非對稱基坑開挖對圍護結構及周圍建筑物變形影響研究

摘要 為保障非對稱荷載下多開挖深度基坑及周圍建筑的安全與穩定，文章以溫州市區內某下穿隧道明挖深基坑為例，開展了非對基坑開挖對周圍環境的影響研究。首先，采用FLAC3D數值模擬軟件建立了非對稱荷載、多開挖深度基坑的典型斷面的分析模型；然后，模擬了非對稱基坑的開挖過程，揭示了開挖區深度、建筑荷載大小及建筑坑邊距等因素對基坑圍護結構和周圍建筑物變形的影響規律。研究結果表明，非對稱荷載下多開挖深度基坑開挖時，靠近建筑側的開挖深度增加將引起支護樁水平變形和建筑沉降的顯著增大，同時靠近建筑側支護樁的最大水平變形位置下移；建筑荷載增加時，靠近建筑側的基坑支護樁的水平位移增加，遠離建筑側的基坑支護樁水平位移減小，建筑的沉降變形隨建筑荷載近似成線性增加；建筑坑邊距增加導致靠近建筑側支護樁水平位移的減小，而遠離建筑側支護樁水平位移則增大；建筑的沉降變形隨建筑坑邊距增加逐漸減小，但減小的趨勢逐步放緩。

關鍵詞 基坑開挖；非對稱荷載；多開挖深度；圍護結構變形；建筑變形

中圖分類號 TU997 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0082-03

0 引言

地下隧道基坑開挖過程中，不僅要保證基坑自身的安全與穩定，還要有效地控制基坑周圍的土體變形，以防發生建筑沉降變形、道路開裂、管道變形等工程事故。同一個基坑根據周圍建筑物分布情況及不同功能需求，可能會出現開挖深度不同及建筑荷載非對稱分布的情況，從而形成非對稱基坑[1-6]。已有的基坑實測結果表明，非對稱基坑的開挖對周圍土體和圍護結構往往有更大的擾動，嚴重威脅基坑及周圍建筑物的安全性和穩定性，不同文獻針對不同工況進行專題研究，獲得相應成果[7-14]。溫州地區富含深厚軟土地層，土體含水量高、強度低、壓縮性強，且易于擾動。因此本地區對非對稱基坑的開挖過程的變形規律進行研究，以保證基坑及周圍建筑物的安全，具有必要性。

該文以溫州某明挖隧道基坑工程典型斷面為例，建立存在兩種開挖深度的基坑數值分析模型，研究基坑開挖過程中周圍建筑非對稱分布及開挖深度對圍護結構和周圍建筑物的變形，以及附近土體應力的變化規律。該研究成果將為類似深基坑的支護工程設計、開挖方案設計和施工提供參考。

1 工程概況

該明挖隧道工程現場位于溫州市望江路，西起朔門大廈，東至海港大廈，隧道全長約1 070 m。明挖區域基坑沿線左側為人行廣場，右側為居民房屋和名人故居等建筑，如圖1所示。該區域建筑物布局密集，基礎多為淺基礎，且距離基坑邊線較近，其中最近距離約為2.7 m，受基坑開挖影響較大。

2 模擬工況

考慮基坑的不同開挖深度，該文的數值模擬共對如下4種工況進行計算：工況1，開挖區1的開挖深度H1和開挖區2的開挖深度H2均為8.0 m；工況2，H1=10.4 m，H2=8.0 m；工況3，H1=8.0 m，H2=10.4 m；工況4，H1=8.0 m，H2=12.0 m。

為分析周圍建筑荷載大小及坑邊距的影響，針對工況2分別開展荷載L為30 kPa、37.5 kPa、45 kPa、60 kPa，坑邊距S為2.7 m、5.0 m、7.5 m、10 m的數值模擬分析。

