巨型基坑开挖对周围环境空间效应影响分析

祁瑞武，邓会元，戴国亮

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 210096；2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

目前我国城市化进程高速发展，超高层建筑的大量兴建以及地下空间的开发利用，大量的深基坑工程面临着由于基坑开挖对周围环境产生的影响。在城市复杂环境中的深基坑开挖，工程师们对于如何对基坑周围的土体变形移动做出可靠的预测特别关注。Peck[1]基于对土体移动来估算对临近建筑物及地下管线的不利影响。Burlard等[2]指出深基坑开挖中坑内土体被挖空必然导致坑外土体发生向坑内移动塌陷的趋势，由此引起支护结构及周围地层的变位，从而对周边环境产生不利的影响。Blackburn等[3]、刘建航等[4]及Wang等[5]对基坑周边土体移动机理以及规律进行了深入研究。由此可见，对于深基坑开挖过程下对于周围土体的变形进行研究具有十分重要的工程实际意义。基坑开挖面积的加大，基坑开挖深度的增加带来了显著的三维空间效应，郑刚等[6]采用有限元法分析了坑角效应对基坑周边建筑物的影响。其他的数值计算成果[7-8]也都证实了坑角效应的存在。

面对复杂的周围环境，在开挖过程中若不对土体的变形进行有效的控制，则会对临近建筑、地下管线以及道路产生不同程度的损害。2008年11月杭州地铁湘湖站施工现场发生塌陷，地面出现长75 m的坑陷，道路下的市政管道设施受到严重破坏，并有多人被埋，是目前国内地铁建设史上伤亡最为严重的事故之一[9-10]。2009年6月上海市某高层住宅轰然倒塌，桩基础连根拔起，上部结构却基本完整，部分原因与南侧正在开挖的地下车库基坑有关[11]。所以在深基坑的设计施工过程中不仅仅要注重基坑支护结构的强度及变形设计与监测，对于周围环境的影响要提前进行分析。Chang[12]认为对于特殊的开挖(如较大尺度或深度)，考虑到经验法缺乏坚实的理论支持，建议采用数值法。

深基坑开挖影响周围土体的原因可以从如下过程简述中得出，基坑开挖后土体水平方向的应力得以释放，由于支护结构并不是理想刚体故产生变形，支护结构同土体一同产生水平位移，同时土体产生竖向位移，由此对周围环境产生不容忽视的影响。根据考虑时空效应估算法，可知基坑的变形与基坑的空间尺寸，基坑暴露的时间有关[13]。此外，刘建航[14]对上海地区大量的实际基坑工程以及试验研究进行归纳总结，认为基坑的空间尺寸、基坑的开挖时间对基坑变形有一定的相关性。在实际工程中，深基坑支护结构体系除了满足强度要求外，还要控制其变形，防止对周围环境产生过大的影响甚至引起破坏[15]。高幸等[16]通过 FLAC3D软件模拟并结合实际工程数据推导出了空间效应影响系数、坑角距离和坑角角度之间的函数关系。故基坑开挖存在空间效应，小型基坑的空间效应不明显，大型基坑的空间效应不容忽视且对基坑安全存在显著影响。

本文以南京市某巨形深基坑这一实际工程为例进行分析，结合有限元软件进行建模分析。研究内容包括支护墙自身变形，对坑外地表沉降影响，深层土体变形影响。

1 工程实测研究

1.1 工程概况

本项目为南京世茂G11地块基坑工程(见图1)，基坑平均地面标高为±0.0 m，基坑开挖周长约473.9 m，面积约为10 806.9 m2，平均开挖深度约为20.35 m，基坑长边方向为140.85 m，短边方向为74.55 m。本工程拟建场地位于南京市建邺区，北面集庆门大街，东面云锦路，西面江东中路，南面幸福河，基坑开挖面积大、深度大，时空效应显著，工程周边环境较为复杂，基坑施工对周边环境的保护要求高，施工场地大，施工难度大。

