相邻双基坑同步开挖相互影响

李成虎(福州市城市地铁有限责任公司，福建福州　350002)



相邻双基坑同步开挖相互影响

李成虎
(福州市城市地铁有限责任公司，福建福州350002)

摘要:以福州君临盛世茶亭基坑和世茂国际中心基坑为研究对象，建立相邻基坑开挖的二维模型，土体应力应变本构关系采用HS本构模型模拟，详细研究相邻双基坑同步开挖情况下的土体位移、支护结构位移和内力响应。考虑不同间距对相邻基坑开挖性状的影响，得到相邻基坑开挖的影响范围。研究表明，相邻基坑开挖对远端围护结构和坑底隆起影响很小，基坑间距对围护结构变形影响大于基底隆起。

关键词:相邻双基坑;数值模拟;隆起;性状分析

随着城市地下空间开发密集及工程需要，相邻基坑先后开挖甚至同时开挖逐渐成为常态。因此分析相邻基坑开挖的性状，评价相邻基坑开挖对彼此的影响，对实际工程具有重要的参考意义。已有学者利用数值分析、实测监控等方式对相关问题进行了研究分析。文献［1］用有限元软件模拟某地下购物中心的复杂深开挖问题。文献［2］利用有限元软件模拟同时开挖的相邻双基坑，表明相邻基坑的开挖工序选择能改善基坑的变形和受力性状。文献［3］通过对天津于家堡基坑工程群开挖进行数值模拟，表明基坑群的开挖对周边建筑物的影响远比单个基坑大。文献［4］采用自动化技术实时监控基坑群开挖对地铁隧道的影响。文献［5］对上海地区两个相邻深大基坑同步开挖过程进行数值分析，表明由于后开挖基坑土体的开挖，使得开挖侧的土体荷载减小，先开挖基坑有整体向后开挖基坑移动的趋势。两基坑中间设置的分隔带能够有效减小两个基坑同步开挖产生的相互影响。文献［6］研究不同间距情况下相邻基坑开挖的相互影响，总结出基坑间距在10～30 m变化时，围护结构侧向变形变化较大，大致呈线性关系。在30～50 m变化时，围护结构变形随变化幅度逐渐减小。

本文以福州君临盛世茶亭基坑和世茂国际中心基坑为研究对象，模拟两个基坑的开挖施工过程，分析由基坑开挖产生的稳定性、变形、对周围环境的影响以及相邻基坑开挖产生的相互影响问题。

1　工程概况

君临盛世茶亭基坑位于福州市八一七中路和地铁1#线东侧，北侧为群众路，东侧紧靠福州世茂国际中心，南侧为茶亭公园。该工程由一幢31层的高层建筑(剪力墙结构)和4～5层附楼(框架结构)组成，地下室为2．5层，采用PHC管桩独立承台基础。基坑场地标高约为－0．70 m，主楼处开挖标高为－16．70 m，附楼开挖标高为－13．30 m，计算开挖深度为12．6～17．6 m，总支护周长为310 m。基坑采用双排H700× 300型钢+3道锚索的支撑形式。福州世茂国际中心位于福州市台江区广达路，场地东临广达路，北靠群众路，南为茶亭公园，西侧为君临盛世茶亭八地块和八一七路，位居福州市繁华的市中心地段。基坑场地标高约为－0．50 m，主楼处开挖标高为－18．30 m，附楼开挖标高为－15．50 m，计算开挖深度为15．0～17．8 m，总支护周长为560 m。支护结构采用排桩+内支撑的形式，支护桩采用1 200@ 1 500钻孔灌注桩，桩长25～34 m，内支撑采用3道钢筋混凝土，其中心标高分别为－2．35，－8．35，－12．75 m。两基坑的平面位置关系及支护体系具体见图1～3(图2、3中的长度单位为mm)。

图1　君临盛世茶亭基坑和世茂国际中心基坑平面示意图

图2　君临盛世茶亭基坑支护体系

图3　福州世茂国际中心基坑支护体系

2　　建模

2．1几何模型

君临盛世茶亭基坑宽100 m，开挖深度为12 m，左侧地面宽100 m，H型钢长25 m。基坑坑顶采用3∶4的放坡。世茂国际中心基坑宽100 m，开挖深度为15．5 m，右侧地面宽100 m，排桩长30 m。两基坑间距20 m。本文仅研究如图1所示的紧邻部分的双基坑开挖的相互影响，特别是两者间距的影响，故采用PLAXIS软件建立二维基坑模型。该软件是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元计算程序，其计算功能强大、能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定性分析，能模拟许多结构物，如地下连续墙、锚杆、土工织物、隧道和桩基础等。

