城市軟土地區(qū)深基坑施工的力學行為分析

許前順 王帥帥, 趙春發(fā) 高 波

1. 中交第二公路工程局有限公司 陜西 西安 710065；2. 西南交通大學 四川 成都 610031

目前深大基坑施工技術(shù)的研究較多[1-6]，但由于工程地質(zhì)條件及周圍建筑環(huán)境的復雜性，在繁華市區(qū)開展深大基坑施工，必須結(jié)合場地工程地質(zhì)等特殊條件[7]，加強施工過程控制[8]，提前預測施工風險并進行預警，有必要針對基坑施工過程建立模型進行施工過程模擬。

本文依托深圳市地鐵8號線沙頭角站軟土地區(qū)深基坑實際工程，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，通過分析基坑施工對地表位移及圍護結(jié)構(gòu)受力變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了一次開挖進尺和及時施作臨時支撐對地表及圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，為深基坑施工及監(jiān)測提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 基坑項目概況

深圳市地鐵8號線沙頭角站軟土地區(qū)深基坑位于深圳市深鹽路與園林路交叉口處，沿深鹽路東西向布置。基坑北側(cè)為酒店、幼兒園、墩頭村自建房，南側(cè)為加油站、工業(yè)廠房，茂鑫人行天橋及海天人行天橋位于基坑正上方。

基坑周圍建筑物較多，距基坑最近的建筑物到基坑邊的距離只有4 m，而其中最近的附屬結(jié)構(gòu)距離建（構(gòu)）筑物凈距只有3 m，因此，深基坑開挖施工對周邊建筑物的影響不可忽視?？紤]到地面為交通主干道，基坑分一期和二期2個階段施工。一期基坑周邊環(huán)境較為空曠，基坑主體距民房最近處19.59 m，附屬結(jié)構(gòu)F出入口距離民房最近處13.64 m。

二期基坑周邊環(huán)境復雜，距離北側(cè)建筑物較遠，主要為墩頭村自建房；南側(cè)建筑為工業(yè)廠房、村民自建房，南側(cè)建筑物距離基坑較近，最近距離4.1 m；茂鑫人行天橋及海天人行天橋位于基坑正上方，施工時需進行拆除，工程完成后重建。

該基坑周邊市政管線密集，沿基坑縱向分布有給水管、電力管、電信管、雨水管、雨水箱涵、污水管等管線，其中有1根9 m×3 m的雨水箱涵橫跨主體基坑。

1.2 工程地質(zhì)條件

該擬建場地原地貌為沖洪積平原，地表已被填挖成深鹽路，地形比較平坦，地面高程一般在22.01～27.79 m。深鹽路路面表層為混凝土及墊層，路面下普遍分布人工填土，主要成分由黏性土、松散的碎石等構(gòu)成，填土層的厚度分布變化大，填土層力學性質(zhì)不穩(wěn)定，抗剪強度低、土質(zhì)松散、滲透系數(shù)大。

場地普遍分布有凝灰?guī)r的殘積土和全風化巖，殘積土和全風化巖整體上屬松散結(jié)構(gòu)巖土體，巖土體極易受到基坑施工的擾動，發(fā)生軟化變形，巖土體強度、承載力低，滲透性大，在基坑開挖時止水不當可能出現(xiàn)基底涌泥、涌砂，基坑側(cè)壁巖土體失穩(wěn)、坍塌等危害[9]。

基巖主要是凝灰?guī)r地層，基巖巖面起伏大，基巖風化程度不均勻，其殘積層和風化巖中有存在差異風化現(xiàn)象的可能。場地下部的基巖風化程度不均勻，呈現(xiàn)出了局部地段凝灰?guī)r的風化界面起伏較大、不均勻風化造成的硬夾層現(xiàn)象以及部分巖體風化層缺失等3種主要形式（圖1）。

