鄰近雙基坑單層土體分塊開挖順序分析

周 偉

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804；2.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海 200093)

1 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，相鄰基坑同步開挖的工程案例越來越多。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對相鄰基坑開挖的相互影響規(guī)律進(jìn)行了一定的研究。徐偉等[1]通過對采用土體錯(cuò)開一層的交叉施工方式的某相鄰基坑的施工監(jiān)測分析知:遠(yuǎn)離相鄰位置的圍護(hù)墻受鄰近基坑施工的影響較小，相鄰位置圍護(hù)墻頂?shù)乃轿灰齐S基坑間距的減小而增大；丁智等[2]通過對杭州某鄰近基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析知:前基坑土方開挖完畢后再開挖后基坑土體時(shí)，后基坑的開挖會(huì)減小前基坑的支撐軸力，并使兩基坑間的土體向前基坑傾斜；葉建峰等學(xué)者[3－6]研究了相鄰基坑間距、兩基坑土層不同開挖工序和支護(hù)方式等因素對坑外和坑間土體沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等的影響；Hou等[7]對相鄰基坑的同時(shí)施工提出了分區(qū)開挖以減小其相互影響的施工方案。目前關(guān)于相鄰基坑施工的研究主要是以一層土體為單位，對相鄰基坑同步開挖時(shí)，其單層土體分塊開挖順序的研究相對較少。而相鄰基坑單層土體開挖順序的不同直接決定土體應(yīng)力釋放次序，從而對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形等產(chǎn)生較大的影響，因此利用PLAXIS 3D建立相鄰基坑的三維模型，探討鄰近雙基坑同步開挖時(shí)，單層土體分塊開挖次序?qū)油饧翱娱g地表沉降、坑內(nèi)土體隆起以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響特征。同時(shí)分析單層土體分塊開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形減小的比例隨施工推進(jìn)的累加變化。

2 工程概況

項(xiàng)目所在地位于上海市閔行區(qū)七寶鎮(zhèn)閔行文化公園東側(cè)，是上海市“十二五”重點(diǎn)發(fā)展的25個(gè)現(xiàn)代化服務(wù)業(yè)集聚區(qū)之一，占地約41萬m2，共9個(gè)規(guī)劃地塊，本文主要研究位于東北角的19-01(基坑A)和19-02地塊(基坑B)。兩基坑的凈距約為12.2 m，基坑安全等級為一級?；覣開挖深度14.75 m:第一層1.4 m，第二層5.05 m，第三層4.5 m，第四層3.8 m；基坑B開挖深度14.05 m:第一層1.3 m，第二層5.55 m，第三層3.95 m，第四層3.25 m。兩基坑均采用鉆孔灌注樁排樁加三道鋼筋混凝土支撐進(jìn)行圍護(hù)，采用三軸攪拌樁作為止水帷幕。兩基坑的平面與剖面示意見圖1、圖2。

圖1 基坑支撐布置平面圖

圖2 基坑A與基坑B相鄰位置基坑圍護(hù)剖面圖(單位:m)

本工點(diǎn)場地的巖土分層情況與各土層的材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 有限元模型的建立與驗(yàn)證

3.1 模型建立

模型長 400 m、寬400 m、深40 m，如圖3所示。土體本構(gòu)采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)(HSS)，幾何模型兩側(cè)施加水平約束，底面施加水平和豎直約束。

圖3 有限元模型示意

為便于計(jì)算，有限元模型在實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下簡化:

(1)用于驗(yàn)證有限元模型可靠性的實(shí)際施工工況為開挖完第二層土體(地下室一層)，改變基坑B還未開挖的地下室二、三層的開挖方案對驗(yàn)證模型的可靠度影響較小。因此，為使后續(xù)模型計(jì)算結(jié)果更易收斂，將基坑B地下室二、三層開挖區(qū)域調(diào)整為與地下室一層一致，其二、三道支撐布置形式簡化為與第一道相同。

(2)排樁結(jié)構(gòu)作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要承受側(cè)向壓力，利用等剛度替換的方法將支護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻，用板單元進(jìn)行模擬。相應(yīng)的等效公式為[8]:

