基于开挖方法对深基坑变形的分析与施工优化

倪 茜， 车拿单， 郁万荣， 侯建帅， 高金瑞， 刘娜娜

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院， 西安 710054； 2.石榴置业集团有限公司， 上海 200000)

目前由于建筑规模的扩大，基坑施工变得越来越复杂，无论是前期设计还是后期施工，如果不能很好地控制基坑自身变形及周边环境的变形，轻则会造成基坑返工，增加工程量和经济支出，重则有可能对基坑及周边环境的安全造成破坏，甚至出现人员伤亡。因此在基坑设计和施工过程中，提前掌握基坑的变形情况，通过开挖来对基坑变形进行控制，可以保证基坑安全的前提下节约成本和提高效率。

李波等[1]采取室内模型试验的方式对深大基坑中的围护结构的变形及内力进行了研究，表明基坑围护结构随着基坑开挖的进行，墙体的最大位移逐渐增大并且最大位移的出现位置也在下移。Wang等[2]整理了上海地区近300个采用了不同支护方法、不同施工方案的基坑工程实例，通过统计分析其变形数据的方法研究了空间效应影响下基坑的变形性状。徐凌等[3]利用FLAC3D数值模拟软件对排桩支护的深基坑施工过程进行了模拟，并与设计软件的计算值进行了对比，结果表明数值模拟能够较好地反映围护结构的水平位移。目前，大多数学者主要是根据现场监测数据对基坑空间效应的表现形式进行分析[4-13]，也有一些学者通过数值模拟的方式总结了基坑变形的规律后，通过改变一些参数的方式对基坑施工进行了优化[14-21]，很少有人研究通过改变施工工法来减小基坑变形。

为此，以上海某深基坑为背景，基于FLAC3D模型选取分区分层开挖和边退边挖两种开挖方式对基坑进行开挖模拟，分析开挖过程中基坑自身和周围环境的变形规律，并比较两种开挖方式的优劣，利用计算结果分析周边地表沉降和围护结构水平位移情况，利用数值模拟的方法优化支护方式及开挖方法，以期为同类型基坑提供参考。

1 工程概况

工程位于上海浦东新区，基坑面积7 784.3 m2，东西长120 m，南北宽100 m，基坑深10 m；基坑北侧为空地，东侧、南侧为市区公路，西侧是一条小路，基坑边距离红线最近分别为4.0、4.3、3.3、2.3 m。东侧公路下部分布有上水管线、通信管线、雨水管线、污水管线、煤气管线、电力管线，距离红线最近分别为2.8、5.7、10.0、14.0、18.5、22.5 m。南侧公路分布有多条市政管线，主要有分布有电力管线、上水管线、通信管线、雨水管线、污水管线、煤气管线、电力管线，距离红线最近分别为1.0、2.7、5.0、7.6、11.8、15.8、17.7、19.2、23.0 m。小路上分布有通信管线、煤气管线，距离红线最近分别为1.0、1.5 m。基坑的围护结构采用型钢水泥搅拌墙及二道钢筋混凝土内支撑相结合的形式，基坑围护结构平面图如图1所示。

图1 围护结构平面布置图Fig.1 Layout plan of enclosure structure

2 基坑监测

2.1 围护结构侧向位移监测

通过在围护结构后部的土体中埋设测斜管的方式对基坑围护墙的水平位移进行监测。根据基坑空间变形的规律，选择在基坑每条边的中部和边角设置测斜孔，在基坑围护后部的土体内共布置孔深约为20 m的测斜孔8个，编号分别为P01～P08，如图2所示。基坑的南、北侧坑壁分别设置3个测斜孔，并位于基坑中部和基坑边角。由于两条边的基本荷载情况差别不大，故选基坑北侧壁的监测数据进行分析。基坑北侧壁的监测点编号分别为P05、P06、P07，其中测孔P06位于基坑的中部，其余两孔位于基坑边角。场地的土层性质如表1所示。

图2 测斜孔布置情况Fig.2 Arrangement of inclinometer holes

表1 场地土层性质

2.2 地表沉降监测

基坑开挖会引起周边土体的沉降，如果沉降超过限值，会对周边环境造成危害。为控制基坑周边环境的稳定，拟在基坑周边布置5个沉降监测剖面共计25个沉降监测点，如图3所示。