3 計算結果與分析

3.1 開挖過程中的典型結果分析

工況2條件下基坑支護結構的變形情況如圖2所示。由圖2可知，在開挖過程中，隨著深度的增加，支護樁的水平位移先增加后逐漸減小。在開挖深度KW分別為6.4 m和8.0 m時，基坑實際為對稱開挖，支護樁的變形近似對稱分布；但由于基坑左側存在建筑荷載，致使左側的支護樁變形大于右側。當開挖深度進一步增加時，左側不再開挖，而右側則繼續開挖至10.4 m，右側支護樁的變形增大。

為進一步分析支護樁的最大變形，不同開挖深度下支護樁的最大變形統計如表1所示。由表1可知，隨著開挖深度的增加，右側支護樁的最大水平位移逐漸增大；而左側支護樁的最大水平位移在開挖至8.0 m之前逐漸增加；開挖至8.0 m后，僅對基坑右側進行開挖，而左側支護樁的最大水平位移變化不大。開挖深度由6.4 m增加至10.4 m時，S1，max增長了57.8%，S2，max增長了130%。

基坑的開挖改變了土層原有的應力場，最直接的表現為周圍建筑物發生沉降變形。圖3給出了靠近基坑側和遠離基坑側建筑沉降隨開挖深度的變化趨勢圖。從圖3可以看出，建筑兩側的沉降變形隨著基坑開挖深度的增加而呈增加的趨勢；但遠離基坑側的建筑沉降較小，靠近基坑側的建筑沉降大于遠離基坑側的沉降。開挖至8.0 m，繼續開挖基坑右側時，建筑的沉降變形趨于平緩。

圖3 工況2開挖過程中基坑周圍建筑沉降變形

3.2 對開挖深度的影響分析

不同開挖工況下，支護樁的水平位移曲線和最大位移統計表分別如圖4和表2所示。由圖4可知，當開挖區1與開挖區2的開挖深度均為8.0 m時，基坑成對稱開挖，左右支護樁的水平位移成對稱分布。當開挖區2的深度不變，而開挖區1的深度增大時，左側支護樁的變形減小，右側支護樁的變形增大11.2%。當開挖區1的深度不變，開挖區2的深度增加時，左側支護樁的水平變形顯著增大。開挖區2的深度由8. 0m分別增加至10.4 m

和12.0 m時，左側支護樁的變形分別增加16.6%和24.3%；同時，當開挖區2的深度增加至12.0 m時，左側支護樁的最大水平位移的位置點向下移動。對于右側支護樁，其向基坑內部的最大水平位移隨開挖區2開挖深度的增加逐漸減小。由表2還可看出，當開挖區1的深度增加時，支護樁的變形差異由32.2%減小至30.4%；當開挖區2的深度增加時，支護樁的變形差異由32.2%增加至56.4%，表明當多開挖深度基坑周圍存在非對稱的建筑荷載時，靠近建筑側的開挖深度對支護樁的水平變形影響較大，應重點進行安全設計和監測。

4 結論

該文以溫州某明挖隧道基坑工程典型斷面為例，基于FLAC3D的數值模擬方法，探究了非對稱荷載下多開挖深度的基坑開挖對基坑圍護結構和周圍建筑物變形的影響，詳細分析了開挖區深度、建筑荷載大小及建筑坑邊距對變形的影響規律，得到如下結論：

（1）當基坑存在多種開挖深度且建筑荷載非對稱地分布在基坑兩側時，靠近建筑側的開挖深度對支護樁水平變形和建筑沉降影響較大；同時，靠近建筑側開挖深度的增加致使該側支護樁的最大水平變形位置下移。

（2）當建筑荷載增加時，靠近建筑側的基坑支護樁的水平位移增加，而遠離建筑側的基坑支護樁水平位移減小；建筑的沉降變形隨建筑荷載近似成線性增加。

（3）建筑坑邊距增加導致靠近建筑側支護樁水平位移減小，遠離建筑側支護樁水平位移增大，建筑坑邊距的影響明顯小于建筑荷載。建筑的沉降變形隨建筑坑邊距增加而逐漸減小，但減小的趨勢逐步放緩。

該研究成果將為類似深基坑的支護工程設計、開挖方案設計和施工提供參考。

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