不同開(kāi)挖方式對(duì)基坑變形的影響

龐丹丹， 鄭釗鋒， 王哲， 楊樂(lè)， 任康， 李中浩

（1.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 300122；2.浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，杭州 310023）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)展不斷加快，城市土地資源的越來(lái)越緊缺。因此，城市地下空間的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到人們的重視，基坑朝著更大、更深、更復(fù)雜的方向邁進(jìn)。然而在城市密集區(qū)域建造深大基坑不可避免會(huì)對(duì)周圍建筑和周圍隧道管線造成影響［1-3］。所以，如何確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的變形，如何精準(zhǔn)估算深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體及建筑物的影響，以及怎樣解決簡(jiǎn)單化深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的空間效應(yīng)問(wèn)題，是目前需要解決的重要工程技術(shù)難題。

目前眾多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方式對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制展開(kāi)了研究。在開(kāi)挖方法方面，孫建波和張大等［4，5］對(duì)基坑不同開(kāi)挖方式進(jìn)行了開(kāi)拓性研究，并對(duì)每種開(kāi)挖方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)做了說(shuō)明，他們認(rèn)為基坑開(kāi)挖具有明顯的空間效應(yīng)，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖方式可以削弱空間效應(yīng)的影響。沈健［6］將基坑變形的空間效應(yīng)歸納為三個(gè)方面，其中一方面就是施工方法和施工順序引起的空間效應(yīng)。舒魏碧章等［7］針對(duì)深基坑工程的空間效應(yīng)問(wèn)題，提出了階梯式分段開(kāi)挖的有限元建模方法，研究了階梯式基坑開(kāi)挖下不同層超挖、不同超挖深度以及不同超挖寬度的影響。武坤鵬［8］在三維開(kāi)挖的基礎(chǔ)上探究了基坑開(kāi)挖中的島式開(kāi)挖，并且研究基坑的降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸作用、開(kāi)挖的空間和時(shí)間效應(yīng)等因素對(duì)基坑開(kāi)挖的影響。

在數(shù)值模擬方面，Hashash［9］通過(guò)有限分析，討論了支撐條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度等因素對(duì)地表土體沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響。呂昌久［10-13］運(yùn)用ABAQUS有限元軟件討論了基坑不同的開(kāi)挖方式對(duì)基坑隆起與坑外周邊土體變形的影響。朱文斌［14］基于工程案例和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Midas·GTS建立數(shù)值模型，研究不同開(kāi)挖過(guò)程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。肖萌［15］使用Midas·GTS建立三維基坑開(kāi)挖模型，研究采用島式開(kāi)挖和盆式開(kāi)挖兩種不同開(kāi)挖方式時(shí)產(chǎn)生的支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境變形控制情況和規(guī)律。

文中依托實(shí)際工程，選取HS土體本構(gòu)模型，采用三維有限元模擬階梯型開(kāi)挖、水平分層分塊開(kāi)挖和水平分層開(kāi)挖，對(duì)比分析開(kāi)挖選型對(duì)地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，探究在3種開(kāi)挖方式下圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移隨工況變化的規(guī)律，最后總結(jié)歸納出適合工程的開(kāi)挖方式。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某地鐵站基坑的總平面如圖1所示，西側(cè)為一個(gè)花鳥(niǎo)城，南側(cè)為河坊街，地處鬧市區(qū)，基坑長(zhǎng)120m，標(biāo)準(zhǔn)段寬約25.7m，頂板覆土2m，底板墊層底埋深約23.97m?；觾H南側(cè)有較大的偏壓，處在深厚黏土混角礫地層上，支撐系統(tǒng)為鋼混支撐體系，第1、4道支撐為混凝土支撐（截面尺寸分別為800×1000，1200×1200），第2、3、5、6道為傳統(tǒng)的609mm鋼支撐。

圖1 基坑布置總平面

工程的基坑監(jiān)測(cè)剖面如圖2所示，選擇4個(gè)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)軸力、布置6個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)坑外地表沉降，同時(shí)選取靠近監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)斜孔來(lái)監(jiān)測(cè)地墻水平位移。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)剖面

1.2 工程地質(zhì)

工程范圍內(nèi)的土層主要可以分成5個(gè)，自上而下分別為：①表層雜填土厚度在4.8～11.3m；②黏土混角礫厚度范圍在5.9～11.7m；③黏土混角礫厚度范圍在20.1～20.5m；④黏土混角礫厚度范圍在5.3～11.9m；⑤最下層為中風(fēng)化含生物碎屑灰?guī)r。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元數(shù)值模擬分析

文中依據(jù)基坑實(shí)際工程條件，采用數(shù)值模擬的方法研究分層開(kāi)挖、階梯型開(kāi)挖，分層分塊開(kāi)挖對(duì)該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

