相邻双基坑开挖相互影响二维性状分析

叶建峰，林 海，颜桂云

(1.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室,福建 福州 350118；2.福建工程学院土木工程学院，福建 福州 350118;3.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

相邻双基坑开挖相互影响二维性状分析

叶建峰1,2，林 海3，颜桂云1,2

(1.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室,福建 福州 350118；2.福建工程学院土木工程学院，福建 福州 350118;3.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

以某实际相邻双基坑工程为原型，利用PLAXIS建立相邻基坑开挖的二维模型，采用HS土体本构模型，分析相邻基坑同步开挖对土体位移、支护结构变形与内力的影响；考虑不同开挖工序和不同基坑间距，分析相邻基坑开挖的影响范围和基坑支护结构在不同开挖工序下的变形特征.对相邻基坑同步开挖下的支护结构位移进行了实测.结果表明，邻近基坑开挖卸荷对基坑间土体沉降、坑底隆起、坑外地表沉降、支护结构内力与变形等产生明显影响.相邻基坑间距、开挖顺序和支护方式是其主要影响因素.

相邻基坑；相互影响；同步开挖；基坑间距；开挖工序

0 引言

现代城市地区建筑、交通密集，容易造成密集的基坑群施工，必然会遇上两个甚至多个基坑在同一时期进行开挖施工的情况.相邻基坑开挖的受力方式与基坑单独开挖有较大的差异，对支护结构受力、变形和周围土体变形产生影响.由于相邻基坑开挖产生的相互影响，使支护结构的受力、变形和周围环境、降水措施等变得更加复杂.在基坑的设计施工阶段必须考虑相邻基坑开挖产生的相互影响.目前，国内外的研究较少开展相邻基坑开挖相互影响的研究.沈健等[1]分析了相邻基坑不同施工工序对各自维护结构变形和支撑体系受力的影响.陈东杰等[2]以上海铁路南站相邻基坑工程为背景，分析了相邻基坑卸荷对基坑变形的影响.冀侠荣等[3]采用FLAC分析了邻地铁站基坑与商业广场基坑同步开挖的相互影响问题.郭立群等[4]分析了不同基坑间距对坑间土堤沉降、支护桩弯矩和位移的影响.王显星等[5]研究表明土体开挖卸载对拟建基坑的影响比对已建成的基坑的影响要大.Hou等[6]分析了邻近双基坑开挖相互影响，对基坑开挖提出分区开挖的方案.本研究采用PLAXIS建立相邻基坑的二维模型，探讨邻近基坑开挖卸荷对相邻基坑同步开挖与不同步开挖情况下土体位移、支护结构变形与内力等的影响；分析不同基坑间距、不同开挖工序和支护方式对基坑间土体沉降、坑底隆起、坑外地表沉降、支护结构内力与变形等的影响.并对相邻基坑同步开挖下支护结构的位移进行了监测，为相邻基坑工程的设计、施工提供理论依据.

1 工程概况

福州某相邻双基坑(A基坑与B基坑)的平面形状均接近于正方形，两基坑之间距离20 m，地下水位为地表下-4 m处，土层沿高度分布如表1所示.B基坑右侧交通量较大，故其右侧考虑10～20 m处施加10 kPa的交通荷载.A基坑开挖深度为12 m，基坑存在放坡，放坡比例设为3∶4.采用双排H700×300型钢+3道锚索的支撑形式，土体开挖到-4 m、-7 m、-10 m处，各设置一道道锚杆.B基坑开挖深度为15.5 m，支护结构采用排桩+内支撑的形式，排桩采用Φ1 200@1 500钻孔灌注桩，桩长30 m.土体开挖到-2.35、-8.35、-12.75 m处，各设置一道水平支撑.基坑支护体系如图1所示.