图3 地表沉降监测点Fig.3 Surface subsidence monitoring point

3 有限元模型的建立

3.1 模型尺寸和单元划分

选取分区分层开挖和边退边挖两种开挖方式对基坑进行开挖模拟，分析开挖过程中基坑自身和周围环境的变形规律，并比较两种开挖方式的优劣。在本次计算中，对第二层土方采用两种方法开挖，基坑的分区如图6所示。

图4 基坑模型图Fig.4 Foundation pit model drawing

3.2 模型参数及边界条件

对基坑开挖及支撑施工进行数值模拟计算，计算得到的云图如图7(a)～图7(d)所示。由图7(e)～图7(f)可以看出：在基坑施工结束后，对于不同沉降监测剖面，虽然地表沉降值存在一些差别，但总体趋势保持一致。地表沉降值基本上表现为距离基坑壁较近处沉降较小，沿着远离基坑方向，呈现先增大后减小的抛物线形，最大沉降值约为15 mm，约出现在1倍开挖深度处，基本接近监测数据表明1.15倍的开挖深度。围护结构的水平位移也表现为两端小中部大的涨肚式变形，最大水平位移出现的位置约为地下9～10 m处，即0.8～0.9倍的开挖深度处，单独分析同一条边上的P05、P06、P07 这3个监测点，水平位移值显然表现出P06水平位移最大，其余两个测点次之。每个测点的最大位移值都在35～50 mm，但基坑最大侧移达到60 mm以上，说明大开挖的方式不适合此基坑。

表2 结构单元材料参数

3.3 计算模型施工阶段的划分

基坑开挖之前需要进行初始地应力平衡，开挖过程通过设置空模型来实现，根据施工要求，基坑随挖随撑，具体施工模拟步骤如表3所示。

表3 基坑开挖数值模拟过程

4 基坑变形数值模拟分析

4.1 地表沉降数值分析

提取基坑开挖结束时B2剖面地表沉降监测数据与数值模拟数据进行对比，结果如图5(a)所示。从图5(a)可以看出，数值模拟结果与实际监测二者的趋势均为先增大后减小的倒抛物线形，二者沉降值差别为15%～20%，最大沉降值出现的位置基本一致，约距围护结构17 m。

4.2 围护结构水平位移数值分析

提取基坑开挖结束时P07测点的监测数据与数值模拟数据进行对比，结果如图5(b)所示。由图5(b)可以看出，无论是现场监测数据还是数值模拟数据，基坑围护结构的水平位移随深度的增加呈现先增大后减小的趋势。现场监测数据表明，基坑围护结构的水平位移最大值为41.1 mm，最大水平位移发生位置约位于地表以下9 m，即0.8～0.9倍的开挖深度处。从数值模拟数据发现，基坑的最大水平位移47.9 mm，最大侧移发生位置位于地表以下10 m，即0.9～1倍的开挖深度处。数值模拟和实测数据基坑最大侧移约相差15%，最大侧移发生的位置约相差10%，表明模拟结果是合理的。

朱永新：我一直认为，做重要的事情总是有时间的。要想找到阅读的时间，首先必须从思想上真正把阅读当作最重要的事情。试想某一天，你本来已经把时间排满了，可你生命中最重要的人突然约你相见，你会不去吗？不会，你肯定会想方设法相见的。我认为，阅读就是我们生命中最重要的这个人。认可这一点，就一定能找出时间。教师的工作忙是事实，但也是借口。时间对每个人而言都是固定不变的，之所以会忙得没有时间阅读，是因为还没有把阅读当作自己人生中最重要的事情。

图5 两组数据对比Fig.5 Comparison of two groups of data

对比数值模拟数据与监测数据可以发现，各监测项目的误差基本控制在20%以内，且监测数据与模拟数据变化趋势基本保持一致，这说明数值模型建立的较为合理。

5 开挖方式对基坑变形的影响

在本工程中，选择摩尔库伦模型作为未开挖土体的本构模型，由于内支撑及围护结构均为混凝土材料，故选择弹性模型作为二者的本构模型，对于已经开挖的土体，则选择空模型进行模拟，土体和地下连续墙用实体单元模拟，内支撑、围檩用梁单元进行模拟，立柱用柱单元进行模拟。模型的长宽深分别为基坑长宽深的3倍，基坑模型尺寸的选取可以确定为360 m×300 m×30 m。网格划分后的具体情况如图4(a)所示，共划分单元96 195、102 510 个节点。模型分组情况如图4(b)所示。基坑围护结构的基本情况如图4(c)所示。