2.1 MidasGTS的介紹

MidasGTS是為能夠迅速完成對(duì)巖土及隧道結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的“巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件”，是一款采用windows風(fēng)格操作界面的完全中文化軟件，能夠提供完全的三維動(dòng)態(tài)模擬功能。程序提供應(yīng)力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、邊坡穩(wěn)定分析、襯砌分析和設(shè)計(jì)功能，并提供莫爾庫(kù)倫、修正莫爾庫(kù)倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構(gòu)及用戶自定義本構(gòu)模型；程序還提供便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結(jié)果；可以廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、巖土、水工、地質(zhì)、礦山、隧道等方面的分析及科研。

2.2 假定條件與模型參數(shù)

為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，模型只考慮了基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐布置方式及其所在地層的土質(zhì)情況，其周圍的相鄰基坑及建筑物均不考慮。并且根據(jù)勘察資料及設(shè)計(jì)施工圖紙，結(jié)合江建紅［16］文中的本構(gòu)模型、模型參數(shù)、邊界條件選取原則，確定模型所需的各項(xiàng)參數(shù)如下：

（1） 模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件如基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系結(jié)構(gòu)均采用彈性模型。

（2） 土層參數(shù)。采用HS模型進(jìn)行模擬，所選土層參數(shù)如表1所示。

（3） 鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元建立，混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)及混凝土支撐均采用梁?jiǎn)卧?，地下連續(xù)墻采用板單元建立。實(shí)際工程中由于活絡(luò)頭及抱箍的存在使得鋼支撐在工程中應(yīng)用的剛度遠(yuǎn)小于實(shí)際的鋼材剛度。雷霆等［17］通過(guò)研究后發(fā)現(xiàn)用梁?jiǎn)卧M鋼支撐時(shí)，建議對(duì)其剛度折減0.38。故文中鋼支撐剛度按0.38倍折減，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料特性見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

（4） 數(shù)值模型中構(gòu)件-土及構(gòu)件-構(gòu)件間的連接綁定方式依據(jù)實(shí)際工程均采用剛性連接。

2.3 計(jì)算模型和邊界條件

根據(jù)基坑地層條件，模型共模擬了5層土體（雜填土、黏土混角礫、黏土混角礫、黏土混角礫、強(qiáng)風(fēng)化泥巖）。如圖3所示，模型均采用混合型網(wǎng)格，共包含161094個(gè)單元和100199個(gè)節(jié)點(diǎn)，由土體的邊界性質(zhì)可知土體底部固定而四周法向位移為零，所以對(duì)模型四周添加x、y向約束，底部添加x、y、z向約束。

圖3 基坑開(kāi)挖模型

2.4 不同基坑開(kāi)挖方式的介紹

（1） 分層開(kāi)挖。分層開(kāi)挖是指在基坑工程中，如開(kāi)挖較深，一次挖掘深度無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，可將土方開(kāi)挖沿深度方向分成若干分層施工段，逐層依次進(jìn)行開(kāi)挖的開(kāi)挖方式。

根據(jù)基坑的地質(zhì)條件和各級(jí)邊坡的深度，又可以將基坑分層開(kāi)挖分為每級(jí)放坡不分層開(kāi)挖、每級(jí)放坡分層開(kāi)挖兩種。

（2） 階梯型開(kāi)挖。階梯型開(kāi)挖是先沿著基坑按某一長(zhǎng)度L分段開(kāi)挖，每段開(kāi)挖中又分土層厚度H這樣的開(kāi)挖方式進(jìn)行開(kāi)挖。階梯開(kāi)挖比較適用于寬度相對(duì)于長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)較窄的長(zhǎng)條形基坑。

（3） 水平分層分塊開(kāi)挖。水平分層分塊開(kāi)挖是將每層土劃分為若干個(gè)區(qū)域并編號(hào)，然后采用“跳挖”技術(shù)按照編號(hào)進(jìn)行開(kāi)挖的開(kāi)挖方式。

分層分塊開(kāi)挖在滿足變形控制要求的前提下，可以多個(gè)工作面同步進(jìn)行流水作業(yè)，大大縮短了施工工期，同時(shí)減小土體應(yīng)力釋放產(chǎn)生的不利影響。

2.5 模擬工況

除基坑內(nèi)第一層土是整層一次性挖去外，其余剩下的土將被分為大致相等的45塊，分別采用階梯型開(kāi)挖、水平分層分塊開(kāi)挖、水平分層開(kāi)挖3種開(kāi)挖方式進(jìn)行開(kāi)挖（所有數(shù)值模型均只選取一種開(kāi)挖方式，不交叉進(jìn)行）。

階梯型開(kāi)挖的模擬可以分為31個(gè)階段，具體開(kāi)挖方法如圖4所示。首先開(kāi)挖模型第1層最右側(cè)的土方，在開(kāi)挖完成后施作混凝土支撐，之后開(kāi)挖第2層的最右側(cè)兩塊。最后，將坑內(nèi)剩余土體分為6層，每層又被分成若9塊，從基坑右上角往左下角進(jìn)行階梯型施工，不斷開(kāi)挖。