表1 土层材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of soils

(a)A基坑 (b)B基坑图1 基坑支护体系 (单位：mm)Fig.1 Supporting systems of foundation pits (unit:mm)

2 二维模型建立

采用PLAXIS建立二维有限元模型如图2所示，二维模型长420 m，高60 m.A基坑H型钢、放坡支护和B基坑排桩均采用刚度等效方法模拟为地下连续墙,等效后计算参数如表2所示.A基坑锚杆采用点对点锚杆模拟自由段，土工格栅模拟锚固段，锚杆自由段轴向刚度EA为6×105kN·m-1，锚固段弹性模量E为3×107kN·m-2，锚固体直径D为0.16 m，侧摩阻力Ttop,max为150 kN·m-1,钢管斜撑轴向刚度为5×106kN·m-1.B基坑采用C30钢筋混凝土内支撑，截面为0.8 m×1.2 m；内支撑立柱为钢结构箱型杆件，截面为0.32 m×0.32 m.在PLAXIS模型底部施加固定约束，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.

图2 相邻双基坑二维分析模型Fig.2 Two-dimensional models for twinajacent excavations

表2 排桩(板)、H型钢(板)和放坡支护(板)计算参数Tab.2 Parameters of row pile，H-section steel and step-slope

注：G为切变模量

计算步骤：

工序1：施加初始应力场；

工序2：施加交通荷载，其值为10 kPa·m-1,B基坑施加排桩；

工序3：A、B基坑第一层土体分别降水至-4.5 m与-2.7 m；

工序4：A、B基坑第一层土体分别开挖4 m与2.35 m；

工序5：A基坑施加H型钢，放坡支护；

工序6：B基坑施加第一道内支撑，A基坑施加第一道锚杆；

工序7：A、B基坑第二层土体分别降水至-7.5 m与-8.7 m；

工序8：A、B基坑第二层土体分别开挖3 m与6 m；

工序9：B基坑施加第二道内支撑，A基坑施加第二道锚杆,施加钢管斜撑;

工序10：A、B基坑第三层土体分别降水至-10.5 m与-13.20 m；

工序11：A、B基坑第三层土体分别开挖3 m与4.4 m；

工序12：B基坑施加第三道内支撑，A基坑施加第三道锚杆；

工序13：A、B基坑第四层土体分别降水至-12.5 m与-16 m；

工序14：A、B基坑第四层土体分别开挖2m与2.75 m.

3 相邻基坑同步开挖性状分析

3.1 基坑土体变形分析

图3 基坑有限元网格变形Fig.3 Deformation of FEM for foundation pits

相邻基坑开挖到坑底后，网格变形如图3所示.图3表明，基坑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号桩和2号桩向坑内呈悬臂型变形，B基坑3号桩和4号桩向坑内凸向变形.

图4 相邻基坑地面沉降Fig.4 Surface settlement of adjacent foundation pits

图4为开挖过程中A基坑左侧地面、A、B基坑中间地面和B基坑右侧地面的沉降情况.图4表明，地面沉降呈凹槽型，A基坑左侧地面最大沉降发生位置为0.75H，最大沉降值为0.004 8H(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，最大沉降发生在距基坑边缘0.97H，最大沉降值为0.005 1H.两基坑间地面最大沉降发生在两基坑的中间位置，最大值为0.007 4H.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5为开挖过程中A基坑和B基坑的坑底隆起曲线.图5(a)表明，A基坑在第一层开挖阶段，坑底中间部分隆起较小，两侧围护墙向坑内变形，围护墙附近土体隆起量大于中间土体.第二层和第三层开挖阶段，坑底隆起为开挖卸载产生的弹性变形，隆起呈中间大两边小的“锅底”型.第四层开挖阶段，左侧围护结构向基坑内变形，进一步挤压坑内土体，使坑底土体发生塑性变形，隆起量大幅度增加.由于两基坑同时开挖引起的卸荷作用，导致A基坑右侧隆起量小于左侧.开挖到坑底后，左侧最大隆起值为0.002 1H，发生在距1号桩1.33H处.