圖1 工程地質(zhì)剖面

1.3 基坑施工技術(shù)方案

由于該基坑位于深鹽路下，上方路面交通車流量大，基坑周邊建筑結(jié)構(gòu)物密集，因此，采用半蓋挖順作法施工，首先進行圍護結(jié)構(gòu)的施工，然后分段、分層進行基坑開挖與支護，最后進行主體結(jié)構(gòu)及防水工程施工。

本基坑標準段寬為20.3 m，由于地面走坡，基坑深15.1～23.5 m。標準基坑段的圍護結(jié)構(gòu)選用厚度為800 mm的地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式，標準段基坑豎向設(shè)置3道支撐，第1道為混凝土支撐，第2、第3道為鋼支撐；小軸端設(shè)置4道支撐，端頭井全為混凝土支撐，其他部分第1、第3道為混凝土支撐，第2、第4道為鋼支撐；大軸端設(shè)置3道支撐，端頭井全為混凝土支撐，其他部分第1道為混凝土支撐，第2、第3道為鋼支撐。

基坑采用半蓋挖順作法施工，主體基坑施工工序為：施作基坑連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，作降水井點，進行預降水→基坑開挖至第1道支撐下0.5 m，架設(shè)第1道支撐→開挖土方至第2道支撐下0.5 m，架設(shè)第2道支撐→繼續(xù)開挖土方至第3道支撐下0.5 m，架設(shè)第3道支撐→基坑開挖至設(shè)計標高，施工素混凝土墊層→施工車站底板，拆除第3道支撐→施工地下2層側(cè)墻及中板混凝土，拆除第2道支撐→施工地下1層側(cè)墻及頂板，拆除井點，拆除第1道支撐，覆土。深鹽路與沙深路交叉路口處先行倒邊施工完成臨時路面體系，確保路口處交通順暢。西側(cè)主體基坑施作時占用現(xiàn)狀道路為施工場地，交通通過兩側(cè)綠地及空地疏解。東側(cè)主體基坑為確保深鹽路東西向交通，先施工北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)并加混凝土蓋板為臨時路面體系，后施作南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)并開挖基坑，交通疏解依靠北側(cè)蓋板進行，以保證4車道寬度。

2 施工風險分析

該標準段基坑寬20.3 m，由于地面走坡，基坑深度為15.1～23.5 m。根據(jù)規(guī)范，該基坑深度、地下水位埋深均滿足一級基坑的要求，施工風險大，要求高。且基坑范圍地下水位較高，底板主要位于粉質(zhì)黏土、全風化凝灰?guī)r、強風化凝灰?guī)r和中風化凝灰?guī)r中。

2.1 周邊環(huán)境風險

周邊建筑物較多，基坑施工過程的降水和卸載可能使這些建筑物產(chǎn)生不均勻沉降和水平位移，導致房屋開裂。

另外，本場地地下市政管線眾多，地下管線埋深0.5～3.0 m，局部地段管線埋深超過5.0 m，位于基坑開挖深度范圍內(nèi)，對基坑開挖、隧道施工造成較大影響。

2.2 基坑施工風險

深基坑工程施工，必須做好相應的圍護結(jié)構(gòu)和支撐，對圍護結(jié)構(gòu)、地面沉降、支撐等進行嚴格監(jiān)控，同時根據(jù)工程地質(zhì)情況及周邊環(huán)境保護要求，基坑安全等級為一級，變形控制標準：地面最大沉降量≤0.20%H且≤30 mm（H為開挖深度）；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.25%H且≤30 mm；支護頂部最大水平位移≤0.20%H且≤30 mm。

基坑影響范圍內(nèi)存在較多的地下管線，施工前需仔細核實地下管線，確保地下管線已改遷或被妥善保護后，方可施工。

綜上所述，該深基坑位于深圳市城市主干道下方，沿線人口密集、交通繁忙，交通疏解對工期影響大。周邊管線復雜，亦對施工工期影響大?；又苓吔ㄖh(huán)境復雜，施工沉降變形要求高，技術(shù)難度較大。

