分期施工基坑開挖變形特征與數值模擬分析

鄧偉 范瑛 趙富財 熊熙熙

［收稿日期］20211115

［基金項目］國家自然科學基金（51974289）

［第一作者］鄧偉（1997-），男，湖北恩施人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為道路與橋梁工程

［通信作者］范瑛（1969-），女，湖北黃岡人，湖北工業大學教授，研究方向為道路與橋梁工程

［文章編號］1003-4684（2023）02-0066-08

［摘要］為研究分期施工過程中二期基坑開挖變形的特性及規律，以武漢市軌道交通11號線東段工程光谷線網控制中心工程為例，通過現場監測和使用Plaxis3D數值模擬相結合的方法，分別對地表沉降、樁頂沉降、樁頂水平位移、樁體水平位移和建筑物沉降進行了數據監測和模擬最后將監測結果和模擬結果對比分析，來研究二期基坑施工過程中基坑變形特性。結果表明：基坑周圍圍護結構變形隨著基坑開挖深度的增大呈現出隆起和沉降兩種不同的變化趨勢，基坑開挖到達最深處時地表沉降和圍護結構的位移達到最大，最后隨著基坑主體結構的完善而趨于穩定；二期基坑施工過程中基坑開挖變形最大處位于一期和二期支護結構公共處，在水平方向由支護結構公共處中心位置向兩端減少，垂直方向由支護結構公共處中心位置到基坑底部變形量從大到小變化，呈現出中間大兩頭小的變化特征。計算分析表明數值模擬結果與現場監測結果變化趨勢一致，計算數據與監測數據差距較小，為基坑工程的合理設計與安全施工提供了科學依據。

［關鍵詞］分期施工； 基坑開挖； 變形監測； 數值模擬

［中圖分類號］TU74? ［文獻標識碼］A

隨著現代城市的發展，基坑的規模也在不斷擴大，基坑的深度和施工難度也在不斷增加。深基坑工程的研究在城市建設中尤為重要。基坑施工過程中惡劣的地理條件和復雜環境會對基坑的安全穩定造成影響[1，2]，不同的施工工藝、不同的功能和不同開挖形狀的基坑也會對基坑的變形造成不同的影響[3-5]。針對在不同環境和支護結構下基坑開挖后基坑的變形已經有許多學者展開了大量的研究。劉暢[6]和李鏡培[7]等分析了不同位置及不同長度的坑底樁基在開挖過程中的受力和變形規律。李濤等[8]通過研究樁間距、樁半徑、距徑比、摩擦系數等因素對樁土相互作用力的影響分析，得到了隨著樁距徑比的增加，樁土相互作用力逐漸減小，而樁間土受力線性增大；樁土相互作用力隨摩擦系數增加而近似線性增大的變形規律。劉念武[9]和樓春暉[10]等深入研究了軟土地區基坑開挖引起圍護結構及鄰近建筑的變形特性。程康[11]等以杭州某 30.2 m 深大基坑工程為研究對象，提出了基于基坑開挖面積與地連墻最大側移之間的經驗關系式。葉帥華[12，13]等的研究表明，在開挖過程中，基坑支護結構、基坑周圍土體和鄰近建筑三者變形相互影響，樁頂水平位移和豎向位移隨著基坑的開挖由小變大逐漸趨于穩定。為了更加全面地研究基坑開挖過程中基坑、圍護結構和鄰近建筑的變形規律，將現場監測與數值模擬[14-19]相結合來分析支護結構的穩定性和基坑的變形特性，提高了基坑在施工過程中的安全性，并為施工提供了一定的指導意義。

上述關于基坑開挖基坑支護體系、地表及鄰近建筑物構筑物變形特性的研究已經取得了大量較全面的研究成果，現有的成果大多集中在三個方面，即理論分析、數值模擬分析和現場監測分析，而關于基坑分期施工且基坑一側支護兩期共用復雜施工環境變形特性的研究較少。鑒于此，本文以武漢市軌道交通11號線東段工程光谷線網控制中心工程為例，通過對監測點的布控和地表豎向位移、樁頂沉降、樁頂水平位移、建筑物沉降的現場監測數據分析和有限元數值模擬，分析在既有一期工程完成的基礎上進行二期基坑開挖過程中復雜環境下深基坑變形的規律及變形特征。