图5(b)表明，B基坑在第一层开挖阶段，坑底最大隆起出现在右侧，从左至右逐渐增大.第二层和第三层开挖阶段，坑底隆起为开挖卸载产生的弹性变形，隆起曲线呈中间大两边小的“锅底”型.第四层开挖阶段，右侧围护结构向基坑内变形，进一步挤压坑内土体，使坑底土体发生塑性变形，隆起量大幅度增加.开挖到坑底后，右侧最大隆起值为0.002 1H，发生在4号桩左侧0.64H处.

图5 相邻基坑坑底隆起Fig.5 Basal-heave of adjacent foundation pits

3.2 支护结构水平位移分析

图6为支护桩在开挖过程中的最大水平位移，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.

图6(a)表明，A基坑随着开挖进行，1号桩最大位移均发生在接近桩顶位置，即放坡坡脚位置，约为0.005 5H(H为基坑开挖深度).桩身位移由桩顶向桩底逐渐减小，位移曲线与悬臂结构相似.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.图6(b)表明，2号与1号桩相似，2号桩位移曲线与悬臂结构相似，最大水平位移发生在第二层土体开挖面位置，由于B基坑开挖卸荷，2号桩承受的土压力较小，最大水平位移仅为1号桩最大水平位移的0.31倍.

由图6(c)、(d)表明，3号桩和4号桩在开挖过程中水平位移变化规律相似，第一层土体开挖后，桩身水平位移较小，最大水平位移出现在桩顶.随着开挖进行，桩身水平位移逐渐增大，最大水平位移发生位置逐渐下移，开挖结束后，最大水平位移发生在4号桩接近坑底位置，约为0.003 7H，位移曲线呈中间大两头小的“外凸”型曲线.开挖到坑底后，由于A基坑开挖卸荷，3号桩承受的土压力较小，最大水平位移为4号桩最大水平位移的0.55倍.

此外，图6中给出了支护结构位移的实测值.因为实际施工开挖工况复杂，故只能对开挖至坑底标高时的状态进行对比.结果表明，支护结构位移实测值小于理论计算值，两者变化规律基本吻合.

图6 基坑支护桩水平位移Fig.6 Horizontal displacementof retaining piles of excavations

3.3 相邻基坑支护结构内力分析

图7为相邻基坑支护结构在开挖过程中的弯矩变化.由图7(a)、(b)表明，第二层土体开挖结束后，A基坑1号、2号桩身弯矩较小，弯矩曲线呈“双峰”型，在第二层土体开挖后坑底位置出现第一个波峰，中砂层中弯矩沿桩身往下先减小后增大，在砂土层与粉质粘土层交界处出现第二个波峰，这是由于中砂弹性模量较大，粉质粘土弹性模量相对较小，土层刚度差异导致桩身弯矩在土层交界面位置出现峰值.在第三层和第四层开挖阶段，弯矩逐渐增大，“双峰”型曲线更加明显，峰值都出现在开挖坑底和中砂层与粉质粘土层交界位置.由图7(c)、(d)表明，B基坑3号、4号桩在第一层土体开挖阶段，桩身弯矩较小，第二层和第三层开挖阶段，弯矩最大值位置随开挖进行逐渐下移，发生在开挖面位置.第四层开挖阶段，3号桩弯矩最大值出现在开挖坑底位置，而4号桩弯矩最大值则出现在中砂层和粉质粘土层交界面.

图7 基坑支护桩弯矩图Fig.7 Momentof retainning piles of foundtion pits注：水平箭头表示每层土体开挖面位置

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.基坑间距的大小决定影响的强弱.将基坑间距分别取为20、30、40、50和60 m研究基坑间距对开挖性状的影响.