图1 建设场地平面图

根据基坑的平面形状采用刚度大的以地下连续墙作为支护体系和钢筋混凝土撑作为支撑体系的基坑支护方案。采用受力明确的角撑、对撑桁架体系；在支撑的材料选择方面，考虑到本工程基坑面积大、挖深大，导致支撑轴力大，支撑材料选用整体性好、刚度大的四层现浇钢筋混凝土支撑，每道撑间距如图2所示。

图2 基坑剖面图

1.2 监测结果分析

在实际施工中，为准确掌握基坑开挖引起的变形对周围环境的影响，判断基坑以及周围环境的安全状态，在基坑周围共布设多个沉降监测点，如图1所示。其中北侧集庆门道路沉降共布置23个道路监测点，选取R19-1、R19-2、R19-3、R19-4作为基坑长边中部的重点监测点，分别距离基坑25 m、30 m、40 m、50 m；选取R23、R24分别为长边及短边的角部重点监测点分别距离基坑15 m、20 m；西侧道路沉降共布置30个道路监测点，选取R26-1、R26-2、R26-3、R26-4作为基坑长边中部的重点监测点，分别距离基坑10 m、25 m、40 m、50 m。分别将各个监测点在监测期间内沉降位移的时间分布曲线绘制于图3中，可以发现：目前基坑实际工况正处于第二层开挖阶段，靠近基坑处沉降明显，离基坑越远，沉降值不断减小，中部沉降远大于角部沉降，两者相差四倍左右；长边沉降远大于短边沉降，长边最大沉降在9 mm，短边最大沉降在4.5 mm左右，两者相差两倍。由于实测数据受限于实际工程进度，加之本项目需要对后续施工引起的周围地表沉降有一个合理的预测，故需进行有限元数值模拟。

图3 周边道路沉降时间曲线

2 基坑数值模拟方案及设计

2.1 计算模型

利用有限元软件考虑对周围环境的影响，以下建立了简化后的基坑模型，江东中路距离基坑为39.7 m，集庆门大街距离基坑约为24.3 m，通过大型通用有限元模拟软件PLAXIS 3D对基坑及周围环境进行数值建模。基坑模型及土体为实体模型，立柱桩桩基采用Embedded Beam桩单元。整体模型的边界尺寸为500 m×500 m×75 m，模型的前后左右约束相应的侧向位移，底部约束竖向位移。整体模型如图4所示。

图4 基坑及土体模型示意图

2.2 模型参数

2.2.1 土层模型参数

拟建南京G11基坑位置场地的土层分布均匀，模型计算所用的土体物理参数选取邻近的钻孔号WK28地层资料作为建模所用的土体参数。徐中华等[17]提出高级本构模型更能够合理体现围护结构变形以及坑外土体的位移。本土体模型选用土体硬化模型(HS模型)，是分析考虑时空效应的深基坑开挖引起的土体边位的合理适用的高级土体本构模型，但最下面4-1、4-2层这两层岩层则采用摩尔-库仑模型，数值模拟需考虑地下水的影响，立柱桩桩身为线弹性材料，并且考虑桩-土接触面的接触-滑动-脱开。

PLAXIS 3D中定义的土体硬化模型(HS模型)，需定义E50、Eoed、Eur、m等参数。一般根据地勘资料中的压缩模量Es0.1～0.2大致判断土体的软硬程度，从而估算土体硬化模型的本构模型的参数。针对软土、黏土、砂土，可按照以下经验方法进行取值。

(1) 软土。例如软黏土、淤泥质土等，当压缩模量在2 MPa～3 MPa时，通常可按照以下关系选取：

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1.0∶1.5∶1.0:8.0

(1)

(2) 黏土。例如正常固结黏土、粉质黏土、粉土等，当压缩模量在6 MPa～8 MPa时，通常可按照以下关系选取：

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶5

(2)

(3) 砂土。例如细砂、中砂、粉砂、砂砾石等，当压缩模量在18 MPa以上时，通常可按照以下关系选取：

Es0.1～0.2∶E50∶Eoed∶Eur=1∶1∶1∶3

(3)

