時變形是一致的。樁的變形復雜，在分層同步開挖下容易發生突變的內力分布不均勻。

③當基坑逐步挖掘時，應優先采用對稱挖掘方法，先挖掘較小的區域；在充分考慮工程經濟性和施工組織可行性的情況下，同一層同步開挖的施工方法更有利于控制基坑的整體變形。

綜上所述，本文所采用的異形建筑基坑工程采用條件1 逐步分割挖掘的施工方法。

4 結束語

基于中國某沿海城市異形建筑的基坑工程，分析了各種分區挖掘方法的特點和逐步同步挖掘。通過數值模擬和現場監測分析了異形建筑基坑周圍的表面變形和支護結構的變形情況，揭示了圓形基坑的開挖變形特征。主要結論如下：

①異形建筑基坑逐步挖掘時，應優先采用對稱挖掘方法，先挖掘較小的區域；在基坑分割同步挖掘中，在充分考慮工程經濟性和施工組織可行性的前提下，同一層同步挖掘的施工方法更有利于控制基坑的整體變形。

②在不同的開挖過程中，基坑周圍的橫向位移，地表變形，底部土壤隆起，周邊固定樁變形特征是一致的。由該過程引起的變形差異主要反映在共用保持樁的變形中，并且樁的最終變形向基坑的挖掘區域傾斜。當樁的兩側卸載時，保持樁的變形以線性形狀反彈。

③在基坑挖掘期間，每層支撐的軸向力隨著挖掘逐漸增加。支撐的軸向力在早期迅速增加并且在后期減慢。在相同的約束條件下，底部支撐的軸向力大于上部支撐的軸向力。

④通過對監測數據和數值模擬結果的分析，發現圓形保持結構的變形較小且相對均勻，表明圓形結構的“拱頂效應”對基礎變形有一定的限制。

⑤圓形基坑具有特殊的空間應力特征；它可以充分發揮軸向載荷作用下的強壓縮性能。具有剛度大、壁變形小、異形建筑基坑機械化操作方便等優點。由于每個異形建筑基坑工程周圍的交通環境和地質環境不同，因此需要根據具體情況進行具體分析。