图8为不同基坑间距情况下基坑间地面的沉降.图8表明，基坑间距为30 m和40 m时，基坑间地面沉降值最大，叠加影响最大.基坑间距继续增大，沉降值逐渐减小，叠加影响减弱.基坑间距在20～40 m范围内，最大沉降值发生在中间位置，间距增大到50 m和60 m后，沉降最大值发生位置逐渐向右移动，靠近B基坑.

图8 不同间距基坑间地面沉降Fig.8 Surface settlements between twin excavations underdiferent distance

图9 不同间距基坑间土体沉降Fig.9 Surface settlements between twin adjacent excavationsunder different distances

图9为不同基坑间距对基坑中间土体沉降的影响，将基坑间距进行归一化处理.图9表明，基坑间距为30 m和40 m时，基坑间地面沉降值最大，最大沉降位置发生在中间位置.基坑间距增大，叠加影响减小，沉降值减小，最大沉降发生位置右移.间距50 m时，最大沉降位于0.6倍基坑间距处.间距60 m时，最大沉降位于0.7倍基坑间距处.基坑间距为20 m时，基坑间地面沉降也受叠加影响，但A基坑锚杆离B基坑围护墙较近，锚杆的存在，提高了基坑间土体刚度，沉降值较30 m和40 m情况小.

图10为不同基坑间距对基坑支护桩水平位移的影响.由图10(a)、(b)表明，由于A基坑和B基坑宽度均较大，在不同基坑间距情况下基坑开挖对相邻基坑远端支护桩变形的影响均很小.由图10(c)、(d)表明，当基坑间距较小时，2号桩和3号桩的水平位移随着基坑间距的增大而增大，当基坑间距增大到40 m以后，2号桩和3号桩的水平位移变化减小，趋于相等.基坑间距在20～40 m变化时，近端支护桩位移增大幅度较大，随着基坑间距呈线性变化.基坑间距在40～60 m变化时近端支护桩位移增大幅度逐渐减小.由此可见，基坑间距增大，相邻基坑开挖卸荷作用减弱.

图10 不同间距下基坑支护桩水平位移Fig.10 Horizontal displacementsof retaining piles under different distances

图11为不同基坑间距对相邻两基坑的坑底隆起的影响.图11表明，不同基坑间距对远端坑底隆起影响很小.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.两基坑同时开挖时，基坑间距的影响范围为2.5～3.0倍基坑开挖深度.

同时，由图10、图11可知，基坑间距从20 m增大至60 m时，2号支护桩水平位移增大幅度为117.5%，坑底隆起增大幅度为19.2%；3号支护桩水平位移增大幅度为53.5%,坑底隆起增大幅度为19.8%.因此，基坑间距的变化对坑底隆起的影响要小于对支护结构的影响.

图11 不同间距基坑坑底隆起Fig.11 Basal-heave of foundation pits under different distances

图12 支护桩最大水平位移与基坑间距关系Fig.12 Relationship between horizontal maximum displacements ofretainning piles and and excavation distances

图12为支护桩最大水平位移与基坑间距关系.图12表明，由于基坑宽度较大，基坑间距对远端支护桩位移没有影响.近端支护桩位移随着基坑间距的增大而增大.基坑间距到达60 m后，近端支护桩水平位移小于远端，主要由于基坑间土体水位随开挖降水步骤近似水平降低，水位降低减小了主动区土体侧压力，桩身位移减小.基坑远端土体水位以排水井为中心呈漏斗状，地下水位高于中间土体，开挖引起的位移较大.

5 相邻基坑不同步开挖性状分析

相邻基坑开挖受力模式与基坑单独开挖不同，支护结构变形受相邻基坑开挖顺序影响，为研究相邻基坑不同开挖顺序对支护结构变形的影响，将A基坑和B基坑不同步开挖分为4种工况，分别建立有限元模型，得到支护结构的最终变形曲线，并与单独开挖和同步开挖情况进行比较.4种工况分别为：

工况1：A基坑超前开挖两层土体，B基坑才开始第一层土体开挖；

工况2：A基坑超前开挖四层土体，也就是A基坑开挖完成后，B基坑才开始第一层土体开挖；

工况3：B基坑超前开挖两层土体，A基坑才开始第一层土体开挖；

工况4：B基坑超前开挖四层土体,也就是B基坑开挖完成后，A基坑才开始第一层土体开挖.

