坑中坑基坑围护结构变形的临界影响范围研究

钟　琳

(福建工程学院土木工程学院　福建福州　350108)



坑中坑基坑围护结构变形的临界影响范围研究

钟琳

(福建工程学院土木工程学院福建福州350108)

以福建省大剧院A区坑中坑基坑为工程背景，分析了内、外坑开挖的相互影响，并通过岩土工程数值分析对比研究了不同内外坑间距W、不同开挖深度H时围护结构的变形规律，发现了α(α=W/H)与内外坑相互影响程度的关系，同时利用实际工程监测数据进行验证，得出了坑中坑基坑内、外坑开挖相互影响的临界间距约为5倍的外坑或内坑开挖深度。

坑中坑;围护结构;临界间距

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0　引言

坑中坑基坑由于内、外坑的相互影响牵制，给围护结构设计、支撑体系设置、以及基坑的稳定控制增加了难度，若考虑不周可能会酿成安全事故。近年来随着城市地下空间的发展，大型商场、地下综合体、交通枢纽等不同类型的基坑工程因为建筑(构)物型式或一体化施工等因素，出现了较多坑中坑基坑工程，而且呈现数量增多、规模加大的趋势，但现行的规范[1]中并没有针对坑中坑基坑设计的相关规定说明，且目前针对该类型基坑的成熟研究也相对较少。龚晓南[2]建议坑中坑基坑应该考虑内坑对外坑围护结构稳定和变形的影响；徐意智[3]在考虑各种不同情况下的内坑与外坑相对位置、内坑开挖宽度和深度的基础上，提出了等效深度的概念和等效深度系数、等效影响角的参数；申明亮[4]探讨了内坑的影响机理并研究了考虑内坑影响的坑中坑基坑被动土压力叠加算法等。

坑中坑基坑与常规基坑的不同在于：

⑴内坑开挖形成的侧向卸载使得内、外坑之间的土体由外坑开挖时的被动区变成内坑开挖时的主动区，即作用在外坑围护结构上的被动土压力较之前会减小，减小的幅度甚至可能高达75%[4]。

⑵外坑的存在相当于加在内坑上的荷载，且外坑围护结构向开挖侧产生的变形可能会增加内坑围护结构的侧压力，即作用在内坑围护结构上的主动土压力较按常规基坑计算的土压力会增大。虽然内、外坑之间的不利影响是显而易见的，但这种影响却难以简单量化，它和土层性质、内外坑之间的距离、开挖深度、支撑设置类型、围护结构的参数等多种因素有关，而现有的工程软件都很难准确地分析这些影响。

本文以福建大剧院A区坑中坑基坑为背景，通过数值模拟和实际监测，研究了坑中坑基坑开挖时不利于基坑稳定的临界影响范围。

1　工程概况

福建大剧院场地位于福州市中心，北面为五一广场，南靠东西河，西临广达路。其A区大剧场位于场地中南部，设有一个坑中坑基坑，外坑(外围基坑)开挖深度约6.0m，内坑(主台台仓基坑)开挖深度约5.5m。工程总平面示意图见图1，工程地质典型剖面图见图2，场地主要土层性状见表1。A区基坑支护采用静压沉管灌注桩(部分冲孔灌注桩)排桩，内支撑采用圆形支撑并通过连梁冠梁连接；围护桩(C25)桩径为600mm，桩中心距1.0m(由于北侧内外坑距离仅为12m，外坑北侧围护桩桩径800mm，中心距1.2m)，桩长10.10m～10.50m(内坑)、11.25m～14.85m(外坑)，外坑围护桩258根，内坑124根。外坑桩间采用水泥搅拌桩形成止水帷幕，搅拌桩桩长7.00m；且为消除层④的承压水头对坑底稳定构成的威胁，在内坑设置4口管井，抽排该层中的承压水，将承压水水位降至略低于坑底标高。

图1　工程总平面示意图

图2　工程地质剖面图(6号剖面线)

2　数值模拟

2.1基本算例

采用岩土工程专业软件FLAC二维有限差分法进行分析。将坑中坑基坑简化成对称结构，其剖面示意图如图3，土体计算参数参照表1选取，内坑开挖宽度设为40m，开挖深度H1=H2=6.0m，桩长L1=14.5m，L2=12.0m，桩径d1=d2=600mm@1 000，支撑距离桩顶0.50m，刚度取30MN/m，桩顶超载q=10kPa；排桩按照等效刚度法简化成地下连续墙，地下连续墙与土体之间采用相对同步变形界面。

