软土深基坑分区开挖顺序对支护桩及城轨隧道影响的数值分析

徐国元，邱蕴佳，刘启清

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641；2.广珠城际轨道交通有限责任公司，广东 广州 510335)

0 引 言

随着城市建设高速发展，合理开发大型地下空间显得愈发重要。现今大型地下空间在修建过程中受到城市周边复杂环境和狭小空间的制约，不得不紧挨着周边高层建筑或既有地铁隧道等敏感结构，从而采取一些科学且严格的变形控制措施，减小基坑开挖对相邻敏感结构的影响。软土是一种工程性质较差的特殊土，处于软土地区的深基坑工程会对周边环境与结构造成影响，临近基坑处隧道的不均匀沉降导致结构弯矩增加，会引起隧道衬砌开裂，最后影响临近隧道的正常运营，这些都需要引起岩土工作者的广泛关注和高度重视。因此，进一步研究软土深基坑开挖对邻近既有隧道的影响，可为将来类似工程的设计与施工提供借鉴。

王卫东等[1]针对软土地区深基坑工程表现出的大、深、紧、近等特点，提出基坑变形应该采用合理的变形控制设计方法控制，其中分区开挖是有效的变形控制方法之一。基坑分区开挖施工通过减小基坑跨度降低对土体的扰动，有利于邻近结构物的保护；殷一弘[2]通过对深厚软土地层紧邻地铁的深大基坑进行分区开挖、板式支护与多道支撑相结合的设计来减小基坑开挖对地铁隧道的影响；沈雯等[3]通过分析实测数据，研究超深基坑采用分区开挖过程中基坑卸荷对邻近地铁车站与隧道的影响；徐闻达等[4]基于双面弹性地基梁模型建立了隧道由邻近基坑开挖引起的纵向变形的简化计算公式并辅以实例验证；黄沛等[5]通过数值计算，探究深大基坑采用分区开挖施工时临近地下连续墙和墙后土体变形受分区宽度、分区开挖次序和分隔墙插入比的影响；张治国等[6]以实际工程为依托，采用有限元数值方法分析了基坑分区开挖施工对距离较近隧道的保护效果更好；Tan Y等[7]利用实测数据进行分析，从多方面讨论采用分区开挖手段对临近基坑的地铁隧道产生的影响；付立彬等[8]采用控制基坑的开挖深度，分析支护结构的变形可以通过改变基坑开挖临界面尺寸得以有效减小；贺建军[9]通过现场监测分析并利用数值模拟，探讨了邻近地铁设施受到基坑开挖引起的变形影响并提出了相应的控制措施。目前针对平行于临近隧道的基坑分区开挖施工对其影响的研究还相对较少。

本文以珠海市某大型基坑工程为背景，分析了软土地区平行于盾构隧道的大型基坑分区开挖和开挖顺序对自身支护结构以及邻近隧道的影响，以期为此类大型基坑分区开挖的设计和施工提供一定的参考。

1 工程概况

本工程拟建项目场地较为平整，周边道路均已完成，交通便利，周边道路标高3.8～3.9 m。地块东面靠近海湾，距海岸线约120 m。基坑北侧地下室边线距离红线23.5～38 m；基坑东侧地下室边线距离红线15 m；基坑南侧地下室边线距离红线15 m；基坑西侧地下室边线距离红线10 m。整个基坑呈梯形，其中梯形长边与城轨隧道走向一致。

广珠城轨机场延长线区间盾构隧道平行于本项目地下室边线，由西北角至东侧下穿本项目，地下室边线至右线隧道边最小距离约15 m，盾构隧道顶部埋深17 m。

项目场地属海陆交互相沉积地貌单元，基坑开挖深度范围内的土层有:填土(1-1)、淤泥(2-1)、粗砂(2-4)、淤泥质黏土(2-3)、全风化花岗岩(3-1)、强风化花岗岩(3-2)、中风化花岗岩(3-3)。拟建场地地下水主要为第四系孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。