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

本次數(shù)值仿真分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，首先，建立基坑地層結(jié)構(gòu)三維有限元模型，其中二期工程標準段在不改變設(shè)計的情況下縮減至200 m，以減小模型尺寸。在合理建立地下連續(xù)墻及內(nèi)支撐體系模型的基礎(chǔ)上，考慮實際施工工法，對基坑的施工分析進行了動態(tài)施工全過程的有限元數(shù)值模擬分析（圖2～圖4）。

圖2 整體網(wǎng)格劃分

圖3 地下連續(xù)墻模型

圖4 支撐體系模型

3.2 模型邊界條件及計算參數(shù)確定

在基坑有限元數(shù)值分析中，對模型的前后左右4個側(cè)面，采用約束邊界垂直方向位移的滾軸約束，模型的底部采用了固定邊界?；拥叵逻B續(xù)墻與周圍土體之間采用共用節(jié)點的方式連接，橫向支撐與地下連續(xù)墻之間采用固結(jié)節(jié)點的方式連接。

基坑地下連續(xù)墻以及內(nèi)部的支撐采用線彈性模型本構(gòu)，基坑土體和圍巖采用Mohr-Column彈塑性模型。對于鋼筋混凝土澆筑的地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土支撐，其彈性模量取值為30 GPa，泊松比按0.2取值，混凝土密度為2 500 kg/m3；而基坑內(nèi)的臨時鋼管支撐彈性模量為209 GPa，其泊松比取值為0.3，相應的鋼管密度按7 850 kg/m3取值，不同地層的巖土體物理力學參數(shù)詳見表1?；游挥谥鞲傻老虏?，在基坑周邊30 m的地表范圍內(nèi)，通過施加均布荷載20 kN/m2用于模擬上部交通或地面的施工荷載。

表1 土體物理力學參數(shù)

土體以及地下連續(xù)墻采用solid185實體單元模擬，基坑內(nèi)支撐采用beam188單元模擬。

3.3 工況確定

依據(jù)實際工程施工組織設(shè)計，在本次數(shù)值模擬中各工況如下：

1）工況1：開挖到第1道支撐下0.5 m的位置，并施作基坑的第1道鋼筋混凝土支撐。

2）工況2：開挖到第2道支撐下0.5 m的位置，施工基坑第2道臨時鋼支撐。

3）工況3：開挖到第3道支撐下0.5 m的位置，施工基坑的第3道臨時鋼支撐。

4）工況4：開挖至基坑第4道支撐下0.5 m的位置，施工第4道臨時鋼支撐。

5）工況5：開挖至基坑底位置，施作車站底板。

6）工況6：拆除第4道臨時鋼支撐。

7）工況7：拆除第3道臨時鋼支撐，回筑至第3道支撐。

8）工況8：拆除第2道臨時鋼支撐，回筑至第2道支撐。

9）工況9：拆除第1道鋼筋混凝土支撐，回筑至第1道支撐。

3.4 有限元模擬結(jié)果分析

本節(jié)主要分析基坑施工的有限元數(shù)值計算結(jié)果，通過分析基坑周邊地表的水平位移及豎向沉降規(guī)律，探明基坑開挖支護對地下連續(xù)墻及內(nèi)支撐體系的內(nèi)力和位移影響。

3.4.1 基坑周邊地表土體水平位移分析

選取基坑中部標準斷面E—F段為監(jiān)測斷面（見圖2），得到基坑周邊地表土體水平方向位移（圖5）。分析基坑邊上地表的水平位移變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，基坑周邊的地層水平位移值隨著遠離基坑而明顯減小，基坑開挖對地層位移的影響范圍約為40 m，大致是2倍的基坑深度[10]，地表最大水平位移為11.0 mm，出現(xiàn)在基坑邊緣處，此時，基坑開挖到底部，因此當基坑開挖到基坑底時，應重點監(jiān)控地表位移變化趨勢。