图3　坑中坑基坑剖面示意图

2.2参数分析

(1)内外坑之间的间距W

分别令W=足够大(将内、外坑考虑为两个独立的常规基坑)、24.0m、18.0m、12.0m、6.0m。随着W的减小，外坑支护结构的最大位移和桩端位移增加明显，内坑支护桩桩顶位移和最大位移增加明显。当W足够大时，内外坑之间已经不会相互影响了，则其它算例与其相比的最大位移增幅可以反映内、外坑之间的相互影响程度，增幅越大说明相互影响程度越大。围护结构的位移变化见表2，可见随着W的减小，内外坑之间的相互影响增大，即W越小，对基坑的稳定越不利。

表2　W对位移的影响

(2)基坑开挖深度H

令W=12.0m，同时改变内外坑的开挖深度H，设H=3.0m、4.0m、6.0m、10.0m四种情况。

分别将各个开挖深度内、外坑支护桩的最大位移和其做为独立常规基坑时的最大位移进行比较，最大位移的增幅可以反映内、外坑的相互影响程度，增幅越大说明影响越大，围护结构位移变化见表3。可见当H递增时，内、外坑的相互影响显著增大，即H越大，对基坑的稳定越不利。

表3　H对位移的影响

2.3参数α(α=W/H)

通过进一步分析，发现当W/H比值一定时，内外坑的围护结构位移增幅呈现一定规律，将上述计算结果综合在表4中，据此提出一个判断内外坑相互影响程度的参数α(α=W/H，判断内坑对外坑的影响时，H为内坑的开挖深度；反之)。从表4中可以看出，随着α值的递减，位移增幅呈大幅度增加，更重要的是当α值一定时，位移增幅比较接近。

表4　不同模型参数的计算结果

将以上4组数据拟合成趋势线，见图4。拟合方程中，当位移增幅y=0时，可以认为内、外坑之间的相互影响可以基本忽略，计算4个拟合方程可以得出α=4.2～4.7，即当内外坑之间的距离W小于4.7倍开挖深度H时，就需要考虑它们之间的相互影响了。

图4　y-α拟合线

3　工程验证

3.1实际监测

福建大剧院支护结构排桩深层水平位移监测(测斜)，采用直径70mm测斜管埋设于围护桩内，在围护桩钢筋笼制作完成后，将测斜管绑扎于钢筋笼上，与钢筋笼同时下入桩孔内，埋设长度与桩身钢筋笼长度基本相同。A区基坑共布置了8个监测点，分别位于内、外坑的东、西、南、北各边中点，监测采用cx-01型测斜仪测试，可测读至0.01mm，开挖前取得基数。

监测历时5个月，每个监测点累计测斜47次。当内坑开挖至1/4深度时，内坑东侧因地下水位未能降至开挖标高以下导致出现突涌现象，采取措施后，地下水涌水得到控制，但此处围护桩变形量有所增加；开挖至内坑3/4深度时，遇到特大台风暴雨袭击，基坑南侧东西河的水位暴涨，漫过地面进入基坑，内坑积水，河水的暴涨大大增加了南侧基坑围护结构的侧压力，外坑南侧位移大幅增加，东、西侧位移也出现不同程度的增加，采取措施后，变形基本得到控制。

外坑东侧监测点(CXG-2)的支护桩位移-深度曲线见图5，图中的序号为按时间顺序编号的监测次数，如①为第1次监测，以此类推。其中第13次监测(外坑开挖到底)围护桩最大位移为20.53mm，第32次(内坑开挖约3/4)围护桩最大位移27.37mm，第33次(遭遇台风后)围护桩最大位移30.77mm，第42次(内坑开挖到底)围护桩最大位移31.91mm。

图5　外坑东侧(CXG-2)支护桩位移-深度曲线

其余监测点排桩桩身位移-深度曲线与CXG-2呈现类似的规律，曲线呈“弓”形，即围护桩位移自下而上逐渐增大，到基坑底开挖面附近或以上水平位移达最大值，往圈梁顶又有所减小；且随着基坑的开挖，最大位移逐渐增大，在遭遇台风的几天时间突增，开挖完成后变形基本稳定。各排桩水平位移最大值见表5。