1? ??工程背景

1.1??? 工程概況

本工程位于武漢市光谷火車站附近佳園路與海納路的交叉口 ，為一棟包含辦公、軌道交通指揮中心功能的超高層辦公樓。總用地13 379.55 m2，總建筑面積64 900.24 m2。地下室為2層，地上23層，建筑高度99.45 m。地下室2層為汽車停車庫及設備用房；1～5層為軌道交通控制中心設備及辦公用房；6～23層為辦公用房。本基坑擬分期施工，共分為一期與二期，先施工西側的控制中心大廳一期，待控制中心大廳施工完成后再施工東側的控制中心辦公樓二期，本次研究為二期的控制中心辦公樓。基坑底相對標高-14.55 m～11.25 m，考慮混凝土墊層厚100 mm，基坑開挖深度為9.05～17.55 m。其中西側為裙房結構，已經施工完成并投入使用，且西側靠一期部分支護樁在一期施工過程已經施工完成。總平面圖如圖1所示。

1.2??? 支護結構方案設計

施工場地高差起伏較大，基坑支護體系北側采用鉆孔灌注樁+兩道砼內支撐的永臨結合支護形式，其中北側采用雙排φ1000@1400圍護樁，前后排樁間距為3.00? m，雙排支護樁兼做擋土墻用，后期不拆除，直接用作施工正式圍墻；東側和南側均采用單排φ1000@1400鉆孔灌注樁+一道混凝土內支撐的支護方式；西側因一期和二期支護結構公共采用單排φ1000@1400鉆孔灌注樁+樁間搭接直徑800 mm的高壓旋噴樁+一道混凝土內支撐的支護的支護方式。

1.3??? 工程地質

現場地質情況如表1所示。

1.4??? 基坑開挖施工工況

本工程在基坑開挖前，首先施工基坑支護結構，在整個土方施工過程分為三次土方開挖。

第一次土方開挖：基坑北側自然地面至第一道內支撐-1.30 m處；

第二次土方開挖：第一道內支撐至第二道內支撐-6.35 m處；

第三次土方開挖：第二道內支撐至基坑底標高-10.15 m處。

2??? 監測方案

2.1??? 監測項目

為了確保項目的安全與穩定同時也能獲得更加全面的監測信息來反應基坑的變形特性，在開挖過程中將對以下5項進行現場監測：1）地表沉降；2）樁頂沉降；3）樁頂水平位移；4）樁體水平位移；5）建筑物沉降。

2.2??? 監測點布置

根據監測基準點不應少于3 個的監測原則，為全面反應基坑變形的特性保證在基坑每邊設置一個不同監測指標的監測點，同時也避免監測數據的偶然性影響變形規律的普遍性。一期和二期公共處是施工區監測點，容易破壞，故不設置監測點。本項目選取了部分有代表性的監測點進行監測和數據分析，基坑測點布置圖如圖2所示。

圖 2??? 基坑測點布置圖

3??? 基坑監測數據分析

本文數據選取2020年10月24日至2021年01月02日，第二次土方開挖至基坑底板混凝土澆筑完成時段的監測數據，重點分析二期基坑開挖過程中基坑圍護結構變形及對周圍地表沉降的影響。通過統計各測點的監測數據，統計出變形最大值的監測點變化值。詳細數據如表2所示。

3.1??? 地表沉降分析

10月26日至11月18為第二次開挖；11月20日至12月15日為第三次開挖。基坑開挖的施工過程中，開始施工階段基坑周邊地表沉降點變化速率較大，變形量也逐漸增加。在此過程中地表的的變化不只表現在沉降，還存在隆起現象。通過選取地表沉降點DBC3-1、DBC3-2、DBC3-3，DBC1-1、DBC1-2、DBC1-3對比分析。隨著時間的推移，開挖深度的加大，地層沉降的速率增大，累計沉降逐漸增大，隨著內部結構的施工完成，變形逐漸趨于穩定。截止2021年01月02號累計變形值最大的測點為DBC8-2，累計變形值為-6.58 mm（控制值±30 mm），處于正常狀態。基坑施工階段地表監測點沉降變化如圖3所示。

