基坑开挖与支撑拆除对周围环境影响的研究*

秦胜伍 苗 强 张领帅② 张延庆 程秋实

(①吉林大学，长春 130026，中国)(②深圳宏业基岩土科技股份有限公司，深圳 518055，中国)

0 引 言

随着城市的快速发展，人口越来越密集，不可避免地促使城市向地下发展。而城市空间有限，周边条件复杂，对基坑周边变形要求更高，给基坑支护造成更大困难。因此，需要合理使用支护结构以保证基坑安全。现阶段大型深基坑多采用支护桩和地下连续墙，并配合锚杆、内支撑共同支护形式(Shi et al.，2015；薛彦琪等，2016；张永强等，2018)，而锚杆对基坑周围土体扰动大，内支撑更能适应对周围环境要求高的情况。

现阶段已有许多学者对内支撑支护形式下基坑开挖对周围环境的影响做出大量研究。不采用内支撑可以省去许多中间支撑结构，节省大量时间和成本，使项目能够提前完成，但是会降低围护结构的抗变形能力(Abela et al.，2013)。基坑内支撑多采用钢支撑和混凝土支撑，钢支撑能施加预应力从而降低围护结构的变形，并且拆除方便，可以循环利用。Guo et al.(2019)通过有限元和弹性地基梁法分析了非对称附加应力作用下钢支撑支护的深基坑变形规律，研究表明，随着基坑的开挖，地下连续墙的最大水平位移非线性增加，由于非对称附加应力作用，最大水平位移的位置略小于最终开挖深度。Cui et al.(2018)研究钻孔桩和倾斜钢支撑支护形式下基坑的变形规律，通过分析地面沉降、钻孔桩随开挖深度的变化曲线，并与常规支护进行对比，最终得到倾斜钢支撑支护变形规律的适用性。混凝土支撑既能受拉也能受压，可以按照任意方向施工，并且能永久使用，得到广泛利用(Zeng et al.，2018)。

现阶段支撑拆除对基坑变形以及周围环境的影响规律研究甚少，仅有个别学者总结其变形规律。刘波等(2014)通过监测数据分析支撑拆除过程中的变形规律，表明周围地表沉降随着支撑的拆除表现为明显的时间性和空间性。钟可等(2019)通过数值分析得到基坑支撑的最佳拆除时间。人们普遍认为基坑变形主要发生在基坑开挖阶段，而忽略了支撑拆除对基坑变形的影响，支撑拆除时的变形规律研究不够深入，需要进一步深入研究。

本文主要以深圳市万科滨海置地基坑工程为依托，对中国东南沿海地区地下连续墙+内支撑深基坑支护形式进行三维有限元分析，旨在研究内支撑支护形式下基坑开挖和支撑拆除分别对周边环境的影响，并对其变形规律和影响因素进行探讨，以对同类工程提供借鉴。

1 工程概况

深圳市万科滨海置地基坑工程位于深圳市福田区车公庙工业区，北邻泰然八路，南邻滨河大道，西侧为泰然九路，东侧为大汉王项目施工工地。另外，北侧有一栋7层建筑，采用钻孔灌注桩基础，受基坑开挖影响大。基坑面积约5775im2，周长约300im，开挖深度为19.3im，拟修建4层地下室，具体位置信息见图1。

图1 监测点布置图

该基坑采用地下连续墙+内支撑支护形式，地下连续墙宽1000imm，支撑为1000imm×1000imm钢筋混凝土。立柱上侧采用Φ600imm钢管立柱，坑底下侧为Φ1000imm钻孔桩。由于受施工空间限制，在第1层支撑周边设置混凝土栈桥板，以便车辆经过。具体的支护剖面图如图2所示。基坑共分为4次开挖，开挖厚度分别为1im，8.3im，13.4im，19.3im，待每层土开挖完成后修建内支撑，底层地下室修建完成后开始拆除支撑，详细的施工工序信息如表1。

图2 典型基坑剖面图

表1 施工工序信息表

为了分析基坑开挖和支撑拆除两个过程对周围环境的影响规律，在基坑内以及周边布置监测点，监测时间是从基坑开挖之前到支撑拆除之后基坑回填。在基坑开始施工前，北侧高层建筑边角处设置建筑沉降监测点，编号分别为JZ01-JZ04；基坑周边地面沉降监测点编号为LM01-LM17。在冠梁顶部设置坑顶沉降与位移监测点，分别为WS01-WS15。具体的监测点位置分布情况如图1所示。