上述比例关系的规律可总结为：以Es0.1～0.2为基数(尽管Es0.1～0.2与Eoed是不同刚度，但经验上可取数值相等)，土体的压缩模量越大，其他刚度参数与它的比例就越小。m值一般在0.5～1.0左右，土质越差，取值越大。

根据上述土质参数经验取值原则，可计算得到土体硬化模型的本构模型参数，计算结果如表1所示。

表1 PLAXIS 3D模型土体参数

2.2.2 基坑模型参数

模型中地下连续墙采用两种厚度,分别为1.2 m和1.0 m；四层支撑都采用钢筋混凝土支撑，第一层支撑截面面积采用750 mm×950 mm，第二层支撑截面面积采用950 mm×1 200 mm，第三层支撑截面面积采用1 150 mm×1 300 mm，第四层支撑截面面积采用950 mm×1 000 mm；立柱桩采用桩径为1.2 m，模型中单元参数取值见表2。

表2 模型材料参数

3 基坑数值模拟结果与分析

3.1 整体模型位移计算结果

基坑施工到开挖至坑底的周围地面位移云图如图5所示。

图5 整体模型沉降位移云图

结合工程实际监测数据，不难发现实测数据与计算结果中基坑开挖初期地表周围沉降变化规律基本吻合。从上述计算结果可以看出，在整个施工阶段，东侧UG段周围土体的沉降较明显，其最大值为128 mm，主要是由于内支撑不合理受力导致地下连续墙向内变形较大而引起周围土体沉降明显，但考虑此侧周围环境为未开挖土体，并无居民住宅等敏感结构，故不进行额外的控制措施。对于北侧PQ段，由于在中部设置对撑，其坑外土体在对撑作用范围外左右处的沉降值较大，其值约为30 mm左右，对于西侧QU段，沉降值较大处位于其边中部，约为20 mm左右。由于云图无法得出详细的沉降值，故在下述取不同位置的地表进行进一步的分析，从而进一步探究空间效应。

3.2 地表沉降计算结果

为了研究基坑在施工过程对周围土体的位移变化规律，以下重点分析基坑长边方向和短边方向地表土体沉降变化，同时考虑基坑的空间效应，取坑外中部和坑角处进行分析，结果如图6—图13所示。

3.2.1 长边方向坑外中部地表土体沉降计算结果

从图6中的沉降曲线可以看出，随着开挖深度的逐渐增大，基坑开挖对地表沉降影响不断增加，沉降曲线也逐渐趋向于勺状，沉降最大值出现在开挖至坑底这一工况，最大值为18.7 mm，位于坑外0.8倍开挖深度。凹槽范围体现出这一区域的地表沉降显著，大约为1.5倍开挖深度。

图6 长边方向基坑中部地表土体沉降曲线

3.2.2 短边方向坑外中部地表土体沉降计算结果

相比于长边方向，图7中短边方向基坑中部的沉降曲线近似于勺状，但存在两个凹槽且沉降最大值明显减小，整个开挖过程中沉降最大值出现在开挖至坑底，沉降最大值为7.4 mm，位于距离基坑0.5倍开挖深度附近。在大凹槽再远处出现一个小凹槽，并且可以看出大凹槽产生的位置基本与图1中长边方向产生凹槽的位置接近，此外在基坑周围附近出现土体向上隆起的趋势。

3.2.3 长边方向坑外坑角地表土体沉降计算结果

从图8中的地表土体沉降曲线不难得出，坑角长边方向距离基坑5 m处有一个地表基本不发生沉降，但在地连墙处产生最大位移，之后在5 m之外呈勺状，沉降最大值为4.1 mm。

图7 短边方向基坑中部地表土体沉降曲线

图8 长边方向坑角地表土体沉降曲线

3.2.4 短边方向坑外坑角地表土体沉降计算结果

从图9中可以看出，坑角短边方向沉降曲线已经不再呈现出勺状规律，大约在5 m处有一个向上的凸起，在45 m处有一个向下的凹槽，沉降最大值出现在凹槽处，为1.7 mm。