表5　围护桩最大位移　mm

3.2临界影响范围

把坑中坑基坑分解成2个独立的常规基坑进行计算，由于外坑北侧的桩和其它地方的桩的参数有差异，分为3种情况：①外坑南、东、西侧围护结构最大位移为21.28mm；②外坑北侧围护结构最大位移为15.27mm；③内坑围护结构最大位移为14.02mm。

将坑中坑基坑实际监测得到的最大位移和做为常规基坑时理论计算得出的最大位移进行比较，得到不同α值对应的位移增幅见表6；

表6　围护桩位移增幅

因外坑南侧和内坑东侧位移异常增加，将二者排除后的数据拟合成趋势线，得出当位移增幅为0时，α=4.3～5.7。由于基坑在开挖过程中遭遇暴雨，导致外坑的位移显著增加，因此实际监测得出的α较数值模拟计算偏大，但二者结果还是比较接近。

4　影响因素

本文主要讨论了位于深厚软土层中、有支撑的坑中坑基坑，在此基础上，利用数值软件改变计算参数，可发现临界影响范围和以下参数的关系(因篇幅限制，具体分析过程见本作者已发表论文[5])：

⑴当场地的土层性质越好，对基坑的稳定越有利，内外坑支护桩的位移均大幅减小，且内外坑之间的不利影响大大降低，即临界影响范围随土层性质提高而减小。

⑵当坑中坑基坑其它参数一定时，内外坑支护桩的设计参数(桩长、桩径等)调整会引起自身位移的大幅变化，但对临界影响范围却几乎无影响。

⑶设置支撑对整个坑中坑基坑支护体系的稳定起着重要的作用，它不仅可以减小支护桩的变形，还可以大大降低内外坑之间的不利影响，即支撑的有无和临界影响范围有密切关系。

5　结论

(1)通过数值模拟和实际工程监测数据分析得出，和本文类似的坑中坑基坑的临界影响范围(即内外坑之间的距离W)约为5倍的开挖深度H。内外坑开挖深度不同时，判断内坑对外坑的影响时，H为内坑的开挖深度，反之。

(2)在深厚软土场地中，如果内外坑之间的距离小于临界影响范围，内外坑之间会产生比较大的不利影响，且外坑较内坑的开挖面大，暴露时间长，可能遭受施工中更多的不利因素，外坑的稳定控制更难，因此在外坑开挖结束后，内坑的施工应尽快完成。

需要指出的是，本文是针对特定的工程背景研究后得出的结论，对不同的工程地质、水文地质、基坑形状、支护型式等情况，坑中坑基坑的临界影响范围还需在以后的研究中进一步讨论。

[1]JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]龚晓南.关于基坑工程的几点思考[J].土木工程学报,2005,38(9):99-102.

[3]徐意智,廖少明,周小华,等.上海软土坑中坑型基坑围护的等效深度计算法[J].岩土力学,2012,33(9):2736-2742.

[4]申明亮,廖少明,邵伟.考虑内坑影响的坑中坑基坑被动土压力叠加算法[J].上海交通大学学报,2012,46(1):79-83.

[5]钟琳.多级基坑支护结构变形的关键影响因素分析[J].福建建筑,2014,191(5):84-86.

钟琳(1981-)，女，硕士，实验师，主要从事岩土工程方面的教学和科研工作。

The critical distance of the deformation of retaining structures for pit-in-pit excavation

ZHONGLin

(Department of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350108)

Based on the pit-in-pit excavation of Fujian grand theatre,the interplay between outer pit and inner pit was analyzed.The deformation of retaining structure under the conditions of different distances between outer pit and inner pit,and different depth of eacavation were analyzed by using the special geotechnical software FLAC with numerical simulation，and a relationship between α (α = W / H) and the critical influence distance of outer pit and inner pit was found;Then,the actual monitoring data of the project was analyzed.The common conclusion.that the critical influence distance between outer pit and inner pit was five times of depth of outer pit or inner pit was obtained.

Pit-in-pit excavation; Retaining structure; Critical distance

福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JB13145)；福建工程学院青年科研基金项目(GY-Z09080)

钟琳(1981-)，女，实验师。

2015-12-08

TU47

A

1004-6135(2016)01-0039-04