不同施工工序对围护结构及周边环境的影响

汤 瑞，王 强，宫保聚，过 令

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）



不同施工工序对围护结构及周边环境的影响

汤 瑞，王 强，宫保聚，过 令

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）

摘 要：为了深入研究在不同施工工序下基坑开挖对基坑围护结构的内力和位移及周边环境的影响，运用岩土有限元软件Midas GTS分别模拟了广州某采用桩－锚索支护的高层建筑基坑在不同施工工序下的开挖过程，以及在进行底板施工时不对称堆载对基坑的影响，从而得到了基坑围护结构内力、变形及地表沉降的分布规律。计算分析结果表明：不合理的施工工序对基坑围护结构的内力和位移及地表沉降产生了较大影响，尤其是围护结构水平位移及地表沉降，这使得基坑的稳定性处于不利的状态；该基坑在锚索及时发挥作用比不及时发挥情况下，桩体最大弯矩减少率≥41．77%，地表沉降减少率≥32．75%；基坑底部不均匀堆载使得左、右侧桩体最大弯矩相差＞5%，桩体水平位移相差＞10%。研究结果将有助于提高深基坑设计水平，为类似工程的设计、施工和研究提供必要的参考。

关键词：深基坑；施工工序；围护结构；位移；内力；周边环境

1 研究背景

随着城市建设的不断深入，出现了越来越多的深基坑工程，对基坑结构的稳定性和安全性的研究也倍受人们的关注。在基坑工程发展初期，大多采用传统的计算分析法，主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、弹性梁法、弹塑性法［1］等。但随着计算机技术的发展，有限元软件不断被运用在基坑开挖支护中，对基坑工程的施工过程的模拟提供了新的方法。很多学者［2－4］利用有限元软件针对具体的基坑工程开挖进行模拟，通过对模拟结果的分析和归纳，得出了基坑开挖过程中对围护结构及坑边地表沉降的影响规律。

在对深基坑的研究过程中，学者们发现，对基坑稳定产生影响的因素有很多。如高文华等［5］采用Mindlin厚板理论，建立了深基坑支护结构内力与变形时空效应的三维有限元模型，并分别探讨了支护结构内力和变形时空效应受支撑和墙体刚度、支撑预加轴力、被动区土体加固、边界约束、开挖深度、开挖宽度等因素的影响。可以看出基坑的时空效应［6－8］极大地影响了基坑的开挖和围护结构的设计。实践证明，合理的考虑时空效应的影响，可以达到控制基坑土体的位移和保护环境的目的，以减少采用昂贵地基加固措施的做法，是基坑在开挖过程保持既安全稳定又经济合理的有效途径。关于时空效应下深基坑支护结构内力与变形的研究已取得了不少成果，如郭海柱等［9］根据黏土地区基坑施工具有显著的时空效应，利用时间硬化幂函数法则与Druker⁃Prager屈服破坏准则耦合的蠕变模型。通过室内试验数据拟合模型中的参数，并将其用于基坑工程的施工模拟中，来进行分析支护时间对用护结构变形和内力的影响。刘爱华等［10］从时空优化角度出发，采用时空效应理论中的分区间、分时段等有效措施来控制和减小土体可能产生的最大位移，确保工程安全。应宏伟等［11］则结合案列详细比较考虑分段施工效应与不考虑分段施工效应的基坑支护结构、支撑系统的受力及变形性状的差异，得出分段施工是实际工程中的有效措施。

然而施工工序作为时空效应的一种表现形式，并没有得到广泛的研究，如李方成等［12］虽然根据基坑实例通过有限元模拟得出了在不同施工工序下基坑围护结构的变形情况与施工工序有很大的关系，施工工序越合理，上部土体变形越小，反之越大。但上述研究只考虑了桩撑结构下的水平位移。

为此，笔者以广州珠江新城某基坑为依托，利用有限元分析软件，模拟在不同施工工序下每步开挖之后围护结构位移、内力及地表沉降的比较。从多方面进一步分析施工工序对基坑稳定性的影响。

2 工程布置

2．1 工程概况

广州珠江新城某高层建筑，其基坑形状近似矩形，占地面积约5 374 m2，基坑底周长约297 m。基坑开挖底标高为－29．30 m，坑顶标高为－1．70 m，开挖深度为27．60 m；总土石方量约为16万m3。支护结构采用边坡锚喷＋人工挖孔排桩＋预应力锚索，其中具体布置如下：首先放坡开挖2．5 m进行边坡锚喷，然后再进行人工挖孔桩的施工，最后分层开挖并在设计位置施加预应力锚索，共有5道。