2 基坑分区及支护方案

基坑采用φ1 400 mm，间距1 600 mm(或者φ1 600 mm，间距1 750 mm)的灌注桩加两道钢筋混凝土内支撑的支护形式。采用φ850 mm，间距600 mm三轴搅拌桩(套打一孔)止水帷幕，止水帷幕穿过淤泥层或砂层不小于1.0 m。北侧临近城轨隧道，止水三轴搅拌桩与支护桩间采用φ600 mm桩间旋喷。坑底采用φ850 mm，间距600 mm搅拌桩加固。坑中坑采用φ1 000 mm灌注桩+内支撑的支护形式。隔离墙厚1.45 m，长32 m，穿过城轨隧道底6 m，紧挨着三轴搅拌桩。基坑分为A,B,C 3区块施工，如图1所示。基坑总深9.2 m，共分三层开挖，第一层开挖1.5 m，第二层开挖4.5 m，第三层开挖3.2 m。基坑内设置2道支撑，第1道支撑位于标高2.3 m处，第2道支撑位于标高-2.2 m处，具体支护结构布置如图2所示。

图1 基坑支护平面布置图

图2 基坑支护剖面示意图

3 计算模型

本工程采用Midas GTS有限元软件建立三维数值模型进行分析。数值模型包括了土体、支护结构、水平支撑体系、邻近广珠城轨机场延长线区间盾构隧道。计算模型如图3所示，模型三维尺寸365 m×410 m×60 m。整个模型共702 283个单元，366 814个节点。

图3 计算模型

3.1 计算假设

(1)计算采用总应力法分析。由地质勘察可知上部黏土的透水性较差，同时基坑开挖是一种相对短期的工程，因而在计算过程中暂不考虑固结和地下水渗流对其影响。

(2)施工过程中仅考虑空间效应，不考虑时间效应。

(3)接触设置界面单元，土体与基坑支护结构节点位移耦合，因此，忽略土体与基坑支护结构之间的相对位移。

3.2 边界条件及计算参数

(1)各土层层状分布均质和各向同性，结构体变形和受力均处于弹性范围内。岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型；结构体采用线弹性模型。

(2)计算模型侧向和底部分别施加水平约束、竖向约束，顶面不加约束。

建模过程采用的主要力学参数根据工程地质勘察报告计算确定，如表1所示。基坑影响范围内共有6层土体，由上至下包括素填土、淤泥、淤泥质黏土、粗砂、强风化花岗岩和中风化花岗岩，层厚分别为3.5，21，4.2，2，29.3 m。基坑支护结构中，冠梁、腰梁、钢筋混凝土支撑和钢构柱均采用梁单元模拟，搅拌桩隔离墙、灌注桩等效墙、城轨隧道管片均采用板单元模拟。灌注桩、混凝土冠梁、腰梁、支撑、钢构柱基础采用C35混凝土，弹性模量为31.5 GPa;钢构柱采用Q345，弹性模量为200 GPa;隧道管片采用C50混凝土，弹性模量为34.5 GPa。钢构柱的泊松比均取0.3，其余结构模型的泊松比均取0.2。

表1 土层主要力学参数

3.3 模拟工况

本工程地处软土地区，地质条件较差且基坑面积较大，基坑开挖卸荷引起周边土体发生变位，最终导致相邻土体中的隧道发生位移[10]，为尽量减小基坑开挖对城轨的影响，本基坑分为A，B，C 3区块施工。本次模拟分析4种工况，分别为工况1——基坑不分区整体开挖；工况2——先开挖中部B区，待B区基坑施工完成回填后，再分层对称开挖A，C区；工况3——先分层对称开挖A，C区，待A，C区基坑施工完成后，再开挖中部B区，最完成后B区基坑施工回填；工况4——按顺序A，B，C区依次开挖施工并完成回填，具体分区如图4所示。

图4 基坑分区图

4 开挖顺序对变形效应影响分析

4.1 隧道变形分析

隧道变形模拟选取临近基坑北端边线200 m范围内的城轨隧道作为受不利影响的研究对象，在整体道床顶面钢轨垂向投影线上每隔0.6 m提取一个变形值。4种工况下城轨隧道位移变形如图5所示，由图5可知，工况2隧道的变形最小，其位移云图如图6所示。从图6可以看出，临近基坑一侧的隧道变形明显大于距基坑较远一侧的隧道，工况2的隧道总体位移变形最小，最大位移3.48 mm；工况1的隧道总体位移变形最大，最大位移8.58 mm，这是因为在软土基坑开挖中，利用“时空效应法”控制基坑卸荷变形，将每个施工步的开挖土方空间尺寸合理化减小，同时在基坑挡墙进行支护前减少每个施工步开挖暴露的时间，从而消减土体流变变形[11]，说明分区开挖这一手段能够有效控制隧道变形。此外分区内设置了两道内支撑，同时坑底采用搅拌桩加固，使得土体整体强度得到提升，最大程度上控制了隧道变形。