2 有限元模型介绍

为了更好地研究基坑开挖和支撑拆除对周围环境的影响，本文将采用有限元分析方法进行研究，着重分析建筑物、地面等变化情况。

数值模拟结果的精确程度关键在于本构模型的选择。硬化土(HS)模型是把土体变形认为是一种弹塑性变形的模型，能有效反应大部分土的性质，是一种高级土体硬化模型，获得的土体变形结果与工程实际最为符合(李连祥等，2016；叶帅华等，2020)，因此，本文采用硬化土模型。花岗岩在我国东南地区分布十分广泛，对工程施工产生很大影响。张运标等(2020)总结了深圳市花岗岩风化带的划分依据，阐述其崩解特征。庞小朝等(2018)通过试验研究深圳花岗岩残积土,确定参考割线模量为参考切线模量的2.1倍，卸载再加载参考割线模量为参考割级模量的3.6倍。本次模拟为了使模型网格合理划分，对部分土层进行简化。最终确定的模型土层参数如表2。

表2 模型土层参数取值

本文选用Plaxis3D有限元软件进行模拟分析，考虑边界对模拟结果的影响，选取模型宽度为开挖深度的3倍。根据基坑大小和开挖深度，最终确定的模型大小为200im×170im×40im。地下连续墙采用板单元模拟，采用界面单元模拟土体与地下连续墙之间的相互作用，内支撑和钢管立柱采用梁单元模拟，下部钻孔桩和建筑物基础则选用Embedded桩，建筑物上部荷载等效为每层15ikPa的均布荷载，最终创建的模型结构如图3所示。模型选取网格疏密程度为“中细”，共创建78i506个网格单元，114i314个节点。模型地下水位设置在地面下3im处。不同的开挖方法会造成不同的结果(耿招等，2018；黄维新等，2019)，本文将按照实际的施工过程(表1)设置模型工序，同时考虑坑内降水的影响，在土体开挖前将坑内水位降到开挖底面以下。

图3 模型结构图

3 模拟结果与监测结果分析

本文主要研究建筑与地面沉降情况，因此全部选取北侧监测点进行分析，监测时间是从基坑开挖之前到基坑回填结束。

3.1 基坑顶部水平位移分析

3.1.1 基坑顶部水平位移模拟结果分析

图4为第4层土开挖和底层支撑拆除阶段地下连续墙的水平位移云图。从图中可以看出，无论是基坑开挖还是支撑拆除，变形都受空间效应影响，中间变形大，两边变形小，最大水平位移的位置支撑拆除要比基坑开挖靠近顶部。第4层土开挖阶段最大水平位移量约为18.9imm，整个开挖阶段约为35imm，占开挖阶段变形量的54%，由此可见，基坑变形主要发生在底层土开挖。底层支撑拆除阶段的变形量约为17imm，相较与基坑开挖阶段，其变形量不可忽略。总体上支撑拆除变形约占总变形量的50%，体现了支撑拆除阶段的重要性。

图4 地下连续墙水平位移云图

选取基坑顶部水平位移监测点WS03监测数据与有限元模拟结果进行对比验证，结果如图5所示。从图中可以看出，模拟结果的最大值为11.5imm，监测结果的最大值为10.5imm，模型结果约高于实际值9.52%，与模拟结果有一定偏差，主要原因是土体快速开挖停止后，土方车停运造成基坑水平位移回弹，模型中并未考虑这些因素，模拟结果有一定偏差。但是，结果能明确表明最后一层土开挖变形最大，约为4.05imm，占模拟结果的35.22%。而监测显示最后一层土开挖变形量约为3.65imm，占基坑开挖变形量的34.76%。

图5 基坑顶部水平位移监测值与模拟值对比图

3.1.2 基坑顶部水平位移监测结果分析

由基坑北侧监测数据得到的基坑顶部水平位移随时间变化曲线如图6所示。从图中可以看出，随着基坑的开挖，基坑顶部水平位移快速增加，底板施工后逐渐趋于稳定；之后拆除支撑继续增大，随着地下室施工最终逐渐稳定。可以发现，基坑顶部水平位移快速增加是在基坑开挖和支撑拆除两个阶段，两阶段总的变形量达到总变形量的85%以上。从图7可以看出两个阶段产生的基坑顶部水平位移值和各阶段占总变形的百分比。对比不同监测点数据，两阶段基坑顶部水平位移量所占总变形百分比呈交叉状，围绕某一特定值上下波动，两阶段变形量相差不大，基本持平，说明支撑拆除对基坑变形和基坑开挖同等重要。因此更应注重支撑拆除对基坑变形的影响，提前设计好支撑拆除方式，精准把握支撑拆除时间。