3.4.2 基坑周邊地表土體豎向位移分析

本節(jié)選取基坑中部標準段位置E—F段為監(jiān)測斷面，得到基坑周邊土體的豎向沉降位移（圖6）。

圖5 地表土體水平位移

圖6 地表土體豎向位移

通過進一步分析地表沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著距基坑距離的增大，地表沉降量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其分布規(guī)律和文獻[4-5]研究一致。其中基坑施工引起地表最大沉降值為13.3 mm，沉降最大處位于距基坑13 m位置。進一步可以發(fā)現(xiàn)，距離圍護結(jié)構(gòu)一定距離處的地表沉降變形較大，影響范圍約為40 m，約為2倍的基坑開挖深度，該區(qū)域應重點監(jiān)測地表沉降[10]。通過分析豎向位移云圖分布可以發(fā)現(xiàn)，當基坑開挖到底部時，由于底板尚未施工，底部約束較差，在基坑開挖卸荷效應下，基坑底部產(chǎn)生了明顯的坑底隆起，在實際工程中應引起注意。

3.4.3 地下連續(xù)墻水平位移分析

基坑開挖后，觀察地下連續(xù)墻體的水平位移云圖（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，基坑開挖后由于受到周圍土體變形的影響，墻體發(fā)生向坑內(nèi)的變形，基坑中部墻體變形最大。

圖7 墻體水平位移云圖

進一步以基坑地下連續(xù)墻中部位置斷面為研究對象，提取該位置的地下連續(xù)墻水平位移變化曲線（圖8）。

首先，分析地下連續(xù)墻的水平位移隨施工工況變化的曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑豎向開挖深度的增大，基坑側(cè)壁水平位移最大值也不斷增加，并且在拆除了第4道臨時鋼支撐后（工況6），其基坑側(cè)壁的水平位移值仍有一定程度的發(fā)展，因此，在實際工程中拆撐應引起重視，注意監(jiān)測基坑位移發(fā)展趨勢。根據(jù)基坑側(cè)壁水平位移在豎直深度方向的變化特性可以發(fā)現(xiàn)，墻體側(cè)壁的變形呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，并且墻體最大水平位移為11.1 mm，兩側(cè)壁向基坑內(nèi)鼓出，出現(xiàn)在距地表14.85 m處的墻體位置。

當基坑開挖到底部時，觀察基坑對應位置處地下連續(xù)墻實測測斜曲線（圖9）可以發(fā)現(xiàn)，圖9中工況5墻體水平位移曲線和實測數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致：在整個開挖過程中，兩側(cè)壁向中間部分鼓出，呈現(xiàn)“)(”形。進一步分析后發(fā)現(xiàn)，實測數(shù)據(jù)比有限元分析結(jié)果要大，主要是實際工程中，基坑開挖后，未及時施作支撐，具有時間上的滯后。

3.4.4 內(nèi)支撐軸力及位移

通過分析模型各個工況下的內(nèi)支撐軸力計算數(shù)據(jù)，可以得出基坑4道內(nèi)支撐在各個工況下的最大軸力值（圖10～圖13）。分析基坑各層支撐的軸力分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，基坑兩端擴大斷面以及中間約束較弱的位置處一般軸力較大。

對比分析不同工況下基坑各道內(nèi)支撐的軸力值（表2、表3）可以發(fā)現(xiàn)，基坑內(nèi)支撐軸力最大值發(fā)生在拆除第4道支撐并回筑的工況時，此時對應的第3道支撐最大軸力為2 521 kN，在實際施工時應引起重視，宜增加監(jiān)測頻率。

圖8 墻體水平位移變化曲線

圖9 墻體水平位移實測曲線

圖10 基坑第1道支撐內(nèi)力

圖11 基坑第2道支撐內(nèi)力

圖12 基坑第3道支撐內(nèi)力

圖13 基坑第4道支撐內(nèi)力

表2 開挖過程各工況下支撐軸力最大值

表3 拆撐過程各工況下支撐軸力最大值

4 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

基坑端頭處地表沉降在2017年8月17日—2017年8月24日，從13.3 mm增加到30.0 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了紅色預警，引起了施工和建設(shè)單位的重視。分析地表沉降曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果規(guī)律一致，在離基坑30 m范圍內(nèi)的地表沉降較大（圖14）。

