软土地区相邻基坑开挖的相互影响分析

陶东军，张浩文，孔德骏

(1.苏州市轨道交通集团有限公司， 江苏 苏州 215000；2.苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 210000)

现代城市建设中由于设计规划、工期安排等原因，相邻基坑工程同期施工的情况屡见不鲜[1-4]。与单个基坑相比，相邻基坑之间存在明显的耦合作用，围护结构的变形、受力和对周围环境的影响也变得更加复杂[5-9]。特别是在软土地区，由于淤泥质土层强度低、刚度小等特点，相邻基坑开挖的相互影响效应尤为显著。

目前，对于相邻基坑同期施工的问题已有较多的研究。张中杰等[10]结合3个同期施工基坑的监测数据，分析了基坑施工过程中的围护墙变形、围护墙顶部位移、支撑轴力和立柱竖向位移的变化规律。张竹庭[11]采用二维数值模拟分析了相邻基坑交界区域土坡的稳定性。叶建峰等[12]讨论了相邻基坑开挖的失效机理和破坏模式。岳树桥等[13]探讨了同步开挖相邻基坑间有限宽度土条主动土压力的计算方法。

本文以软土地区某相邻基坑工程为背景，应用三维有限元数值模拟，对比分析不同施工工况下围护墙位移、坑外地表沉降和支撑轴力的变化规律。

1 工程概况

某商住综合体项目位于软土地区，该项目基坑平面长98.9 m，宽74.5 m，开挖深度约10.1 m。北侧邻近有一近期施工的地铁车站项目，车站基坑长219.6 m，标准段宽21.3 m，端头井宽26.5 m，开挖深度约18.5 m。综合体基坑及车站基坑均采用内支撑形式的板式支护体系，支护结构平面布置情况如图1所示。

图1 基坑支护结构平面布置图

综合体与车站基坑均采用800 mm厚地下连续墙围护，墙体深度分别为25.5 m及35.8 m。其中，综合体采用2道混凝土内支撑体系，车站采用第1道混凝土支撑、第2—第5道钢支撑体系。综合体基坑距离车站基坑端头井最近处不足20 m，本文主要讨论车站基坑实施对综合体基坑的影响。支护结构竖向布置情况如图2所示。

图2 基坑支护结构竖向布置图(单位：mm)

工程场地位于软土地区，车站基坑位于城市道路中央，综合体基坑位于路侧的人工平整场地内，地面标高1.90 m～2.42 m，工程地质平面情况较为简单。土层剖面分布情况如图3所示。

图3 工程地质剖面图

2 基坑三维数值模拟

2.1 模型概况

为了模拟车站基坑开挖对综合体基坑影响的空间效应，采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型。基坑范围、支护结构采用实际尺寸进行建模。考虑尽可能减小边界条件对基坑的影响并保证一定的计算速度，将整个模型在三个方向进行拓展，整体模型x向长420 m，y向宽300 m，z向深60 m。划分好网格的支护结构及整体有限元模型如图4、图5所示，整个模型的单元数量在44万个左右，节点数量在30万个左右。采用“生死单元法”模拟基坑土体的开挖和支护结构的施工。

图4 支护结构有限元模型

图5 整体有限元模型

2.2 材料参数

为方便材料参数的取值，土体采用莫尔-库仑本构模型，弹性模量根据经验取5倍的压缩模量，泊松比根据静止侧压力系数换算得到，具体参数如表1所示。

模型中采用梁单元模拟冠梁、支撑、立柱桩及格构柱，采用板单元模拟地下连续墙，基坑支护体系各构件均采用理想线弹性本构模型，钢材泊松比取0.3，混凝土泊松比取0.2，具体构件参数如表2所示。

表1 土层参数表

表2 支护结构构件参数表

2.3 模拟工况

受工期控制，综合体与车站基坑拟采取同步施工，即同步开挖第1至第3层土，然后车站基坑再开挖第4、第5层土至基底，施工流程如表3所示。上述同步施工工况定义为工况3。同时，为了比较分析不同施工顺序下车站基坑实施对综合体基坑的影响，补充2个模拟工况：工况1，综合体单独开挖，即仅施工表3中综合体基坑内容；工况2，综合体与车站先后开挖，即在施工完表3中综合体基坑内容后再施工车站基坑内容。

3 结果及分析

3.1 单基坑开挖

本节讨论工况1下综合体基坑围护墙侧移、坑外地表沉降和支撑轴力。

表3 施工流程表

3.1.1 围护墙侧移

图6为综合体基坑单独开挖至基底后的围护墙侧移云图，x方向最大侧移为70.1 mm，y方向最大侧移为71.6 mm。图7为与y方向垂直的两侧围护墙侧移曲线，两侧墙体侧移变化规律类似，随着开挖深度的增加，最大侧移点的深度逐渐下移，同时墙体下端出现明显的踢脚现象，这与文献[14]所述的规律相同。由于靠近车站一侧墙体跨度较小，平面外刚度较大，因此该侧围护墙侧移整体小于另一侧墙体。

3.1.2 坑外地表沉降

图8为综合体基坑单独开挖至基底后的地表沉降云图，坑外地表沉降最大值为39.5 mm。图9为综合体基坑单独开挖情况下靠近车站一侧坑外地表沉降曲线，由图可见，各个开挖步续下坑外沉降分布规律类似，基坑边缘几乎不产生沉降，随着与基坑边距离的增大，坑外地表沉降先逐渐增大，并在距离基坑边约13 m位置处达到最大值，而后逐步减小。整体上坑外地表沉降随着开挖深度的增加而增大，而最大沉降量均位于综合体与车站之间的夹心土范围内，这对地表沉降的控制极为不利。