基坑工程的各土层物理力学参数如表1所示。

表1　各土层物理力学参数Table 1 Physico⁃mechanical parameters of soils

2．2 有限元模型的建立

建立了基于岩土工程有限元软件Midas GTS的二维分析模型。在有限元模拟中，将土层用平面应变单元类型，土体的本构模型采用Drucker⁃Prager弹塑性模型；用植入式桁架单元模拟锚杆和锚索，其中在模拟预应力锚索的时候用植入式桁架单元模拟锚索的固定端，用一对相对力模拟锚索的自由端；用梁单元模拟桩。

基坑剖面如图1所示。

为简化计算和建模方便，对模型作如下处理：

（1）土体的计算深度取基坑开挖深度的2．5倍，计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的2倍。

（2）施加的边界条件为在模型左右两侧x方向受水平约束，模型底面受水平和垂直方向的约束。

2．3 开挖工况的模拟

在相同的地质条件的基础上，根据施工工序的不同基坑开挖过程分为2种模拟方案。

图1　支护结构剖面Fig．1 Sectional view of the pit

在2次模拟中，都模拟基坑开挖过程中对围护结构和周边环境的影响，同时也包括在基坑开挖至基底，在对底板进行施工时，因施工的需要需在基坑两侧堆积施工材料，在基坑两侧形成了不对称荷载。考虑此不对称荷载对基坑围护结构和周边环境的影响。

2．3．1 方案1具体的计算工况

工况1：按1∶0．6进行放坡并开挖开挖第1层土体至设计标高－7．2 m，然后分别在设计标高－2．2 m和－3．7 m处设置2道锚杆，并挂网喷射混凝土。然后再进行人工挖孔桩的施工，最后再进行第1道锚索施工。

工况2：开挖土体至设计标高－13．7 m，并进行第2道锚索施工。

工况3：开挖土体至设计标高－20．2 m，并进行第3道锚索施工。

工况4：开挖土体至设计标高－26．7 m，并进行第4道锚索施工，之后再开挖土体至第5道锚索以下0．3 m，再进行第5道锚索施工，并开挖至基底。

工况5：进行基坑底板施工，基坑左右两侧因堆积材料不同，分别产生不同的堆积荷载。故在基坑的左、右侧分别施加20 kN／m和50 kN／m的堆积荷载。2．3．2 方案2具体的计算工况

工况1：按1∶0．6进行放坡并开挖第1层土体至设计标高－4．2 m，分别在设计标高－2．2 m和－3．7 m处设置2道锚杆，并挂网喷射混凝土。然后再进行人工挖孔桩的施工，最后再进行第1道锚索施工并开挖第2层的土体至设计标高－7．2 m。

工况2：开挖土体至第2道锚索以下0．3 m，并进行第2道锚索施工，再开挖至设计标高－13．7 m。

工况3：开挖土体至第3道锚索以下0．3 m，并进行第3道锚索施工，并开挖至设计标高－20．2 m。

工况4：开挖土体至第4道锚索以下0．3 m，并进行第4道锚索施工，并开挖至设计标高－28．3 m，之后进行第5道锚索施工，并开挖至基底。

工况5：进行基坑底板施工，基坑左右两侧因堆积材料不同，分别产生不同的堆积荷载。故在基坑的左、右侧分别施加20 kN／m和50 kN／m的堆积荷载。

3 不同施工工序对模拟结果的影响

下面将分别计算2种方案下，基坑围护结构变形、内力及周边环境的变化情况，并加以总结。同时2个方案中，外荷载仅作用于最后一个工况，工况1—工况4下左右桩体的变形、内力及周边环境的变化是对称的。所以在分析桩体内力和周边环境变化时，以左侧桩体为例。