地表沉降實測曲線顯示，當基坑開挖到第4道支撐位置時，地表最大沉降為13.3 mm，當縱向一次開挖進尺為6 m時，地表沉降增大為19.7 mm，此時，地表沉降未超限。

圖14 地表沉降實測數(shù)據(jù)曲線

考慮在基坑底部施作第4道鋼支撐的空間有限，大型設(shè)備很難進入基坑底部，因此，施工隊伍未按設(shè)計要求及時施作第4道鋼支撐，而是采取了繼續(xù)縱向開挖至12 m，此時監(jiān)測到地表沉降快速增加為23 mm，地表沉降已經(jīng)超過了規(guī)范值30 mm的2/3。但作業(yè)隊伍仍未及時跟進臨時鋼支撐，待繼續(xù)縱向開挖到20 m左右時，地表沉降急劇增大為30.1 mm。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常以后，引起了施工單位的重視，基坑后續(xù)開挖嚴格按照設(shè)計進行，控制一次開挖進尺為6 m，并及時施作第4道支撐。

上文分析了基坑底部縱向開挖進尺過大，未及時跟進第4道鋼支撐，而導致地表沉降急劇增加，本節(jié)將分析其圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律（圖15）。

圖15 圍護結(jié)構(gòu)水平位移實測數(shù)據(jù)曲線

可以發(fā)現(xiàn)，當基坑開挖到第4道支撐時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為20 mm，出現(xiàn)在地下13 m處，且呈“)”形向基坑內(nèi)彎曲，其變形模式和前述有限元分析結(jié)果基本一致，但實測數(shù)據(jù)大于有限元分析結(jié)果，主要是由于對有限元分析進行了大量簡化，未能考慮開挖及支護的時效性。

當縱向開挖進尺增大為6 m時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為27 mm，結(jié)合地表沉降數(shù)據(jù)19.7 mm，沒有超過規(guī)范允許值，因此，作業(yè)隊伍未嚴格按照設(shè)計要求開展，而是繼續(xù)增大開挖進尺。當縱向一次開挖進尺達到12 m時，未及時跟進第4道支撐，圍護結(jié)構(gòu)水平位移增大為35.6 mm。當縱向開挖長度繼續(xù)增大至20 m時，圍護結(jié)構(gòu)水平位移急劇增大為46.6 mm，地表沉降達到了30.1 mm，均明顯超過了規(guī)范要求限值，因此，及時施作了第4道支撐，后期數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。由此可見，對于基坑底部開挖，必須嚴格按照設(shè)計要求施工，嚴格控制開挖進尺，并及時施作支撐。

5 結(jié)語

1）基坑開挖引起地下連續(xù)墻周邊的土體水平位移最大，并且隨著距基坑距離的增大，周邊土體水平方向位移值明顯減小，在距基坑2倍基坑深度的范圍內(nèi)，地層水平位移較大。

2）隨著到基坑邊的距離增大，基坑內(nèi)土體開挖引起的地表沉降先增大后減小，地表最大沉降量為13.3 mm，滿足規(guī)范要求，最大沉降影響范圍為基坑邊緣外13 m，應重點監(jiān)測該區(qū)域內(nèi)豎向沉降。

3）基坑地下連續(xù)墻在基坑開挖過程中的主要變形特征為：兩側(cè)坑壁向中間部分鼓出，呈現(xiàn)“)(”形，在基坑兩邊側(cè)壁位置應重點監(jiān)測地下連續(xù)墻的傾斜值。

4）在基坑開挖支護過程中，可以發(fā)現(xiàn)支撐軸力最大值發(fā)生在拆除第4道支撐并回筑時，此時第3道支撐出現(xiàn)最大軸力。

5）當基坑底部縱向一次開挖進尺從6 m增大為20 m時，由于未能及時施作支撐，地表沉降最大值從19.7 mm增大為30.1 mm，圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值從27 mm增大為46.6 mm，超過了規(guī)范允許值。因此，施工中應當嚴格控制開挖進尺，并及時跟進支撐，地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)位移將得到有效控制。