图9 短边方向坑角地表土体沉降曲线

通过图10对长边短边两个方向及中部角部两个的对比分析，可以看出中部处沉降曲线形状基本一致，角部处沉降曲线部分相似；长边方向地表沉降大于短边方向地表沉降，长边方向地表沉降大约是短边方向的两倍；中部处的地表沉降大于角部处的地表沉降，中部处的地表沉降大约是角部处的四倍左右。由此可以看出基坑开挖对周边环境的影响存在显著的空间效应。

图10 地表土体沉降曲线对比图

3.3 地下连续墙变形规律

通过处理长边方向中部一点的地连墙在各个工况不同深度下的位移值得到了长边方向中部地下连续墙各工况下水平位移图11。从图11中可以发现，开挖第一层时由于开挖深度不是很大，地连墙的变形如同悬臂梁变形，最大位移位于基坑开挖面处；之后随着开挖深度的不断增加，水平位移曲线逐渐呈现为弓状，并且水平位移最大值随着开挖深度的增加而不断下移；当开挖至坑底时，即开挖深度约为20 m时，水平位移最大值并非发生在墙体深度中部，而是在中部偏下，约为16 m处。

图11 长边方向中部地下连续墙各工况下水平位移曲图

总之，墙体水平位移过大导致基坑开挖施工过程在后期阶段极其容易出现混凝土受弯过大导致开裂，不利于混凝土安全，同时如果混凝土开裂较大易导致坑外水渗入坑内，不利于施工安全。因此，需要合理有效地控制墙体水平位移，减小对周边环境的影响。

3.4 基坑施工对深层土体变形影响

为了研究基坑施工过程对周围土体的位移变化规律，以下重点分析基坑长边方向和短边方向土体剖面沉降和水平位移变化，选取距离基坑边上不同距离的土体进行分析，计算结果如图12—图13所示。

图12 长边方向轴线剖面深层土体水平位移图

图13 短边方向中轴线剖面深层土体水平位移图

从计算结果可以看出，土体水平方向位移随着离坑边的距离的增加，其最大值不断变大，在离基坑较近时，位移曲线的特点为水平位移最大值位于地表，随深度不断减小，当距离不断增加时，位移曲线发生变化，最大值下移，曲线形状变为弓型，由此可见水平位移曲线随着距离的不断增加，可分为两个模式。与此同时，不难看出第一种的曲线规律与龚晓南等[18]提出的围护结构四种变形中悬臂式特点基本吻合，第二种的曲线规律与地连墙水平变形中弓形式特点基本吻合。

将长边方向与短边方向的计算结果进行对比，可以看出在基坑附近处两者的水平位移最大值差距较小，在1 mm～2 mm左右；随着观测点离基坑距离的增加，可以看出长边方向土体的深层水平位移较大，短边方向相对较小，两者之间差值在13 mm左右再次验证了深基坑开挖存在时空效应。并且由于实际工程中周边建筑物离基坑存在一定距离，故开挖影响产生的时空效应不容忽略。

4 结 论

通过大型通用有限元模拟软件PLAXIS 3D对基坑及周围环境进行数值模拟分析，得出如下结论。

(1)坑外深层土体的水平位移与地连墙的变形的曲线特点基本吻合，说明两者存在着紧密的联系，由此可以看出地连墙的变形导致土体发生向坑内的位移。

(2)通过对基坑不同位置的对比分析，可以看出中部处沉降曲线形状基本一致，角部处则部分相似；长边方向的地表沉降比短边方向大2倍左右；中部处的地表沉降比角部处大4倍左右。由此证实大型深基坑开挖对周边环境的影响存在着显著的空间效应。

(3)对于墙体变形，开挖第一层时由于开挖深度不是很大，地连墙的变形如同悬臂梁变形；之后随着开挖深度的不断增加，水平位移曲线逐渐呈现为弓状，并且水平位移最大值随着开挖深度的增加而不断下移；当开挖至坑底时，水平位移最大值在墙体深度中部偏下处。