3．1 桩体水平位移

在方案1、方案2中各个工况下，左右桩体的水平变形规律如图2、图3所示。同时在此约定方案1中桩体最大水平位移记为S1，方案2中桩体最大水平位移记为S2。

图2　方案1各工况桩体水平位移Fig．2 Horizontal displacement of pile in the first plan

图3　方案2各工况的桩体水平位移Fig．3 Horizontal displacement of pile in the second plan

从图2、图3中可以看出，工况1—工况4中左右两侧桩体呈对称分布，但在工况5中因左右坑边堆积荷载不同对左右桩体影响不同。各工况具体分析如下。

（1）在工况1下，基坑全场开挖至设计标高－7．2 m，锚索1已发挥作用。可以看出2个方案下，桩体位移变形曲线基本一致，都主要发生在桩顶以下0～10 m。但是在方案1中桩体在桩顶的变形最大，S1为8．846 mm。而在优化后的方案2中桩体在桩顶以下2 m处的变形最大，S2为1．577 mm。2个方案结果存在较大的差异，这是因为在施工过程中2个方案施工工序不同，在方案1中开挖至设计标高后再进行第1道锚索的施工，在此工程中相当于悬臂梁开挖，桩体先作为围护结构来抵挡侧向土压致使桩体变形过大。而在经过优化后的方案2中是先进行第1道锚索的施工之后再开挖至设计标高，在此过程中是桩锚作为1个整体围护结构，能有效地抵挡侧向土压。

（2）在工况2下，基坑全场开挖至设计标高－13．7 m，锚索2已发挥作用。2个方案下桩体的主要变形区保持在桩顶以下0～10 m的范围内，同时水平位移随着开挖深度的增加而逐渐增大，并向基坑内进一步变形。与工况1相比方案1中发生桩体最大位移向上偏移至桩顶处，而方案2则保持不变。方案1中的S1为17．200 mm，方案2中S2为7．772 mm。

（3）在工况3下，基坑全场开挖至设计标高－20．2m，锚索3已发挥作用。2个方案桩体的主要变形区增至桩顶以下18 m的范围内。二者的最大变形都保持桩顶处。在方案1中S1为18．650 mm，方案2中S2为9．185 mm。

（4）在工况4下，基坑全场开挖至基底，锚索4、锚索5发挥作用。2个方案桩体的主要变形区增至桩顶以下25 m的范围内，最大位移值位移保持不变，但桩体最大位移进一步增大。方案1中的S1为21．45 mm，方案2中S2为11．99 mm。

（5）在工况5下，基坑两侧由于材料的堆积产生不对称的偏载。使得2个方案左右桩体水平位移有所增大，桩体位移最大值保持在桩顶处。在方案1左侧桩体S1为22．60 mm，右侧桩体S1为25．23 mm。在方案2中左侧桩体S2为13．16 mm，右侧桩体S2为15．04 mm。

2个方案中同一工况下基坑开挖深度相同，但是施工工序顺序不同，使得桩体变形有较大的差异。在基坑开挖过程中各个工况下桩体最大水平位移比较见表2。

表2　桩体最大位移比较Table 2 Comparison of pile’s maximum displacement

从表2中可以看出在工况1下桩体的水平位移变化率是最大的，由此得悬臂开挖所引起的变形在围护结构总变形量中所占比重较大。在之后的工况下，桩体的水平位移变化率在逐渐减小。但是与没有优化的方案1相比，方案2下桩体水平位移减小40．39%以上，可以看出优化后的方案更加有利于基坑的安全性与稳定。同时在工况5下存在偏载作用，使得左右两侧桩体水平位移相差＞10%，所以在工程设计时，要分别进行考虑，不能按传统的对称方法进行设计。

3．2 地表沉降

在工况1—工况4下，基坑处于开挖状态，坑边不存在堆积荷载的作用。在此情况下基坑左右两侧的地表沉降是对称分布的，故以右边地表沉降为例，其地表沉降曲线见图4。

图4　工况1—工况4右侧地表沉降曲线Fig．4 Curves of subsidence of the right ground in working condition 1 to 4

从图4中可以看出：

（1）在工况1—工况4中2次模拟中基坑左右两侧的地表沉降变化曲线相似。地表沉降影响区域在距离基坑边缘0～40 m的范围内，但地表沉降主要集中在邻近基坑处。同时随着开挖深度的增加，地表沉降值也在逐步地增加。

（2）2种方案的模拟中，相同工况下最大沉降值及位置都有很大差异。在方案1中，地表沉降最大值都在位于坑边2．5 m处，从工况1下的－1．268 mm增加到工况4下－5．105 mm。而方案2中，工况1下地表沉降最大为位于坑边6 m处，其值为－0．167 mm。随着开挖深度的增加，工况2—工况4下地表沉降最大值位于坑边，其值从－1．464 mm增至－3．433 mm。地表沉降减少了31．672 mm，即32．75%。