所建模型长420 m，高60 m。沿高度0～－4 m为杂填土层，－4～－10 m为淤泥层，－10～－20 m为中砂层，－20～－25 m为粉质黏土层，－25～－40 m为中粗砂层，－40～－60 m为卵石层。地下水位位于地表下－4 m处。君临盛世茶亭基坑宽度取100 m，开挖分4步进行，分别开挖到－4，－7，－10，－12 m标高。采用板单元模拟H型钢，点对点锚杆模拟锚杆自由段，土工格栅模拟锚固段。世茂国际中心基坑宽度取100 m，开挖分4步进行，分别开挖到－2．35，－8．35，－12．75，－15．5 m标高。采用板单元模拟排桩，采用锚锭杆模拟内支撑。在福州世茂国际中心基坑右侧10～20 m处施加10 kPa的交通荷载。在模型底部施加完全固定约束，水平和竖直方向均固定。两侧竖直边界施加滑动约束，水平方向固定，竖直方向自由。基坑几何模型如图4所示，为方便分析描述，将君临盛世茶亭基坑简称为A基坑，H型钢支护简称为1#、2#桩，将世茂国际中心基坑简称为B基坑，排桩支护简称为3#、4#桩。

图4　基坑几何模型

2．2材料参数

采用HS本构模型进行土体应力应变关系模拟，该模型可以考虑土体的开挖卸荷效应［7］。土体硬化模型是一种高级土体模型。同摩尔－库仑模型一样，极限应力状态由内摩擦角φ和粘聚力c及剪胀角ψ来描述［8－9］。但是，土体硬化模型采用3个不同的输入刚度可以将土体刚度描述得更为准确:三轴加载模量E50、卸载—再加载模量Eur和切线压缩模量Eoed［10］。一般取Eur=3E50和Eoed=E50作为不同土体类型的平均值［11］。

由于基坑开挖时间较短，将渗透性差的黏土层设为不排水材料［12］，具体土层参数建议的计算值见表1。分析中采用抗弯刚度等效的方法将A基坑H型钢、放坡支护和B基坑钻孔灌注桩模拟为地下连续墙，相应的等效公式［13］为

式中D为钻孔灌注桩桩径; t为桩净距; h为等效后的地下连续墙厚度。

表1　各土层计算参数

地下连续墙、桩体、土体变形模量［14］应满足

式中Ew、Ep、Es分别为地下连续墙、桩体、土体变形模量。

排桩、H型钢、放坡支护、内支撑、锚杆均为弹性材料。土体参数、排桩、H型钢、放坡支护、内支撑、锚杆具体参数分别见表2、3。

表2　排桩(板)、H型钢(板)、锚杆锚固段、放坡支护(板)计算参数

表3　内支撑(锚锭杆)、锚杆自由段(点对点锚杆)计算参数

2．3计算步骤

先施加初始应力场，再施加交通荷载等周边荷载。根据施工工序先对福州世茂国际中心基坑施加排桩，对第一层土体先降水后开挖，然后对君临盛世茶亭基坑施加H型钢，放坡支护。最后根据内支撑及锚杆位置分层对土体先降水后开挖。

3　相邻基坑同步开挖性状分析

相邻基坑同步开挖与单个基坑独立开挖不同，临近基坑开挖卸荷会对基坑周围地面沉降、坑底隆起、支护桩水平位移产生影响。

3．1基坑土体变形分析

基坑开挖到坑底后，网格变形如图5所示，开挖面以下网格明显向上运动，两基坑两侧地面均凹向变形。A基坑1#、2#桩向坑内呈悬臂型变形，B基坑3#、4#桩向坑内凸向变形。

图5　基坑网格变形图

开挖过程中A基坑和B基坑周围土体沉降曲线如图6所示。地面沉降呈凹槽型，A基坑左侧地面最大沉降57．5 mm，发生在距基坑边缘9 m处，最大沉降发生位置为0．75H，最大沉降为0．48%H(H为基坑开挖深度)。

B基坑右侧10～20 m范围考虑10 kPa的交通荷载，最大沉降为79．7 mm，发生在距基坑边缘15 m处，最大沉降发生位置为0．97H，最大沉降为0．51%H。两基坑间地面最大沉降为88．7 mm，发生在两基坑中间位置。这是由于相邻基坑同时开挖对基坑间土体沉降产生叠加影响，导致基坑间土体的沉降大于两侧基坑地面沉降。图7为开挖过程中A基坑和B基坑的坑底隆起曲线。A基坑随着土体开挖先表现为坑底隆起，围护结构附近比基坑中大，后隆起曲线呈现为中间大两边小的“锅底”型。但由于B基坑开挖引起的卸荷作用，使得A基坑右侧隆起量小于左侧。开挖完成后，最大隆起为25．1 mm，发生在1#桩右侧16 m处。B基坑在开挖过程中也表现出与A基坑相似的特点，最大隆起为32．2 mm，发生在4#桩左侧10m处。