图6 基坑顶部水平位移随时间变化曲线

图7 不同阶段基坑顶部水平位移柱状图

为了更好地研究这两个阶段的变形规律，沿基坑方向绘制不同监测点、不同施工工序下的基坑顶部水平位移图(图8)。基坑开挖阶段的变形受时空效应影响，在基坑拐角处变形较小(Lee et al.，1998；Tan et al.，2013；Shi et al.，2019)。从图中可以看出，支撑拆除阶段与基坑开挖规律具有相似性，两阶段都呈“抛物线”形式，“中间大、两边小”，具有明显的时空效应，这与模拟结果相符合。通过观察相邻工序之间的距离，发现基坑开挖造成水平位移发展迅速主要是在第4层土开挖期间，而支撑拆除阶段基坑顶部水平位移主要发生在底层支撑拆除期间，变化速率约为0.13imm·d-1，后两层支撑拆除位移有所增大，但变化不大。

图8 不同工序下的基坑顶部水平位移

3.2 地面沉降分析

3.2.1 地面沉降模拟结果分析

图9为第4层土开挖和底层支撑拆除阶段地面沉降量云图，从图中可以看出，支撑拆除与基坑开挖变形规律一致，受空间效应影响，边角处沉降量小。第4层土开挖产生的最大沉降量约为12.06imm，而基坑开挖约为19.97im，占基坑开挖变形量的30.39%，由此可见底层土开挖会造成地面发生大的沉降。对比底层土开挖和底层支撑拆除，可以发现底层支撑拆除产生的最大变形量约为10.96imm，接近底层土开挖产生的变形，占支撑拆除阶段的84.31%。基坑开挖和支撑拆除两阶段总变形量约为32.97imm，占最终变形量的93.4%。

图9 地面沉降量云图

图10为基坑开挖阶段地面沉降监测数据(LM04)与模拟数据比较图，从图中可以明显看出，随着基坑的开挖，地面沉降的监测数据与模拟数据变化趋势一致，随着基坑的开挖地面沉降量逐渐增大，模拟结果略高于实际监测结果。模拟结果的最终沉降量约为13.15imm，而监测结果为12imm，高于实际结果约9.58%。底层土开挖产生变形量约为7.06imm，占模拟结果的53.69%，实际结果约为7.63imm，占实际结果的63.58%。

图10 地面沉降监测值与模拟值对比图

3.2.2 地面沉降监测结果分析

图11为整个基坑工程施工过程中路面沉降量随时间变化曲线。从图中可以看出，地面沉降主要分为两部分。首先，随着基坑开挖，地面沉降量逐渐增大，在底板施工后逐渐趋于稳定；之后由于支撑拆除继续增大，最终随着地下室施工趋于稳定。可以发现地面沉降快速增加主要是在基坑开挖和支撑拆除两个阶段。根据路面监测点数据显示，基坑开挖与支撑拆除两阶段产生的地面沉降量达到总变形量的90%以上。

图11 地面沉降量随时间变化曲线

远离基坑方向，基坑开挖引起地面沉降呈现先增大后减小的趋势(奚家米等，2019)，该规律已经被广大学者验证。而周围环境受基坑施工三维时空效应影响明显，管线变形与轴力最大变形部位与地形变形区域一致(施有志，2018)，因此，分析基坑施工对周围环境的影响需着重考虑空间效应。该工程沿基坑壁方向布置路面监测点，即监测点轴线与基坑边线平行。得到的北侧不用监测点、不同工序下的地面沉降剖面图如图12，从图中可以看出，支撑拆除阶段与基坑开挖阶段地面沉降量的变形规律十分相似，满足空间效应影响，主要区别是LM06监测点变形大，其原因是该点在临近基坑主要影响区域内，受其开挖影响大，本基坑空间效应对其作用不明显。观察曲线之间的距离，可以发现地面沉降量急剧增加阶段主要是工序5和工序7。如北侧路面LM02号监测点，底层土开挖变形量约为6.19imm，占基坑开挖变形量的49.39%；底层支撑拆除变形量约为7.10imm，占支撑拆除阶段变形量的74.7%，底层支撑拆除所占比例更大。

图12 不同工序下地面沉降量

3.3 建筑沉降分析

3.3.1 建筑沉降模拟结果分析

选取建筑物沉降监测数据(JZ04)与模拟数据进行分析对比，结果如图13所示。通过监测数据与模拟结果对比分析，可以看出建筑物沉降趋势比较一致，沉降量随着基坑的开挖逐渐增大。可以发现模拟结果与实际有一定误差，主要原因是底层土开挖暴露时间长，受底板浇筑、土方扰动大，并在开挖前发生回弹，这些因素在模拟过程中并未考虑。但是，模拟结果底层土开挖变形量约为3.56imm，占开挖阶段变形量的52.98%，而实际监测值约为5.73imm，占75.39%，结果虽有偏差，但仍能发现底层土开挖会发生更大的建筑沉降。