图6 基坑分区Fig.6 Foundation pit zoning

采用前述内容中建立的基坑模型和参数，按照上述的两种开挖方式分别对基坑进行开挖计算，利用计算结果分析周边地表沉降和围护结构水平位移情况，具体结果分别如下所述。

5.1 竖向分层顺序开挖

采用大开挖的方法可以获得较大的开挖工作面，加快基坑开挖速度及出土速度，极大缩短基坑施工时间；缺点基坑的变形较其他开挖方式较大。首先采用大开挖对基坑进行开挖，分析基坑的模拟数据，以确定此基坑是否适合大开挖的方式。

基坑开挖及支撑的施工工况如下。

依据图1表征的信息可以大致发现，若蚂蚁A（组团A）至少完成一段（全程或局部）有效反馈行为——正反馈过程，对蚂蚁巢穴具有积极的正相关作用；若蚂蚁（组团）无法完成一段有效反馈行为——负反馈过程，对整个蚁群而言属于内耗亏损行为过程，增加整个蚁群定靶食物源难度[5]．

工况1第1层土方大开挖，开挖至-2.4 m。

工况2在-1.9 m处施作第1道支撑。

工况3第2层土方分成3次大开挖，由-2.4 m开挖至-7.9 m，开挖深度5.5 m，每次开挖深度约1.8 m。

工况4在-7.4 m处施作第2道支撑。

工况5第3层土方分2层开挖，开挖深度由-7.9 m至基底标高-11 m，开挖深度3.1 m。

土层的具体数值参数如表1所示。围护结构、内支撑及立柱的参数按照钢筋混凝土的强度等级来选取，具体数值如表2所示。本基坑主要计算基坑影响范围内围护结构及土体的变形情况，因此要对模型施加相应的约束，以限制无关部位的变形，因此在模型侧面设置水平约束，底面设置竖向约束，顶部则不设约束。

①中国近代教育史专著，较有代表性的有多卷本“中国近代教育专题史论丛”(人民教育出版社2008年版)和多卷本“中国教育史研究”(华东师范大学出版社2009年版)；以往的相关研究成果，可参阅许庆如撰写的《中国近代乡村教育研究的回顾与展望》，载《河北师范大学学报(教育科学版)》2012年第9期。综观上述论著，大多侧重教育史本身的考察，结合当时具体社会环境的研究有待加强。

教师将生活中常见现象引入到物理教学中去，可以将原本枯燥的课程变得生活化，这对于提高学生的学习兴趣具有重要的作用。在学习有关摩擦力的章节时，学生可以观察走路时人的前脚后脚摩擦力方向，推自行车时前轮后轮的方向，骑自行车时前轮后轮的摩擦力，由此与生活实际相结合可以增强学生学习兴趣，有效提高学习效率。

图7 竖向分层顺序开挖模拟图Fig.7 Numerical Simulation Diagram of Vertical Layered Sequential Excavation

5.2 分层分区跳挖

本部分采用跳挖的方式对基坑进行分区开挖，将第2层土体分别分成2层和3层进行开挖，分析两种开挖方法下的基坑坑壁位移情况，以求在控制基坑变形的情况下，获得最快速的施工方法。具体做法如下。

式中：Vx，Vy为流体运动速度矢量；μ为流体的动力黏滞系数；q为单宽流量；Jf为裂隙水流的水力梯度；γ为地下水的比重；b为裂隙宽度；Kf为裂隙的渗透系数。

工况1第1层土方大开挖，开挖至-2.4 m。

2.3.3 开放性意见 在开放性意见一栏中，49名受访者给出了建议，其中14名受访者表示希望能加强宣传，认为目前国内共识及指南普及不足，获取途径不畅。其他意见包括希望指南更加细化、给出具体讲解；希望指南制定流程更规范等。