圖4選取了基坑的兩個(gè)視角（俯視、左視），從圖4中可以清楚的了解基坑自右上角往左下角開(kāi)挖的施工工序。

圖4 階梯型開(kāi)挖模擬演示

水平分層分塊開(kāi)挖模擬可以分為33個(gè)階段，具體開(kāi)挖方法如圖5所示。在將第一道混凝土支撐上方的坑內(nèi)土一次性開(kāi)挖后，把坑內(nèi)剩余土體分為6層，每層又被分成9小塊進(jìn)行開(kāi)挖施工。此外，模擬將按照逐層開(kāi)挖進(jìn)行，如第1層從兩邊往中間開(kāi)挖如圖5（a）、圖5（b）所示，第2層則是在第1層完全開(kāi)挖完后再在從兩邊往中間開(kāi)挖見(jiàn)圖5（c）、圖5（d），以此類推。

圖5 水平分層分塊開(kāi)挖模擬演示

水平分層開(kāi)挖流程如圖6所示，首先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）的施工，然后按照順序依次進(jìn)行第1層土的開(kāi)挖和施作混凝土支撐，之后則是在第2層土方開(kāi)挖完成后進(jìn)行鋼支撐施作，總計(jì)分6層開(kāi)挖。支撐形式第一、四道為混凝土撐，其余為鋼支撐。

圖6 基坑水平分層開(kāi)挖模擬演示

2.6 有限元模擬結(jié)果

階梯型開(kāi)挖的地墻部分側(cè)向位移云圖如圖7所示，當(dāng)自右上角往左下角進(jìn)行階梯型施工時(shí)，地墻最大變形位移不斷向左下方向蔓延。當(dāng)基坑開(kāi)挖完成時(shí)，基坑的側(cè)墻最大變形位移是25.55mm，最大變形的位置是在基坑中間位置。地連墻側(cè)向位移與工況的關(guān)系則如圖8所示。其中在有限元數(shù)值模擬中選取了3個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3，分別對(duì)應(yīng)圍護(hù)地連墻的上部中部和下部（節(jié)點(diǎn)位置信息，下同）。

圖7 階梯型開(kāi)挖部分工況地墻側(cè)向位移模擬結(jié)果云圖

圖8 階梯型開(kāi)挖地墻側(cè)向位移與工況關(guān)系

水平分層分塊開(kāi)挖的地墻部分側(cè)向位移云圖如圖9所示，每層由兩邊往中間分層分塊開(kāi)挖，地墻最大變形位移為27.03mm，最大變形的位置是在基坑縱向1/4位置處。地連墻側(cè)向位移與工況的關(guān)系則如圖10所示。

圖9 水平分層分塊開(kāi)挖部分工況地墻側(cè)向位移云圖

圖10 水平分層分塊開(kāi)挖地墻側(cè)向位移與工況關(guān)系

水平分層開(kāi)挖的地墻部分側(cè)向位移云圖如圖11所示，土層1層層從上往下開(kāi)挖，地墻最大變形位移為20.47mm，最大變形的位置發(fā)生在靠近基坑中間截面位置處。地連墻側(cè)向位移與工況的關(guān)系如圖12所示。

圖11 水平分層開(kāi)挖部分工況地墻側(cè)向位移云圖

圖12 水平分層開(kāi)挖地墻側(cè)向位移與工況關(guān)系

3種開(kāi)挖方式對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果如上所述。階梯型開(kāi)挖位移云圖顯示最大變形區(qū)域從右上角向左下角不斷擴(kuò)張，最終造成的地墻最大位移為25.55mm，其最大位移所在的橫截面靠近基坑中間；水平分層分塊開(kāi)挖最終造成得地墻最大位移為27.03mm，最大位移所在的橫截面靠近基坑兩側(cè)；水平分層開(kāi)挖位移云圖顯示最大變形區(qū)域整體逐漸下移，最終造成的地墻最大位移為20.47mm，最大位移所在的橫截面靠近基坑中間。由此可知3種開(kāi)挖方式造成的最大位置區(qū)別不大，最大最小值相差6.56mm。階梯型開(kāi)挖和水平分層開(kāi)挖的最大位移所在截面位置接近，均靠近基坑中部位置，而水平分層分塊開(kāi)挖的最大位移所在截面位置靠近基坑兩側(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，當(dāng)采用HS土體本構(gòu)時(shí)，不同的開(kāi)挖方式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最終最大變形結(jié)果有一定影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形最大的是分層分塊開(kāi)挖，最小的是分層開(kāi)挖，階梯型開(kāi)挖處于兩者中間。

（2） 根據(jù)有限元模擬的結(jié)果得出，當(dāng)采用HS土體本構(gòu)時(shí)，能比較全面反映出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形所在的截面位置，從而分析得出圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)的需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的區(qū)域，為今后類似工程的提供參考意義。