2种方案地表沉降差异的原因是：在方案1中每个工况下都是先进行土体的开挖，在此过程中桩体先作为围护结构来抵挡侧向土压力，这使得桩体变形较大，桩后土体松动范围较大，地表沉降值较大。之后再进行锚索施工，使得桩对桩后松动的土体有一定的压实作用，其最大值出现在距坑边2．5 m处。而在方案2中施工工序得到优化，使得桩－锚共同作用得到发挥，有效地减小了地表沉降值。

在工况5中，当基坑开挖至基底后，在对底板进行施工时基坑两侧会堆积大量的施工材料，同时又因为施工单位的需要，在基坑两侧堆积的施工材料不同，使得在基坑两侧产生不对称的偏载。在该情况下对地表沉降的影响见图5。

图5　工况5地表沉降曲线Fig．5 Curves of subsidence of ground in working condition 5

从图5可以看出，由于在坑边堆积材料使得地表沉降值发生了“突变”，同时两侧坑边堆集荷载不同所产生的地表沉降值有较大的不同，但2个方案下左右两侧地表沉降曲线趋势基本一致，并且最大值都发生在距坑边2．5 m处。在方案1下左侧地表沉降为－16．62 mm，右侧为－34．1 mm。方案2下左侧地表沉降为－14．75 mm，右侧为－32．3 mm。

3．3 桩体弯矩

在工况1—工况4中，左右两侧的桩体所受弯矩对称，故只列出左侧桩体的弯矩图。同时在此约定方案1中桩体所受的最大弯矩记为M1，方案2中桩体所受的最大弯矩记为M2。工况1—工况5桩体弯矩如图6所示。

（1）在工况1中（图6（a）），基坑全场开挖至设计标高－7．2 m，即桩顶以下3 m处。2个方案在该过程中都完成了第1道锚索的施工并发挥作用。

从图6（a）可以看出，2个方案下桩体弯矩的变化曲线相似，都发生在桩顶以下0～11 m的范围内。但是方案1下M1位于桩顶以下8．45 m处，其值为679．01 kN·m。而在方案2下M2位于桩体以下3 m处，其值为238．38 kN·m。可以看出施工工序的不同对桩体弯矩的影响很大。

（2）在工况2中（图6（b）），基坑全场开挖至设计标高－13．7 m，即桩顶以下9．5 m。2个方案在该过程中都完成了第2道锚索的施工并发挥作用。从图6（b）可以看出，桩体弯矩变化主要集中在桩顶以下0～13 m的范围内。同时2个方案中最大弯矩的位置向下移动至桩顶以下9．97 m，其中M1为1 132．69 kN·m，M2为606．31 kN·m。

（3）在工况3中（图6（c）），基坑全场开挖至设计标高－20．2 m，即桩顶以下16 m。2个方案在该过程中都完成了第3道锚索的施工并发挥作用。

从图6（c）可以看出，桩体的弯矩变化主要集中在桩顶以下0～20 m的范围内，同时在15～20 m的范围内产生不利弯矩。方案1下M1位于桩顶以下9．42 m处，其值为932．19 kN·m。而在方案2下M2位于桩体以下8．91 m处，其值为458．21 kN·m。可以看出相比工况2，2个方案桩体最大弯矩值都有所减小，同时最大值位置都发生了上移。这是因为预应力锚索3的作用，抵消了一部分侧向土压，有效抑制了桩体内不利弯矩的增长。

（4）在工况4中（图6（d）），基坑全场开挖至基底，即桩顶以下25 m。2个方案在该过程中都完成了第4和第5道锚索的施工并发挥作用。

从图6（d）可以看出，桩体的弯矩变化主要集中在桩顶以下0～25 m的范围内，相比工况3，桩体以下15～20 m内的不利弯矩得到了减小。M1，M2位置保持不变，但其值有所增加。M1增至973．94 kN·m，M2增至474．64 kN·m。

（5）在工况5中（图6（e），图6（f）），因基坑底板施工，在基坑两侧堆积不同材料，形成不对称偏载。在此偏载作用下，左右桩体弯矩变形曲线如图6（e），图6（f）所示。

从图6（e），图6（f）可以看出，在堆积荷载作用下左右桩体最大弯矩位置保持不变，但其值有所增加。左侧桩体M1增至1 026．48 kN·m，M2增至537．34 kN·m。右侧桩体M1增至1 105．01 kN·m，M2增至643．44 kN·m。