(a) x方向 (b) y方向

图7 单基坑开挖下围护墙侧移曲线

图8 单基坑开挖下地表沉降云图

3.1.3 支撑轴力

综合体基坑单独开挖至基底后第一道和第二道支撑轴力云图如图10所示。由图可见，第一道支撑最大轴向压力为4 081.7 kN，最大轴向拉力为2 654.6 kN，第二道支撑最大轴向压力为13 939.7 kN，最大轴向拉力为5 096.9 kN。第二道支撑轴力明显大于第一道支撑，而第二道支撑截面与第一道支撑截面差异不大，因此应着重考察第二道支撑轴力情况。

图9 单基坑开挖下地表沉降曲线

图10 单基坑开挖下支撑轴力云图

3.2 双基坑开挖

本节讨论工况2、工况3下综合体基坑围护墙侧移、坑外地表沉降和支撑轴力，并与工况1的结果进行比较分析。

3.2.1 围护墙侧移

模型中，基坑沿着y方向分布，相邻基坑开挖的影响主要体现在y方向上，讨论车站基坑施工对综合体基坑围护墙y方向侧移的影响。为方便描述，定义与y方向垂直的靠近车站一侧和远离车站一侧的综合体基坑围护墙分别为近端墙和远端墙。图11给出了各工况下两基坑开挖到底后近端墙和远端墙侧移曲线。可见，两端围护墙侧移分布规律类似，墙顶侧移量较小，随着土层深度的增加，墙体侧移先增大后减小，最大侧移均位于埋深约16 m位置处，墙体下端均发生不同程度的踢脚现象。由于近端墙平面外刚度大于远端墙，所以相同工况下近端墙侧移小于远端墙。

图11 各工况下围护墙侧移曲线

受车站基坑开挖的影响，相对于综合体基坑单独开挖的情况，近端墙和远端墙均发生向车站基坑方向的位移。工况2下，近端墙向车站基坑方向位移6.1 mm，远端墙同方向位移6.5 mm，两侧墙位移大小接近，基坑近似发生整体位移。工况3下，近端墙向车站基坑方向位移15.5 mm，远端墙同方向位移5.8 mm，可见，在同步施工工况下，综合体基坑也发生向车站基坑方向的整体位移，但车站基坑开挖对近端墙的影响要远大于远端墙，因此，同步施工工况下应着重考虑车站基坑施工对近端墙的影响。

3.2.2 坑外地表沉降

各工况下综合体基坑与车站基坑间夹心土的地表沉降曲线如图12所示。由图可见，各工况下夹心土地表沉降均呈“U”形分布，两侧沉降量较小，中部沉降量较大。受车站基坑开挖的影响，夹心土地表沉降存在明显的叠加效应，单基坑开挖工况1下最大地表沉降量为30.3 mm，而双基坑开挖的工况2、工况3下，最大地表沉降量增大致71.2 mm及69.2 mm，且最大地表沉降出现位置由距离综合体基坑13 m处移动至距离11 m处。工况2与工况3下夹心土的最大地表沉降量接近，地表沉降分布情况类似，仅在最大地表沉降出现位置与车站基坑之间有所差别，说明基坑开挖顺序对最终地表沉降的分布影响不大。

3.2.3 支撑轴力

支撑轴力的监测对地铁基坑的开挖有着重要的工程指导意义，它是分析支护结构受力情况不可缺少的参数，同时也是判断基坑安全的重要信息[15]。如图13所示，选取与近端墙及远端墙连接的第二道支撑，研究开挖过程中支撑轴力的变化情况及车站基坑开挖对支撑轴力的影响。为方便描述，图中范围E内按支撑跨从上到下依次标号为1跨—10跨。

图13 支撑轴力测量点布置图

工况2、工况3下支撑轴力的变化情况分别如图14、图15所示。其中，A表示综合体基坑，B表示车站基坑，“A-开挖2+支撑2”表示综合体基坑开挖第2层土并同时架设第2道支撑，其余施工过程的表示方法以此类推。如图所示，两个工况的各个施工过程下支撑轴力均呈现出“M”形分布，2至9跨支撑两端轴力较高，随着向中部靠近，支撑轴力逐步减小，这是由于支撑轴力逐步传递给格构柱及横向支撑所致。与地连墙连接处，由于同时有3根支撑承担地连墙传递过来的土压力，所以第1跨和第10跨支撑的轴力要明显小于其他跨的支撑轴力。由于车站基坑开挖导致夹心土卸载，土压力降低，支撑轴力呈现出非对称的分布规律，靠近车站基坑一侧的支撑轴力明显小于另一侧支撑轴力。综合体基坑开挖第3层土后，由于土体大量卸载，支撑轴力陡增，实际施工中应密切注意第二道支撑轴力的变化情况。

图14 工况2下支撑轴力变化曲线

图15 工况3下支撑轴力变化曲线

4 结 论

软土地区某基坑工程面临相邻基坑开挖的相互影响问题，采用三维数值模拟对邻近基坑工程开挖的相互影响进行分析，得出以下结论：

(1) 相邻基坑开挖将引起本体基坑整体向相邻侧的附加位移，且根据两个基坑施工顺序的不同，本体基坑两侧围护墙产生附加位移的大小也不同。当采用同步施工时，近端墙附加位移远大于远端墙，对基坑安全不利。

(2) 本体基坑与相邻基坑之间夹心土的地表沉降存在明显的叠加效应，相邻基坑的开挖将显著增加该部分土体的沉降量，这对地表沉降的控制极为不利。基坑的开挖顺序对夹心土地表最终沉降量的影响不大。

(3) 受格构柱和横向支撑的影响，支撑轴力呈现两端高、中间低的分布特点。相邻基坑的开挖将引起本体基坑土压力的非对称分布，从而引起支撑轴力的非对称分布，靠近相邻基坑一侧支撑轴力较小。