工况2在-1.9 m处施作第一道支撑。

工况3第2层采用跳挖的开挖方法分3层开挖，每层约1.8 m，每一层的开挖顺序为：先开挖①、②区，后开挖⑤、⑥区，最后挖③、④区。

(2)第2层跳挖。跳挖相对于顺序开挖对于水平位移和地表沉降均具有较好的控制作用。但将第2层土方分3层开挖较为费时费力，若将第2层土方分成两层开挖则可以在一定程度上缩短工期。对第一层土方的开挖模拟数据分析可以看出，每次进行深度为2.5 m左右的土方开挖是可行的，因此根据工况3-1的开挖方法对第2层土方进行开挖。围护结构的水平位移及基坑周围地表沉降的模拟云图及统计图表列出如图9(a)～图9(e)所示。

工况4当每个区域的土方挖至相应标高，在所限定的时间内进行土体抽条开挖以及在-7.4 m处进行第2道支撑底模及混凝土的施工。

工况5第3层土方工况的分区方法进行分区，按照顺序开挖的方法，由左至右分两层开挖至基底标高。

(1)分3层跳挖。保持前述的模拟参数不变，基坑第2层土方开挖按照工况3所表述的方法进行开挖，将开挖结束后基坑的水平位移和地表沉降云图提取如图8(a)～图8(c)所示。将相应监测点的水平位移及地表沉降的模拟数据绘制如图8(d)和图8(e)所示。由图8(d)可以看出，在基坑施工结束后，各个沉降监测剖面的最大沉降值约处于6～10 mm，相对于顺序开挖，地表最大沉降值基本减小了30%，地表沉降值的总体趋势仍保持沿着背离基坑方向先增大后减小的抛物线形，最大沉降点出现在0.9～1倍开挖深度处，在距离基坑5倍开挖深度外，沉降值基本接近于0。图8(e)表明围护结构的水平位移的趋势也表现为两端小中部大的涨肚式变形，最大水平位移位置出现在开挖面以上，为0.8～0.9倍的开挖深度处，各个测点的最大位移值为30～45 mm，相对于顺序开挖时，水平位移减小了10%～20%。单独分析同一条边上的P05、P06、P07监测点可以看出，水平位移值显然表现出基坑中部监测点P06的水平位移最大，其余两个边角测点次之的情况。

作为目前国内首家也是唯一一家上市的书刊印刷企业，盛通印刷市场份额、品牌价值和行业影响力雄厚，拥有很大发展空间和优势，但他们不仅没有满足原有行业所带来的业务增速，还针对业务多元化布局以及盈利能力的可持续发展提出了更高的要求。“无论是新工厂的设计，还是老工厂的改造，盛通印刷未来的方向就是打造智能化工厂，而实现多元化发展也是盛通印刷未来努力的方向。”唐正军强调说。

图8 分3层跳挖数值模拟Fig.8 Numerical simulation of jumping and digging in three layers

工况3-1第2层土方采用跳挖的开挖方法分两层开挖，每层约2.8 m。每一层的开挖顺序为：先开挖基坑①、②区，随后开挖⑤、⑥区，最后开挖③、④区。

图9 第2层跳挖数值模拟图Fig.9 Numerical simulation diagram of the second layer of jumping excavation

由图9(d)、图9(e)可以看出，分成2层跳挖与分成3层跳挖相比，基坑周边地表沉降和围护结构最大水平位移均没有明显的差别，位移均在可接受范围内，最大位移出现的位置和基坑的变形趋势也保持一致。但分成2层开挖大大的加快了施工速度，这表明分成2层跳挖相对于分成3层跳挖具有明显的优势。

5.3 台阶式后退开挖

工况1第1层土方大开挖，开挖至-2.4 m。

工况2在-1.9 m处施作第1道支撑。

工况3第2层土方采用台阶法，由基坑一侧向另一侧后退开挖，分成3个台阶进行开挖，每层台阶宽度10～12 m，各个台阶之间采用1∶1.5放坡[图6(b)]。

工况3-1由基坑一侧向另一侧后退开挖，分成两个台阶进行开挖，每层台阶宽度10～12 m，各个台阶之间采用1∶1.5放坡[图6(b)]。

工况4当每个区域的土方挖至相应标高，在限定的时间内在-7.4 m处进行第2道支撑底模及混凝土的施工。

由公式可知：变压器损失率ΔP%是变压器负载系数的二次函数，当负载系数等于此时是最小损失率的负载系数，称为有功经济负载系数。

工况5第3层土方分区分层开挖至基底标高。

(1)分3个台阶倒退开挖。按照工况3-1所表述的开挖方法对土体进行开挖，提取基坑变形的受力云图如图10(a)～图10(c)，并将相应监测点的数据绘制成图表如图10(d)～图10(e)。