5.1 开挖步骤对支护结构水平位移的影响

图13为不同开挖工况下A基坑和B基坑开挖到坑底后支护桩水平位移.图13(a)、(b)表明，A基坑先开挖工况下，对1号桩水平位移几乎没有影响，而后开挖的B基坑4号桩最大水平位移大于其他工况.在B基坑先开挖工况下，4号桩变形变化很小，1号桩水平位移大于其他工况.表明后开挖基坑远端围护结构位移偏向先开挖基坑方向，水平位移增大.

图13(c)、(d)表明，单独开挖情况下，2号桩和3号桩水平位移最大，其他工况下水平位移则较小，表明相邻基坑开挖卸荷减小了近端围护结构位移.A基坑先开挖情况下，3号桩由朝向坑内位移转变为朝向A基坑的位移；B基坑先开挖情况下，2号桩向坑内的位移减小，B基坑超前开挖越多，2号桩位移越小.后开挖基坑围护结构位移整体偏向先开挖基坑方向，且先开挖基坑超前越多，偏移越明显.

2号桩单独开挖情况下位移最大，相邻基坑开挖情况下，位移随A基坑超前开挖减少而减小，与单独开挖情况下的位移差别增大.3号桩最大水平位移亦是如此，随B基坑超前开挖的减小，位移由朝向坑内变为朝向坑外，与单独开挖情况下的位移差别增大.以上情况表明先开挖基坑超前开挖越多，基坑近端围护结构水平位移与单独开挖情况差别越小，而后开挖基坑近端围护结构与单独开挖情况差别越大，同步开挖情况介于两者之间.

相比于同步开挖情况，在A基坑先开挖情况下，2号桩水平位移大幅增加，3号桩水平位移由坑内转向坑外，位移值也大幅增加.在B基坑先开挖情况下，A基坑2号桩位移减小，3号桩向坑内位移增加，但由于B基坑支撑体系刚度较大，位移增幅不大.因此，开挖尺寸断面相近的相邻基坑时，开挖顺序首选同时开挖，其次是先开挖支撑刚度大的基坑，最后为先开挖支撑刚度小的基坑.

图13 不同工况支护桩水平位移Fig.13 Horizontal displacements ofretainning piles under different cases

5.2 后开挖基坑对先开挖基坑的影响

图14 不同开挖顺序下支护桩水平位移Fig.14 Horizontal displacements ofretainning piles under different excavation sequences

相邻基坑开挖，后开挖基坑向先开挖基坑方向偏移，而后开挖基坑的开挖过程对先开挖基坑围护结构位移也有影响，采用一侧基坑开挖结束另一侧基坑再开始开挖工况，也就是工况2和工况4进行分析.

A、B基坑宽度较大，后开挖基坑对先开挖基坑远端围护结构位移影响较小，主要考虑对近端围护结构位移的影响.图14为A基坑2号桩和B基坑3号桩的水平位移.由图(a)表明，2号桩在A基坑开挖至坑底后水平位移为0.005 4H，B基坑开挖过程中2号桩水平位移逐渐减小，B基坑开挖结束后2号桩最大水平位移为0.003 1H，减小25.2%.由图(b)表明，3号桩在B基坑开挖至坑底后的最大水平位移为0.003 3H，A基坑开挖结束后，3号桩最大水平位移减小至0.003 0H，减小8.6%.以上情况说明后开挖基坑对先开挖基坑有单侧减小荷载的作用，使先开挖基坑向后开挖基坑方向移动，先开挖基坑近端围护结构位移减小.水平支撑刚度较小基坑移动程度大于水平支撑刚度较大基坑.