式中，D為鉆孔灌注樁樁徑(m)；t為樁凈距(m)；h為等效后連續(xù)墻厚度(m)；Ec為連續(xù)墻彈性模量(Pa)；Es為樁體彈性模量(Pa)。

3.2 基坑監(jiān)測方案

為指導(dǎo)基坑的安全施工，分析鄰近雙基坑同步開挖時(shí)的相互影響，本工程監(jiān)測項(xiàng)目包括:圍護(hù)墻頂部垂直與水平位移、圍護(hù)墻墻體側(cè)向位移、支撐軸力、周邊地表沉降等。本文主要關(guān)注圍護(hù)墻墻體的側(cè)向位移情況，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測斜點(diǎn)位布置情況如圖1所示。

3.3 計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比驗(yàn)證

為校核調(diào)整有限元模型的參數(shù)，以2018年8月5日兩基坑開挖完第二層土體時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)為有限元模型建模依據(jù)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證?；覣選取測斜點(diǎn)P1、P7、P9，基坑 B選取CX1、CX4和CX17(見圖1)來對比計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的差異。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形的大小及其所在深度往往是影響基坑安全施工中最為關(guān)鍵的因素。由計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果(見圖4)可見，基坑A的P1、P7與P9處計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形數(shù)值大小及其埋深兩方面擬合程度較好，基坑B的CX1和CX17兩點(diǎn)擬合較好，但在CX4處其圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形的計(jì)算結(jié)果大于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，這是由于數(shù)值模擬采取的第二道支撐布置方式其支護(hù)效果在基坑B右側(cè)要弱于實(shí)際采取的支撐方式。因此可以認(rèn)為，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠度。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 單層土體分塊開挖研究

4.1 施工流程介紹

由以往的基坑施工案例[9－12]可知，整個(gè)基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與土體位移大部分是在較深的第三、四層土體開挖過程中產(chǎn)生。因此，在經(jīng)過驗(yàn)證的有限元模型的基礎(chǔ)上研究第三、四層土體采用不同的單層土體開挖方式對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和土體位移的影響特征具有較大意義。

本文探討的單層土體開挖方式分為:單層土體一次開挖、單層土體同向分塊開挖和單層土體對向分塊開挖。單層土體一次開挖的施工工況為:開挖兩基坑第三層土體→施工兩基坑第三道支撐→開挖兩基坑第四層土體→施工兩基坑底板。單層土體分塊開挖的施工工況如圖5所示。為減小基坑無支撐暴露時(shí)間，在開挖當(dāng)前分塊(1＃、2＃、3?；?4＃)內(nèi)土體的同時(shí)，同步施工上一次開挖土塊內(nèi)相應(yīng)的鋼砼支撐或底板。

圖5 單層土體分塊方案示意

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終變形情況分析

在基坑底板澆筑完畢時(shí)，提取三種不同開挖方式下兩基坑四側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形處的變形曲線，如圖6所示。

圖6 基坑A與基坑B四側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形處變形曲線

由基坑A四側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形處的變形曲線圖可見，在基坑上下側(cè)，一次開挖與單層分塊開挖的差異不明顯，但在基坑左右兩側(cè)單層分塊開挖施工的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形要明顯小于單層土體一次開挖。采取單層土體一次開挖的施工方式時(shí)，基坑A圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形出現(xiàn)在左側(cè)，為55 mm；最小變形出現(xiàn)在右側(cè)即鄰近基坑B一側(cè)，為40 mm，其原因是鄰近雙基坑基坑間土體寬度有限，造成右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的主動(dòng)土壓力要小于其他三側(cè)。進(jìn)一步，單層同向分塊開挖相較于單層一次開挖，其左、右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形分別減小18.2%、10%；單層對向分塊開挖分別減小14.5%、7.5%。

由基坑B四側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形處的變形曲線圖可見，在基坑上、下、左三側(cè)，一次開挖與單層分塊開挖的差異不明顯。但在基坑右側(cè)單層分塊開挖施工方式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形要遠(yuǎn)小于采用單層土體一次開挖。采用單層土體一次開挖施工方式時(shí)，基坑B圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形出現(xiàn)在右側(cè)，為111 mm，其原因是右側(cè)基坑邊界較長，支撐強(qiáng)度相對較弱所致；最小變形出現(xiàn)在下側(cè)，為36 mm，其原因是基坑下側(cè)的支撐密度較密，開挖區(qū)域較為狹窄所致。進(jìn)一步，單層同向分塊開挖相較于單層一次開挖，其左、右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形分別減小6.4%、22.5%，下側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形雖增加了8.3%，但其在數(shù)值上要小于其他三側(cè)，對基坑施工安全的影響較??；單層對向分塊開挖相較于單層一次開挖在左、右側(cè)分別減小4.3%、22.5%。