从上面各个工况下桩体内力分析可以看出，2个方案中桩体的弯矩变化曲线基本保持一致，但在每个工况下2个方案桩体最大弯矩则有较大的差异。2个方案桩体最大弯矩比较见表3。

表3　桩体最大弯矩比较Table 3 Comparison of pile’s maximum moment

从表3中可以看出在工况1下桩体最大弯矩变化率是最大的，由此得悬臂开挖对桩体产生了较大的位移变化，从而导致了桩体弯矩的巨大差异。优化后的方案2使得各个工况下桩体所受到的最大弯矩值下降了41．77%以上，更加有利于基坑围护结构的安全性和稳定性。同时在工况5中受到偏载的作用，左右桩体的弯矩相差超过5%，所以在工程设计时，要分别进行考虑，不能按传统的对称方法进行设计。

4 结 论

在2种方案下，分别得到桩体的水平位移、地表沉降的变化及桩体内弯矩变化曲线，经过比较可以得到在基坑开挖过程中，施工方案的变化对基坑围护结构及周边环境影响的几点规律，为类似的工程提供参考。

（1）对于桩锚支护在第1道锚索作用之前，基坑的稳定性完全由桩单独提供，此时桩的受力状态类似于悬臂梁，底端弯矩增长过大，极不利于基坑的稳定，说明第1道锚索及时施工的重要性。

（2）在施工过程中，时常会出现超挖或是支护不及时的现象。从分析中可以看出，由于方案1中锚索施工不及时，使得桩体的位移和弯矩发生了较大的变化，尤其是在桩顶以下0～10 m的范围内桩体水平位移变化剧烈，弯矩增长速率快，容易导致内倾，严重影响施工安全。所以在基坑开挖的过程中，一定要注意在此范围内桩身的变形，加强在此阶段的检测，有利于保证工程质量，提高施工安全。

（3）对于地表沉降，基坑两侧的沉降主要集中在距离基坑边缘0～40 m的范围内。由于施工工序不同造成的土方超挖极大的影响了地表沉降曲线，地表沉降曲线也对地面堆载的变化非常敏感。所以在基坑开挖过程中应当分区分块开挖，同时也应当对存在堆积荷载的区域加强地表沉降的监测。

（4）基坑开挖具有明显的时空效应，施工工序的变化对基坑的安全性和稳定性影响很大。因此，在基坑工程的施工过程中，要注重施工工序的优化，从而保证基坑工程的安全和稳定。

参考文献：

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［11］应宏伟，郭 跃．软土深基坑分段施工效应三维有限元分析［J］．岩石力学与工程学报，2008，27（增2）：3328－3334．

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（编辑：王 慰）

Influence of Construction Procedures on the Retaining Structure and Surrounding Environment of Foundation Pit

TANG Rui，WANG Qiang，GONG Bao⁃ju，GUO Ling
（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：In order to study the influence of excavation on the internal force and deformation of retaining structures and the surrounding environment under different construction procedures，we employed Midas GTS to simulate the excavation process of deep foundation pit with different construction procedures．A deep foundation pit supported by pile⁃anchor was taken as case study．We also simulated the influence of unbalanced heaped load on the foundation

pit during the construction of base plate，and obtained the internal force and deformation of retaining structure and the ground subsidence．Results show that the horizontal displacement of retaining structure and the ground subsid⁃ence in particular were largely affected by unreasonable construction procedure，which is unfavorable for the stabili⁃ty of foundation pit．With timely anchor support，the maximum bending moment of pile decreased at least 41．77% compared with that in the absence of anchor support，ground subsidence reduced by 32．75%at least；unbalanced heaped load on the foundation pit led to more than 5%difference in the maximum moment and over 10%in the hor⁃izontal displacement of left and right piles．The research result will be helpful to the design of deep foundation pit，and offers reference for the design，construction and research of similar engineering．

Key words：construction procedure；retaining structure；displacement；internal force；surrounding environment；deep foundation pit

通讯作者：王 强（1978－），男，河北定州人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事岩土工程及环境岩土工程的研究，（电话）18055430508（电子信箱）wangqiang0711＠163．com。

作者简介：汤 瑞（1992－）男，安徽含山人，硕士研究生，主要从事基坑工程方面的研究，（电话）15055429203（电子信箱）tangrui19920210＠163．com。

基金项目：中国博士后科学基金（2014M561806）；中国建筑总公司项目（CSCEC2013Z10）；安徽省博士后科学基金（2015B046）

收稿日期：2014－11－07；修回日期：2014－11－27

中图分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0059－06