6 结论

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.相邻基坑中间地面受相邻基坑开挖沉降叠加影响，沉降量大于基坑另一侧地面沉降量.

2)基坑间距在20～40 m时，相邻基坑间地面沉降值最大，沉降叠加影响最大.基坑近端围护结构变形和坑底隆起随基坑间距增大而增大，相邻基坑开挖卸荷影响减小.基坑间距在40～60 m时，卸荷影响减小，围护结构变形和坑底隆起趋于稳定.本研究认为两基坑同时开挖时，基坑间距的影响范围为2.5～3.0倍基坑开挖深度.基坑间距对围护结构变形影响大于坑底隆起.

3)相邻基坑不同步开挖，后开挖基坑围护结构位移整体偏向先开挖基坑方向.先开挖基坑超前开挖越多，基坑近端围护结构水平位移与单独开挖情况差别越小，而后开挖基坑近端围护结构与单独开挖情况差别越大，同步开挖情况介于两者之间.

4)开挖尺寸断面相近的相邻基坑时，开挖顺序首选同步开挖，其次是先开挖支撑刚度大的基坑，最后为先开挖支撑刚度小的基坑.

5)后开挖基坑开挖，使先开挖基坑向后开挖基坑方向移动，水平支撑刚度较小基坑移动程度大于水平支撑刚度较大基坑.

[1] 沈健.超大规模基坑工程群开挖相互影响的分析与对策[J].岩土工程学报,2012,34(增刊):272-276.

[2] 陈东杰.上海铁路南站相邻基坑施工技术研究[D].上海：同济大学，2004：12-13.

[3] 冀侠荣,魏青,路霞.相邻深基坑同期施工的相互影响问题研究[J].河南科学,2010,28(4):456-459.

[4] 郭力群，程玉果，陈亚军.不同间距下相邻基坑相互影响数值分析[J].华侨大学学报(自然科学版),2014,35(1):92-96.

[5] 王显星． 开挖卸载对相邻基坑围护结构内力的影响[J].铁道建筑技术，2005(2)：46-49.

[6] HOU Y,WANG J,ZHANG L.Finite-element modeling of a complex deep excavation in Shanghai[J].Acta Geotechnica,2009,4(1):7-16.

(责任编辑：林晓)

Two-dimensional characteristic analysis on interaction effect of twin adjacent excavations

YE Jianfeng1,2，LIN Hai3,YAN Guiyun1,2

(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou,Fujian 350118,China;2.Department of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou，Fujian 350118，China;3.College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou,Fujian 350116，China )

A two-dimensional finite element model for the actual twin adjacent foundation pits was established by PLAXIS software,in which the Hardening Soil model was used as the soil constitutive model.The impacts of synchronous excavation on the displacement of surrounding soils,internal forces and deformations of supporting structures of the adjacent foundation pits were discussed.Also,the range of influenced surrounding soils of adjacent excavations and the deformation features of supporting structures were investigated by considering excavation sequence and different distance between adjacent excavations.Further,the deformations of supporting structures under synchronous excavation were measured.The results indicate that the uploading due to ajacent excavation exerts significant impacts on soil settlement between the twin adjacent excavations,basal-heave,surface settlement outside the excavations,internal force and deformation of supporting structures.The distance between adjacent excavations,excavation sequence and supporting pattern are the main influencing factors.

adjacent foundation pits；interaction；synchronous excavation；distance between adjacent excavations；excavation sequence

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0190

1000-2243(2017)02-0190-09

2016-05-16

颜桂云(1974-)，副教授，主要从事防灾减灾工程与岩土工程研究，yanguiyun@sina.com

国家自然科学基金资助项目(41272299)；福建省高校专项基金资助项目(JK2011034)；福建省教育厅重点资助项目(JA14210)；福建省自然科学基金资助项目(2014J01171)

TU753

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