4.2.2 坑外地表沉降與坑內(nèi)土體隆起

在基坑底板澆筑完畢時(shí)，提取三類不同施工方式下兩基坑四周土體最大沉降值及坑內(nèi)土體最大隆起數(shù)值，如圖7所示。

圖7 基坑四周土體最大沉降及坑內(nèi)土體隆起

由圖7a可見，在基坑A上側(cè)和下側(cè)，三種施工方式的坑外地表沉降差異不明顯，而在其左側(cè)及右側(cè)坑外地表沉降和坑內(nèi)土體隆起，三種不同施工方式有較大的差別。采用單層土體一次開挖的施工方式時(shí)，基坑A左側(cè)與右側(cè)坑外地表最大沉降分別為36.1 mm、64.5 mm。相比之下，同向分塊開挖分別減小了18.3%、8.5%；對向分塊開挖分別減小了18%、8.5%。單層土體一次開挖時(shí)坑內(nèi)土體隆起109 mm，同向分塊開挖與對向分塊開挖相比于單層土體一次開挖施工方式分別減小5.5%、0.9%。

由于基坑B左側(cè)即為基坑A右側(cè)，因此圖7b中不再列出基坑B左側(cè)坑外地表最大沉降情況，在基坑B上側(cè)三種施工方式差異不明顯，基坑B下側(cè)單層分塊開挖相比于一次開挖其最大沉降略有增加，但考慮到其數(shù)值上遠(yuǎn)小于其他三側(cè)，因此對基坑施工安全影響不大?；覤右側(cè)為其坑外地表沉降最大處，采用一次開挖的施工方式時(shí)其最大沉降為93 mm，同向分塊開挖與對向分塊開挖相比于一次開挖分別減小了20.4%、21.5%。右側(cè)坑外地表沉降遠(yuǎn)大于其他三側(cè)的原因是右側(cè)支撐結(jié)構(gòu)相對薄弱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，導(dǎo)致鄰近土體發(fā)生較大沉降。一次開挖時(shí)坑內(nèi)土體最大隆起為115 mm，同向分塊開挖與對向分塊開挖相比于一次開挖分別減小了15.6%、13%。

4.2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形變化趨勢分析

分別提取三種不同施工方式在第三道支撐施工完畢與底板澆筑完畢兩種工況下相鄰雙基坑左右兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形情況(見表2)。在兩種不同的工況時(shí)，分塊開挖相比于單層一次其圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形的減小比例如圖8所示。由圖可見，單層分塊開挖相比于單層一次開挖其圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形的減小效果具有隨施工進(jìn)行不斷累積的趨勢。

表2 兩基坑左右兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形 mm

圖8 兩種工況下分塊開挖相比于一次開挖其圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形減小比例

5 結(jié)論

通過對基坑A與基坑B兩相鄰基坑單層土體不同開挖方式的數(shù)值模擬分析，可得到如下結(jié)論:

(1)鄰近雙基坑同步開挖時(shí)，遠(yuǎn)離相鄰側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往發(fā)生較大的水平變形，而采取單層分塊開挖的施工方式可有效減少基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無支撐暴露時(shí)間，從而減小基坑左右兩側(cè)尤其是遠(yuǎn)離相鄰側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形。

(2)鄰近雙基坑坑間土體同時(shí)經(jīng)受兩個(gè)基坑開挖的疊加影響，其沉降往往是兩基坑坑外地表沉降最大處，而采取單層分塊開挖的施工方式可有效減小兩基坑坑間及遠(yuǎn)離相鄰側(cè)的坑外地表沉降。同時(shí)也可有效減小坑內(nèi)土體隆起。

(3)相比于單層一次開挖，單層分塊開挖對鄰近雙基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形的縮減效果具有隨著基坑開挖深度的增加而不斷累積趨勢。

從基坑施工安全的角度來看，采取單層同向分塊開挖施工方式要優(yōu)于單層對向分塊開挖，兩者又都優(yōu)于單層一次開挖的施工方式。因此在鄰近雙基坑同時(shí)施工時(shí)，如條件允許，應(yīng)盡量且盡早采用單層同向分塊開挖的施工方式。