软土地区深基坑开挖对邻近连通道影响分析

褚 峰

上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司 上海 200126

深基坑工程的建设会导致周围土体应力状态发生改变，对邻近建筑结构及轨道线路产生较大影响[1-3]。工程经验表明，在基坑修建过程中，一旦支撑体系失稳，将严重影响周围的应力位移场，甚至会引发工程事故。因此，研究深基坑开挖影响下周围工程设施的沉降规律及预测方法有着十分重要的意义。

针对深基坑开挖影响下周围工程设施的变形，国内外学者已经做了很多的研究。

郑刚等以天津市某邻近既有隧道的深基坑实测资料为基础，针对基坑施工对邻近既有隧道的变形影响规律进行了参数分析，指出根据基坑围护结构可能产生的变形形式、最大变形和隧道与基坑的相对位置，可预估隧道产生的变形。

章红兵等对基坑周围地铁隧道的结构变形特性展开研究，指出地铁隧道的变形受基坑周围土体位移场、应力场等多种因素的影响。

徐中华等借助有限元模拟技术，从土体本构模型的角度，研究了基坑开挖对周围建筑设施产生的影响。

针对基坑开挖对既有建筑设施的影响，已有相当多的研究[4-8]，采用的方法包括结合工程实践的数值模拟及理论公式推导等。上述研究基本是分析基坑开挖卸载对邻近与基坑平行的地铁线路的变形，关于基坑施工对邻近垂直于围护结构的地下连通道的分析研究较少。

本研究结合上海软土地区某基坑工程项目，基于现场工程地质状况及实测工程数据，建立数值模型，研究基坑施工对相邻垂直于围护结构的地下连通道的影响，为后续施工提供参考。

1 工程概况

已建的25-01项目及待开挖的21-02基坑项目位于上海市浦东新区核心地带，轨交6号线、8号线以及11号线交会于此。地下连通道呈东西向横跨东育路，连通25-01地块和21-02地块，建筑面积约500 m2。地下连通道内部结构净宽9.0 m，高4.5 m（图1）。

图1 平面布置示意

现场工况为：25-01基坑施工→连通道施工至21-02基坑5 m处→21-02基坑施工→连通道剩余部分施工及与21-02地块接头施工。本文主要研究第3步，即21-02地块基坑施工对地下连通道的影响。

2 数值模型

2.1 参数选择

采用数值方法分析基坑施工对邻近工程设施的影响，土体本构模型与计算参数的选择十分重要。研究表明，基坑开挖过程中，土体刚度具有高度的非线性。

本文采用能描述土体刚度非线性的硬化土小应变模型（HSS模型）来模拟基坑开挖的影响，参数如表1所示。

表1 HSS模型土体参数

2.2 模型建立

为了验证本文建模方法和参数选取的合理性，首先基于已施工的25-01基坑工程，对比地下连续墙水平位移实测数据和数值计算结果。监测点的位置如图2所示。

图2 监测点布置平面示意

取基坑典型剖面进行模拟，建立的模型如图3所示。其中基坑支撑采用线弹性模型，地铁隧道地下连续墙用板来模拟，在模型边界施加约束。

图3 验证模型

施工完成后，通过对比基坑支护结构水平位移实测值与计算值（图4）可以发现：对于监测点X45，支护结构最大水平位移发生在地表以下7.50 m处，最大值为17.95 mm，计算最大水平位移发生在地表以下8 m处，最大值为19.05 mm。对于监测点X58，支护结构最大水平位移发生在地表以下9.00 m处，最大值为38.40 mm，计算最大水平位移发生在地表以下9.00 m处，最大值为39.30 mm。计算结果与实际数据接近，且变化趋势大致相同，表明本节建模方法及参数取值方法较为合理。

图4 数值计算结果与实测结果对比

采用上述数值模型参数及建模方式，建立地下连通道的数值计算模型，计算施工工序如表2所示。

表2 基坑施工顺序

3 模型结果分析

施工后基坑及地下连通道的变形云图如图5所示。值得注意的是，模型计算时，在21-02基坑施工前，平衡了一次模型位移，故图中位移可全部视为由21-02基坑施工引起。由图可知，开挖导致坑底有一定回弹，最大回弹量10 cm，位于基坑中部。连通道上方地表最大沉降35 mm。地下连续墙左侧最大水平位移位于基坑底板附近，为40 mm。

图5 基坑及地下连通道变形云图

21-02地块基坑邻近东育路一侧为一级环境保护要求，根据上海市《基坑工程技术规程》的规定，允许围护墙最大水平位移为0.18%H（H为基坑开挖深度），数值模拟结果表明，本工程基坑围护方案基本满足基坑周围环境保护要求。基坑右侧围护墙最大水平位移60 mm，同样位于基坑底板附近。

基坑右侧围护墙的最大水平位移约为基坑左侧围护墙最大水平位移的1.5倍。究其原因，一方面是基坑左侧一定距离外有25-01基坑开挖，有一定的卸载作用；另一方面是地下连通道的施工，会进一步引起左侧围护墙外侧土压力降低。

对基坑开挖各阶段地下连通道的沉降值进行分析后得知，随着21-02基坑的开挖，地下连通道的竖向变形逐渐增大。连通道最大沉降位于距地下连续墙15 m附近。值得注意的是，21-02地块基坑开挖至第1道支撑，地下连通道即产生较大沉降。开挖至第1道支撑，连通道最大沉降30 mm，底板浇筑完成后，连通道最大沉降35 mm。第1道支撑施工完成时，连通道的最大沉降约占最终最大沉降值的85%。其原因可能是连通道埋深较浅，位于首道支撑主要影响范围。实际施工时，应特别注意开挖初期对连通道的保护。

连通道靠近地下连续墙一端，端部约束接近自由，靠近25-01地块一侧端部约束则为刚接。连通道变形空间分布与土体变形空间分布相似。基坑开挖引起连通道沿轴线产生不均匀沉降，靠近接口处最终沉降约30 mm，接口处埋深产生变化，后期接头施工，考虑基坑开挖引起的连通道埋深的变化，预留的接口位置埋深可能需做相应调整。此外，不均匀沉降可能引起连通道结构产生较大的附加内力，应引起足够重视。

4 结语

本文通过数值模拟，分析上海软土地区某深基坑开挖引起的地下连通道变形，得出以下结论：

1）基坑开挖会引起与地下连续墙垂直方向的地下通道产生不均匀沉降，最大沉降位置距基坑0.7H，最大沉降为0.16%H。

2）基坑首层土体开挖阶段，地下连通道即产生较大沉降，此阶段应作为施工控制的重点。

3）后期地下连通道与待开挖基坑项目连通施工时，应考虑基坑开挖而引起的地下连通道接口位置埋深的变化，并做好应对方案。