图6　地面沉降

图7　基坑坑底隆起

3．2支护结构水平位移分析

支护桩水平位移图采用归一化方法处理，横轴为支护桩水平位移，纵轴为支护桩距桩顶距离/桩高。A基坑和B基坑支护桩在开挖过程中的水平位移如图8所示。

图8　基坑支护桩水平位移图

由图8可以看出，1#、2#桩位移曲线与悬臂结构相似，1#桩最大位移均发生在放坡坡脚。桩身位移曲线在淤泥和中砂交界处出现拐点，说明支护桩在较弱土层中产生较大位移。开挖到坑底后，桩身最大水平位移为66．1 mm。2#桩最大水平位移发生在第二层土体开挖面位置，最大水平位移为20．6 mm，由于B基坑开挖卸荷，2#桩承受的土压力较小，最大水平位移仅为1#桩的0．31倍。3#桩和4#桩在开挖过程中水平位移变化规律相似，第一层土体开挖时桩顶位移较大，桩身水平位移较小。随着开挖深度加大，水平位移逐渐增大，最大位移位置下移，最终位移曲线呈现外凸的特点。开挖到坑底后，4#桩桩身最大水平位移为56．7 mm，由于A基坑开挖卸荷，3#桩承受的土压力较小，最大水平位移为31 mm，为4#桩最大水平位移的0．55倍。A基坑支护桩最大水平位移为66．1 mm，发生在1#桩端部，约为0．55%H。B基坑支护桩最大水平位移为56．7 mm，发生在4#桩接近坑底位置，约为0．37%H。A基坑最大沉降为57．5 mm，为支护桩最大水平位移的0．87倍。B基坑右侧地面考虑交通荷载，最大沉降为79．7 mm，为支护桩最大水平位移的1．4倍。

3．3支护结构内力分析

如图9所示，1#、2#桩随着基坑开挖弯矩曲线呈“双峰”型，且弯矩峰值都出现在开挖坑底和中砂层与粉质黏土层交界位置。1#桩最大弯矩为863 kN·m，2#桩最大弯矩为982 kN·m。3#、4#桩在第一层土体开挖时弯矩较小，在2～4层的土体开挖中弯矩逐渐增大，最大弯矩位置随着开挖面逐渐下移。第四层开挖阶段，3#桩最大弯矩为817 kN·m，出现在开挖坑底位置，而4#桩最大弯矩为1 395 kN·m，出现在中砂层和粉质黏土层交界面。

图9　支护桩弯矩图

4　不同间距相邻基坑同步开挖性状分析

相邻基坑同步开挖，对基坑间土体沉降、支护桩位移和基坑坑底隆起均产生影响。将基坑间距分别取为20，30，40，50，60 m，研究基坑间距对开挖性状的影响。由图10、11可知，由于A、B基坑宽度均较大，在不同间距下基坑开挖对相邻基坑远端支护桩变形的影响很小。间距不同对远端坑底隆起几乎没有影响。近端坑底隆起则随基坑间距增大而增大，基坑间距在20～40 m变化时，靠近相邻基坑一侧坑底隆起增大幅度较大。基坑间距在40～60 m变化时，基坑坑底隆起增大幅度逐渐减小。

图10　不同间距时桩的水平位移图

图11　不同间距时坑底隆起

可以认为两基坑同时开挖时，基坑间距的影响范围为40 m左右。A基坑的开挖深度为12 m，B基坑的开挖深度为15．5m。因此，相邻基坑的相互影响为2．5～3倍基坑开挖深度。

5　　结论

相邻基坑同时开挖时，邻近基坑开挖卸荷会对基坑周围地面沉降、坑底隆起、支护桩水平位移产生影响。基坑间距不同，基坑开挖性状亦不同。

1)相邻基坑开挖卸荷，对远端围护结构和坑底隆起影响很小，近端围护结构最大水平位移和坑底隆起小于远端。基坑中间土体受相邻基坑开挖沉降叠加影响，沉降大于基坑另一侧地面沉降。

2)两基坑同时开挖时，基坑间距的影响范围为40 m左右，相邻基坑的相互影响为2．5～3倍基坑开挖深度。基坑间距对围护墙变形影响大于坑底隆起。

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(责任编辑:郎伟锋)

Mutual Influence of Adjacent Twin Pits Dug at the Same Time

LI Chenghu
(Fuzhou Urban Subway Co．，Ltd．，Fuzhou 350002，China)

Abstract:Based on a practical case of excavation of adjacent twin pits in Fuzhou，the two-dimensional model of the adjacent twin pit excavation is established．The HS constitutive model is used to build the soil stress-strain constitutive relationship，and also the soil displacement，the supporting structure displacement and internal force response are studied in details while the adjacent pits are excavated at the same time．The influence zone of the excavation of adjacent twin pits is obtained based on different intervals．The research shows that the adjacent excavation has a little effect on the remote retaining structures and the bottom of the pits while the pit intervals have more influence on the supporting structures than the upheaval of the pit bottom．

Key words:adjacent twin pit; numerical simulation; upheaval; behavior analysis

作者简介:李成虎(1982—)，男，湖北江陵人，工程师，工学硕士，主要研究方向为轨道交通工程．

基金项目:福建省教育厅科技研究项目(JB10110)

收稿日期:2014－10－31

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．011

文章编号:1672－0032(2015) 01－0050－08

文献标志码:A

中图分类号:TU473