同时工况2与工况3、4对比发现，工况3比工况2位移增加了3.18 mm，工况4比工况2位移增加了1.83 mm，由于卸载量变化，隧道变形整体随着基坑开挖施工面不断增加，各阶段的卸载量决定其变形增加率;导致临近隧道位移变形增量变大的原因是各个分区的开挖卸荷，且先开挖基坑面积小的B区域要比先开挖基坑面积较大的A，C区域时地铁变形增量小;不同开挖顺序导致同一基坑隧道的变形特性也不尽相同，工况2由于先开挖面积较小的B区域，在B区开挖过程中，未开挖的A区和C区依靠基坑内未开挖土体的作用可以有效减小B区开挖引起的坑底隆起和基坑支护结构变形对基坑周边土体的影响，从而达到减小基坑开挖对邻近盾构隧道变形影响的目的，因此，隧道最终变形小于工况3与工况4的变形。

图5 各工况下隧道总体变形位移

图6 工况2隧道总体变形位移云图

4.2 支护桩变形分析

支护桩变形模拟选取临近城轨隧道一侧的支护桩长边作为受不利影响的研究对象，在支护桩墙变形最大处每隔0.6 m提取一个变形值。4种工况下临近隧道一侧的支护桩位移变形如图7～8所示，由图7可知，工况2的支护桩变形最小，竖向位移14.83 mm，横向位移8.19 mm，其位移云图见图9～10；工况1的支护桩变形最大，竖向位移30.12 mm，横向位移16.08 mm。相比工况1，工况2竖向位移减少了15.29 mm，横向位移减少了7.89 mm；工况3竖向位移减少了4.68 mm，横向位移减少了3.12 mm；工况4竖向位移减少了6.98 mm，横向位移减少了4.06 mm。4种工况整体位移趋势相近，但相比工况1，基坑边长较大的工况1基坑支护桩变形明显大于采用了分区开挖方式的工况2～4。这是因为基坑的时空效应通过分区施工的方式得到充分利用，在空间上，工况2～4的基坑采用将基坑面积化大为小的分区方案;在时间上，工况2～4的基坑采用了基坑大化小的方式，同时添加了两道内支撑，有效减小了基坑开挖土体的暴露时间，因此一定程度上控制了支护桩变形。

图7 各工况下支护结构竖向变形位移

图8 各工况下支护结构横向变形位移

图9 工况2支护结构竖向变形位移云图

工况2与工况3、4对比，支护桩墙变形最大处位于相近位置。相比于工况2，工况3、4同样采用相同的分区进行施工，工况3比工况2竖向位移增加了71.54%，横向位移增加了58.24%；工况4比工况2竖向位移增加了56.04%，横向位移增加了46.76%。可以看出即使分区方式相同，三者结果都满足《建筑基坑工程技术规范》(DBJ/T15-20-2016)中施工过程引起的一级基坑支护结构位移控制值30 mm的规定，但施工顺序对其支护结构的影响不可忽视，应该选取合理的施工顺序达到减小支护变形的目的。

图10 工况2支护结构横向变形位移云图

5 结 论

(1)通过数值分析模拟，4种工况下,邻近的广珠城轨盾构隧道管片最小位移为3.48 mm，支护桩墙最小竖向位移为14.83 mm，最小横向位移为8.19 mm。均发生于工况2，即采用分区开挖方式，先开挖B区，再开挖A、C区时对隧道影响最小，为最佳施工工序。

(2)分区相同的情况下，先开挖B区比先开挖A、C区的隧道管片最小位移小了3.18 mm，支护桩墙最小竖向位移小了10.61 mm，最小横向位移小了4.77 mm；比按顺序开挖A、B、C区的隧道管片最小位移小了1.83 mm，支护桩墙最小竖向位移小了8.31 mm，最小横向位移小了3.83 mm；不同卸荷路径对支护与邻近隧道的影响也不相同。因此在实际工程施工中，合理选择基坑开挖顺序，可有效减少基坑开挖对隧道的影响。

(3)开挖面积较大时其开挖影响也较大，因此在施工过程中不仅要优化施工顺序，充分利用基坑变形的时空效应选择合理的开挖顺序，通过减小基坑开挖引起的地层变形从而减小对周边敏感结构的影响,而且同时还应做好各分区的支护措施，土方分层开挖时，开挖支撑下一层土方前要确保每道支撑完成并且结构强度满足要求。