基坑开挖方式的对比研究

康 鹏 王亚东 岳夏冰 马豪豪 袁 帅

(1.中电建路桥武汉投资发展有限公司，湖北 武汉 430200；2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

1 引言

基坑工程是建筑物基础和大型地下工程建造过程中一个早已存在的课题，也是一个涉及广泛的岩土工程问题，具有技术复杂，综合性强等特点，同时又具备事故多发性[1-2]。基坑开挖涉及土方开挖，降水，施工管理，现场监测，相邻场地施工，既有建筑物相互影响等相关问题，其施工过程不仅要保证基坑自身的安全与稳定，还要严格控制基坑周围地层移动以保护周围环境[3]。实践表明，施工困难，开挖过深的基坑以及复杂基坑环境可能造成的施工变形和基坑施工可以通过合理的信息化施工加以控制。

本文武汉江南泵站泵房部分为研究对象，如图1中左侧部分。该泵站基坑长度115m，最小宽度21m，最大宽度68m，开挖深度11.15m～15.8m，它位于长江右岸，主要用于雨水抽排工作，同时也担负着污水处理厂的尾水排放工作。

图1 江南泵站支护结构示意图

2016年夏天武汉出现排水问题之后要求该工程要提前投入使用，工期由原来的2年4个月缩减为7个月。由于工期被大大压缩，势必要更改原定施工方案。因此须对此条件下的基坑进行深入研究，论证开挖方案。本文在总结国内外相关研究现状的基础上，利用有限元软件MIDAS构建有限元计算模型，通过总结分析，给出不同开挖方案对基坑变形的影响程度，为基坑开挖方案的选取提供一定的理论支持。

结合实际工况，选择盆式开挖和岛式开挖两种方式进行了有限元模拟分析。模型建立过程中，将该基坑模型大致分为了八块，这样分的目的主要是为了减少研究时间以及减少研究过程中产生的错误。针对基坑平面的八块简易模型，运用迈达斯软件对各种开挖方式进行了模拟，对比它们之间引起不利面的位移，从中选择出一种更可靠的开挖方式，并在后续的研究中，争对这一开挖方式确定出了具体的开挖顺序。

2 开挖方案探讨

2.1 分层开挖

结合给出的基坑平面形状不规则，跨度较大的工程概况。基于地勘报告，可以分别使用放坡和锚杆的复合型支护两种方式，具体实施方案，最大开挖深度为8m,放坡形式用于2m以上的开挖，长螺旋钻孔灌注桩与锚杆行支护用于2m以下的开挖。初步选型基坑开挖方案，通过基坑土方开挖原理与经验规律。

首先，为满足基坑支护结构的正常施工，把基坑剖面中沿深度方向分为以下几层(设坡顶的标高0m)。

第一分层：2m以上部分按1:1的坡度放坡开挖，先进行放坡开挖施工，再进行止水桩与深层灌注桩的施工；

第二分层：-2m-3m至之间土方开挖，后2.5m在处施工依次施工支护；

第三分层：-3m至5.5m之间土方，后在-5m处再施加支护；

第四分层：-5.5m至8m之间部分，完成剩余土体的开挖。

无论采用哪种分块方式，分块后都是要先开挖邻近四周保护构建物的分块，形成围护控制周围土体的变形后，再开挖剩余的土方。经过讨论，符合条件的开挖方案有两种：(1)岛式开挖；(2)盆式开挖。

2.2 分块开挖

开挖方案：开挖顺序根据分块的尺寸大小的不同而千差万别。然而分块开挖的前提是各子块的工程量大致平衡得以保证之后，优先施工周边较差的土块作为开挖顺序。依据各块周边的环境，把本基坑大致分为工作量均衡的四等块以此阐述分块的问题。

分析：由于工程状况的影响，无法做到百分之百的均分。分块方式可根据周边荷载环境，土体状况，水文状况等做出分块。但无论是哪一子分块，都存在一定的资源浪费。

2.3 岛式开挖

开挖方案：分步开挖根据基坑的分层分为两步开挖：第一步，选择一定范围内的土体，开挖的同时设置支护，并且讨论各块土地的分块范围和施工顺序通过各边保护建筑的重要性和施工的组织措施。除此之外，还需要分段处理各块土体，如果分块土方量多大。第二步，在第一步完成之后再开挖中间主要部分土体块。

分析：工作中投入主要的人力，物力，有明显的工作主次，即岛式开挖的特点。为了使基坑围护体系抑制和抵抗基坑变形与基坑周围土体位移较早发挥其作用，应该率先施工基坑四周的支护结构。与此同时，围护体系暴露的时间由于基坑围护体系过早的形成而增加，围护体系可能随暴露时间的增长而变形。除此之外，基坑周边由于本基坑场地紧凑而没有堆积材料的地方，并且只有一个出土口。釆用岛式开挖出土路线安排不方便，对施工管理者水平要求过高。