图13 建筑物沉降监测值与模拟值对比图

3.3.2 建筑沉降监测结果分析

图14为基坑北侧建筑随时间变化的沉降曲线，从图中可以看出，JZ01-JZ03监测点沉降规律具有相似性，随着基坑的开挖，建筑物的沉降整体呈现增大趋势。另外，可以看出JZ04监测点显示变形规律是在工序5之后先抬升后沉降，最终沉降量值最小，与其他监测点沉降规律明显不同。这是由于该点附近有一回灌井，受地下水回灌，地面抬升，造成建筑物沉降量减小，该监测点支撑拆除阶段将不作分析。

图14 周围建筑随时间变化沉降曲线

建筑沉降主要发生在基坑开挖和支撑拆除两个阶段，表3列出了各个阶段产生的沉降值。可以发现支撑拆除阶段大于基坑开挖阶段，两阶段总的建筑物沉降量占最终变形量的90.28%以上，因此，应该注重支撑拆除所产生的变形。底层土开挖和底层支撑拆除是各个阶段沉降发展最快的两个工序，两工序最大沉降量分别为3号监测点和1号监测点，其值分别为5.52imm、4.89imm，占各个阶段的74.49%、57.67%。具有沉降量大、发展迅速等特点。

表3 建筑物各阶段变形信息表

4 基坑变形原因探讨

从模拟和监测结果对比分析可以明显看出本基坑变形以及对周边影响主要是在基坑开挖和支撑拆除两个阶段，两阶段占总变形量的85%以上；而基坑开挖主要变形是在第4层土开挖期间，支撑拆除是在底层支撑拆除期间，下面探讨其原因。

从地层地质方面分析，该基坑含有花岗岩风化残积层，人工基坑降水降低岩土层的黏聚力和摩擦角，使土体发生固结沉降，影响土体稳定性。不同的软弱地层厚度会造成不同的沉降深度，基坑内南、北方向工程地质剖面图如图15所示，基坑北侧花岗岩风化带厚度大，约是基坑南侧的9倍。LM02监测点处花岗岩风化带厚度最大，在基坑开挖和支撑拆除阶段将发生更快、更大的变形，因此，查明施工场地的地质条件是工程安全施工的根本之一。

图15 工程地质剖面图

从基坑支护方式上分析，该基坑全部采用地下连续墙和内支撑(角撑)支护形式，形成完美的空间结构，最终的变形能满足要求。随着基坑深度的增大，由于调整支护结构，支撑系统的相对刚度迅速增长，使得最大相对侧移值并没有增大(李琳等，2007)。在支护结构一定的情况下，支撑系统的相对刚度不变，随着基坑开挖深度的增加，对围护结构产生的内力不断累加、重新分布，促使支护结构发生变形。支撑拆除阶段由于在底层支撑拆除后仅在地下室底板位置设有换撑块，导致桩身悬臂段过长，变形特别大。

从空间布置方面分析，在竖直方向上，三道内支撑并不等距，底层支撑到基坑坑底的距离较大，造成坑底位置处被动反力不强，另外，坑底施工周期长，土方扰动大，从而造成第4层土开挖阶段变形较大。支撑竖向间距不同，其作用的距离也不同，支撑拆除时虽设有换撑块，但支撑竖向间距仍然较大，拆除支撑使作用于围护结构的内力发生较大的突变，促使地下连续墙产生更迅速的变形。

5 结 论

本文以深圳市万科滨海置地基坑工程为例，基于基坑开挖和支撑拆除两个阶段，研究其对周围环境的影响，并得到以下结论：

(1)整个基坑工程的变形规律为：基坑顶部水平位移、地面沉降以及建筑物沉降随着基坑的开挖逐渐增大，随着底板的修建趋于稳定；之后因支撑拆除继续增大，最终因地下室施工趋于稳定。

(2)支撑拆除与基坑开挖对周围环境的影响规律一致，支撑拆除变形同样受时空效应影响，基坑顶部水平位移和地面沉降都符合“中间大、两边小”。

(3)基坑支护工程主要变形是在基坑开挖和支撑拆除两阶段，两阶段中的最大变形分别是底层土开挖和底层支撑拆除。发生该变形规律的主要原因是花岗岩风化带厚度差距大、三道支撑不等距，底层土开挖厚度大、以及支撑拆除仅在地下室底板设置换撑块。

(4)支撑拆除与基坑开挖对周围环境的影响结果十分接近，基坑顶部水平位移、地面沉降和建筑沉降两阶段变形量之和占总变形量的85%以上，工程上应注重支撑拆除对基坑的影响。