3.2??? 樁頂沉降分析

截止2021年01月02號累計變形值最大的測點為ZQC9，累計變形值為-6.38? mm（控制值±30 mm），處于正常狀態。基坑施工階段樁頂沉降時程曲線圖如圖4所示。

圖 4??? 樁頂沉降時程曲線圖

從整個曲線變化分析可知，在基坑開挖的施工過程中樁頂整體沉降波動變化趨于穩定。2020年12月05號基坑開挖結束后，由于樁體周圍的土體被挖走，失去土體的約束，樁頂沉降量出現較大波動。由圖明顯看出ZQC9監測點的樁頂沉降一直增大，在監測后期位移減小，這是由于ZQC9測點周圍出現建筑物材料的堆載，致使坑側荷載值超過設計荷載，坑側壓力增大，樁頂豎向位移增大，后期堆載消失樁頂豎向位移保持穩定不再增加。總體變化呈現出先隆起后沉降，到基坑結構完善沉降趨于穩定。監測點ZQC7最大階段變形速率為-0.09 mm/d，沉降量累計變形值最大的測點為ZQC9，累計變形值為-6.38 mm（控制值±30 mm），階段變形速率-0.01 mm/d，均在設計控制值范圍內。

3.3??? 樁頂水平位移

2020年10月24日至2020年12月05日處于基坑開挖階段，基坑開挖階段樁頂水平位移波動范圍較小，基坑開挖結束后基坑內側樁身失去了土地對樁身的作用，其開挖過程就是應力釋放過程，即由開挖前的靜態平衡發展到動態平衡的狀態。水平位移如圖5所示，ZQS1、ZQS2位于基坑的北側，ZQS8、ZQS10位于基坑的南側兩側的水位移表現出隆起和沉降兩種不同變化趨勢，說明樁頂水平位移表現出了明顯的“時空效應”。其間測點ZQS2最大階段變形值為-0.50 mm，變形速率為-0.07 mm/d，水平位移量累計變形值最大的測點為ZQS2，累計變形值為-3.20 mm，階段變形速率-0.07 mm/d，均在設計控制值范圍內。

3.4??? 樁體水平位移

在基坑開挖整個過程采用中剛度較大的混凝土支撐，圍護結構為鉆孔灌注樁，支撐對圍護結構剛度變形表現出較好的約束作用，從圖中可以看出樁體水平位移在開挖階段數據波動較大，開挖結束后變化穩定，如圖6所示。2020年11月25日開挖深度最大至8 m，樁體在0～8 m變化幅度最大，隨著基坑開挖深度的增加，土體應力釋放，基坑周圍土體發生位移，使得樁體的水平位移逐漸增大，樁身的整個位移隨著樁身深度的增加而減小，當基坑周圍土體與基坑支護結構達到應力平衡時變形減緩。基坑開挖結束后樁體水平位移趨于穩定。在基坑開挖過程中累計變形值最大的測點為ZQT01，累計變形值為+17.86 mm，變形速率+0.31 mm/d，均在設計控制值范圍內。

3.5??? 建筑物沉降分析

建筑物的沉降變化規律與地表沉降規律相似，曲線都呈現出隆起和沉降兩種 形式，在開挖過程中變化最大的階段在2020年11月15日附近，該階段是基坑開挖到達最深至8 m處，測點累計變形也逐漸增加。沉降點JGC1、JGC4離基坑較遠沉降變化緩慢波動較小，沉降點JGC2、JGC3距基坑較近且與一期工程相鄰變化幅度較大。JGC4是沉降量累計變形值最大的測點，累計變形值為-3.49 mm，階段變形速率-0.05 mm/d，變化范圍均在可控范圍之內。建筑物沉降時程曲線如圖7所示。