2.3 盆式开挖

开挖方案：将基坑平分为盆中和盆厚两个部分，盆厚为预留部分。以盆中部分的土体先挖，预留部分即盆厚部分土体后挖的顺序进行开挖。为了高校组织施工和有效控制基坑变形，在开挖过程中，是否需要进一步采用分段与分块等开挖方式通过分析盆中部分和盆厚部分土体的大小。先开挖盆中分块土体，同时，开挖方式和开挖顺序需要根据模型和各块对应基坑便捷的不利条件来讨论确定。

分析：基坑变形得以有效控制，进而基坑挖周围环境的影响被有效降低即为盆式开挖的特点。区别于岛式开挖，盆式开挖注重体系施工的及时围护，通过围护得以有效控制变形。周围环境通过围护的早期形成，围护控制基坑变形有效降低。

3 开挖方式的有限元模拟计算

为进一步优化开挖方案，需要首先对原支护形式进行有限元模拟计算，由于本次基坑开挖模型面积较大，形状不规则，各个开挖面支护不尽相同，若以整个基坑开挖为研究对象，将给分析带来一定的困难(设备要求高、耗时长)。而且在基坑开挖过程中，我们的研究主要方向是基坑的最不利边的影响，在模拟基坑开挖过程中，只需要对该边以及邻近条件加以模拟，并不需要将基坑整体纳入研究对象。为此在建立模型的时候选取邻近建筑物边的泵房部分作为研究对象。

3.1 有限元模型的建立

采用大型通用有限元软件MIDAS对基坑进行模拟计算。综合考虑各方面的影响因素后，本文选取M-C模型，来对基坑的稳定性问题进行研究[4-9]。

1.材料参数选取。各层土体的力学计算参数，如表1所示；钢筋混凝土地下连续墙及支撑的计算参数，如表2所示。

表1 土层参数表

表2 支护结构参数表

2.模型建立。 采用二维面扩展为实体的方式建立基坑模型， 网格划分中， 邻近基坑土体部分网格尺寸较密。 为了使模拟基坑开挖过程与实际工程施工相一致, 利用“生死”单元来对开挖过程进行模拟， 具体过程如下： 同时建立土体和支护结构模型并进行网格划分， 进行单元组及材料参数定义； 在建立地应力平衡时， 将支撑部分“杀死”， 在开挖过程中， 架设支撑时， 利用单元属性可以改变的特性， 选择相应的单元属性来激活支撑。 所建立模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

3.2 不同开挖方式结果分析

图3、图4及图5分别是盆式开挖及岛式开挖两种开挖方式下对应的基坑整体变形云图、Y向和Z向位移云图，从图中可以看出，两种开挖方式完成后基底及开挖面所产生的位移分布云图一致。将两种开挖方式对应的变形最大值汇总于表3。可以看出，岛式开挖在基坑开挖完毕后的整体位移，Y和Z方向上所产生的最大位移，位移差均偏小，从而可以得出结论，该基坑可采用岛式开挖方式可最低限度降低基坑开挖产生的土体变形和位移。

(a)盆式开挖

(b)岛式开挖图3 基坑整体竖向位移云图

(a)盆式开挖

(b)岛式开挖图4 基坑Y向位移云图

(a)盆式开挖

(b)岛式开挖图5 基坑Z向位移云图

因素 工况整体位移Y向位移Z向位移盆式开挖81.01748.24680.9627岛式开挖79.632247.467979.5768

4 基坑变形控制措施

基坑开挖和支护结构施工过程中，基坑变形的发展过程是逐步产生的。同时考虑开挖、施工过程中的降水，由于雨水淤积，破坏了原有的地下水平衡，导致了基坑内外出现渗流现象，严重影响基坑整体变形。因此，支护结构及防排水施工工艺的好坏将严重影响基坑的整体变形和位移。主要从以下三个方面进行控制：(1)支护结构的控制施工；(2)做好基坑降水、排水控制措施；(3)基坑周边环境抵抗变形能力的变形控制措施。

5 结 论

本文对基坑的常见土方开挖方式进行了总结，归纳其开挖过程，开挖方式的优缺点以及适合其使用的条件。结合具体的工程状况，对不同的开挖方式进行有限元模拟，并确定出合适的开挖方式。同时从实际出发，提出了基坑变形控制的措施，主要得出以下结论：

(1)对分层、分段、顺序开挖、盆式开挖、以及岛式开挖定性分析了各开挖方式在抑制基坑开挖变形的不同之处，并讨论了各方式的使用条件了优缺点。

(2)结合实际工况，针对基坑平面的八块简易模型，选择盆式开挖和岛式开挖两种方式进行了有限元模拟分析，得出岛式开挖方式所产生的变形均小于盆式开挖方式。

(3)从对支护结构的施工工艺、基坑的降排水、基坑周边环境的控制来降低基坑的变形加以总结，并且在整个基坑工程中要做到严格地基坑开挖的监测任务，让“千里之堤，溃于蚁穴”的事情不可能发生。