4??? 有限元數值模擬分析

4.1??? 計算假定與基坑模型的建立

本文采用有限元軟件Plaxis3D對基坑的施工工況進行模擬。模型主要由包括梁、土層、板構成，參數表如表1、3所示。土層采用軟件中HS-small本構模型，為更加真實準確的到達模擬效果，灌注樁采用板單元模擬，通過剛度等效轉化換算得到板的有效厚度。具體換算公式如下：

112（D+t）h3=164πD4

本工程圍護結構為依次排列的鉆孔灌注樁，由設計圖紙樁體分布圖可知D=1 m，t=0.4 m，根據換算公式得到h約為0.75 m，樁體剛度折算如圖8所示。充分考慮基坑開挖對邊界的影響，則側向邊界不小于4倍的開挖深度，下邊界則需根據土層決定，一般選擇較堅硬、穩定性好的土層作為下邊界深度不小于3倍的開挖深度，所以模型尺寸為170 m×170 m×30 m。賦予結構單元參數，利用Plaxis3D建立有限元模型，基坑模型如圖9所示。

4.2??? 施工步驟模擬

通過Plaxis3D中“分階段施工”的板塊，激活或者凍結單元的功能來模擬實際施工的過程。詳細施工步驟如表4所示。

4.3??? 計算結果分析

現場數據監測是從三次開挖階段中的第二次開挖進行的，不能通過實測數據來完整分析整個開挖過程中基坑的變形情況，而數值模擬能很好模擬整個施工過程，更加清楚了解開挖過程中土體沉降、圍護結構位移變化情況。

4.3.1??? 土體沉降變形分析在基坑逐步開挖的過程中，土體的變形也在不斷增加，階段2坡面土體開挖至基坑水平開挖面時，由于土體卸荷在開挖面附近產生一定的土體隆起現象，開挖面產生了1 mm左右的變形，隨著階段3現澆腰梁和第一道混凝土支撐的施工，土體變形減少逐步穩定。階段4～6土體繼續開挖變形也逐步加大，受到基坑西側一期工程裙房結構的影響，基坑西側一期和二期工程公共處土體變形最大，在水平方向由支護結構公共處中心位置向兩端減少，垂直方向由支護結構公共處中心位置到基坑底部變形量從大到小變化，呈現出中間大兩頭小的變化特征。土體沉降位移云圖如圖10、土體沉降剖面位移云圖如圖11所示。

4.3.2??? 圍護結構位移分析

1）總位移從圖中看出圍護結構在階段3土體開挖前基坑西側圍護結構頂部出現變形主要是受到一期工程的影響。隨著基坑開挖深度的增加，維護結構的變形也在不斷增加，北側由于坡面土體的移除使得雙排鉆孔灌注樁成為擋土結構，受到土的壓力不斷增加變形也隨著增大；西側圍護結構處于一期和二期的公共處變形量最明顯，同時在整個開挖階段基坑長邊的圍護結構變形量都要大于基坑短邊的圍護結構變形量；由于邊角處受兩側土體及維護結構的約束作用較大，且邊角處圍檁的約束作用也較大，從變形位移云圖上看出基坑的角邊緣處受開挖變形影響很小（圖12）。

2）水平位移圍護結構的水平位移主要集中在基坑的東西兩側和北側的雙排圍護樁結構處。隨著基坑開挖深度的不斷增加土體向坑內擠壓，導致基坑圍護結構向基坑內產生位移也不斷增加；隨著開挖深度的增加，北側雙排圍護樁結構的變形范圍下移且不斷增大，由于坡體開挖導致圍護結構前端卸荷，失去了一部分抵抗后端土體的土壓力，使得位移量最大區域集中在雙排圍護結構的中上部位。如圖13、圖14圍護結構x方向位移云圖、圍護結構y方向位移云圖所示。

4.4??? 數值模擬結果與現場實測數據對比分析

為了更好研究分期施工過程中二期基坑開挖變形的特性及規律，將數值模擬結果與現場實測數據對比分析，更加全面地反映出在不同工況開挖階段的變形。土體沉降現場監測數據表明開挖前期土體呈現隆起現象，數值模擬階段在階段3即坡體土體開挖階段破壞了土體初始平衡條件，呈現出開挖面大范圍的土體上浮。圍護結構變形現場監測能很好反映單個監測指標的變化情況，不能反應變形范圍的大小，結合數值模分析圍護結構在開挖過程中變形范圍主要集中在荷載集中區，影響范圍約為結構作用面的三分之一，如基坑一期和二期交界處和雙排擋土結構處。土體沉降和基坑圍護結構的變形主要受分步開挖深度、基坑開挖寬度和基坑邊界約束條件改變的影響，其次是受支護設計方案和周圍施工環境的影響。為說明模擬的有效性分別選取地表沉降點DBC1-2和DBC3-2、建筑物沉降點JGC4、樁體ZQT1進行對比，模擬結果如圖15-17所示。實測數據比模擬數據偏大，其原因在于模擬數據沒有考慮現場施工環境、天氣變化和開挖后時空效應的影響。總體來說實測數據與模擬數據變形趨勢基本一致，說明有限元模擬能較好的還原施工開挖情況，可以為以后實際施工提供參考和指導及時發現問題調整施工方案提高施工的安全性和穩定性。

5?? ?結論

本文通過武漢市軌道交通11號線東段工程光谷線網控制中心二期工程基坑現場監測與數值模擬的方法來分析分期施工過程中二期基坑的變形特征，實際工程受周邊環境、可變荷載、施工機械和時空效應等因素的影響，現有數值模擬無法將各個參數的影響進行模擬，使得計算值小于監測值，但是數值模擬結果與監測結果變化規律基本一致，得出以下結論：

1）分期施工過程中二期基坑開挖土體變形最大處位于一期和二期公共處；基坑周圍維護結構及土體變形隨著基坑開挖深度的增大呈現出隆起和沉降兩種不同的變化趨勢，基坑開挖到達最深處變形達到最大，最后隨著基坑主體結構的完善而趨于穩定，階段變形速率平均保持在±0.05 mm/d（變形速率控制值±3 mm/d）。

2）在地形起伏明顯、高差較大的坡形開挖面場地采用雙排鉆孔灌注樁+混凝土內支撐的永臨結合的支護方式；在支護結構公共處采用單排鉆孔灌注樁+樁間搭接的高壓旋噴樁+混凝土內支撐的支護方式，樁頂水平位移和樁體水平位移累計最大變形值分別為-3.2 mm和+17.86 mm（累計變形值控制值±30 mm），研究表明這兩種支護方式是合理的，對基坑土體的變形起到了良好的限制作用，保障了基坑的穩定性。

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The Second Stage Excavation Deformation Characteristics in StagedConstruction and Numerical Simulation Analysis

DENG Wei，? FAN Ying，? ZHAO Fucai， XIONG Xixi

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to study the deformation characteristics of the second stage foundation pit excavation during the staged construction process， this paper took the Optical Valley line network control center project of the east section of Wuhan rail transit line 11 as an example. Through the method of combining on site monitoring and the use of Plaxis3D numerical simulation， the ground settlement， pile top settlement， pile top horizontal displacement， pile horizontal displacement and building settlement were monitored and simulated. Finally， the monitoring results were compared with the simulation results. Analysis of the results is aimed to study the deformation characteristics of the foundation pit during the construction of the second stage foundation pit. With the increase of the excavation depth of the foundation pit， the deformation of the maintenance structure shows two different trends of uplift and settlement. When the excavation of the foundation pit reaches the deepest depth， the surface settlement and the displacement of the retaining structure reach the maximum， and finally stabilize with the improvement of the main structure of the foundation pit. During the construction of the second phase of the foundation pit， the largest deformation of the foundation pit is located at the common part of the first and second phases of the supporting structure. In the horizontal direction， it decreases from the central position of the common part of the supporting structure to both ends， and the vertical direction of the deformation from the center of the supporting structure to the bottom of the foundation pit decreases gradually， indicating that the characteristics of small changes in the middle and two ends. The numerical simulation results are consistent with the changes in the field monitoring results. The gap between the calculated data and the monitoring data is small， which provides a scientific basis for the rational design and safe construction of foundation pit projects.

Keywords：phased construction; excavation; second stage excavation; deformation monitoring; numerical simulation

［責任編校： 裴琴］