我在心里对三爹和母亲说，你们过去为我受了那么多苦，我没法回报你们，这些钱是我在北大这几年存下来的，希望你们能用上它，让日子过得好一点，看着你们一天天变老，我心里很难受。现在儿子长大了，就让儿子尽力回报你们吧。三爹，母亲，希望你们用上这笔钱，照顾好身体，你们健康就是儿子最大的福分，儿子心里也能踏实一点。

图10 分3个台阶倒退开挖模拟图Fig.10 Numerical simulation diagram of backward excavation with three steps

由图10(d)可以看出：在基坑施工结束后，各个沉降监测剖面的最大沉降值处于6～10 mm之间，相对于跳挖，地表最大沉降值基本与其持平，地表沉降值总体趋势与最大沉降点位置也基本保持一致。由图10(e)可以看出围护结构各个监测点的水平位移值较为均匀，各个监测点的最大位移值为35～40 mm，这主要是因为每个区域开挖完成后及时地进行了支撑，且分区域一次性开挖到支撑位置，缩短了开挖宽度，能够让支撑后的土体充分发挥土拱效应，限制围护结构的水平位移。

(2)分两个台阶倒退开挖。与顺序开挖和跳挖相比，分3个台阶倒退开挖对基坑位移表现出了较好的控制作用，但分成3个台阶开挖工序较为复杂，会在一定程度上增加工期和成本，因此可以尝试分成两层进行开挖，若与3层开挖在位移控制方面没有明显的劣势，可以采取两层倒退开挖的方式进行开挖。按照工况3-1所表述的开挖方法对基坑进行开挖，将模拟所获得的结果罗列如图11(a)～图11(e)所示。

“电力系统继电保护”课程考核采用的是平时成绩加考试成绩，平时成绩一般占比为30%，考试成绩为70%，所以很多学生非常看重最后的考试成绩，对平时课堂上的表现打分不够看重，导致学生课堂回答问题不积极，平时作业应付教师，期末考试前突击复习，对课程上的知识点不求甚解，只要求自己进行背诵就行。这样的后果就是学生只记住了概念，但对于继电保护没有深入理解，从而无法进行应用。

由图11(d)和图11(e)可以看出：分成2层与分成3层倒退开挖相比，周边地表沉降和围护结构最大水平位移均没有明显的差别且均在可接受范围内，最大位移出现的位置和基坑的变形趋势也保持一致。

图11 两台阶倒退开挖模拟图Fig.11 Simulation of two-step backward excavation

5.4 基坑开挖变形控制优化分析

分析表明：对于各个开挖方法，待开挖土体的分层数对基坑的变形不会产生较大的影响。3种不同的开挖方法对于基坑变形的控制能力依次是台阶式退挖、跳挖、竖向顺序分层开挖。同时由基坑的变形云图可以看出，无论何种开挖方式，基坑的最大变形值总是出现在基坑的东南角。造成这种情况的主要原因：一方面是东南侧坑角的角度变化比较大，围护结构受力不均匀；另一方面是因为基坑东侧的宽度较大，采用沿基坑长度分3段开挖的方式导致第3段土方开挖后不能够及时进行支撑。因此可以对第3段土方分成南北两段进行开挖，即先开挖⑤区，⑤区开挖完毕后及时作⑤区的支撑，后再对⑥区进行开挖和支撑。采用该种施工方法对台阶式退挖进行改进，提取计算结果如图12(a)～图12(e)所示。

NI Chen-ming, NI Can-rong, JIN Gang, JIAO Li-juan, LI Lian-feng, ZHENG Jian-ming

图12 优化后基坑变形模拟图Fig.12 Simulation diagram of foundation pit deformation after optimization

由图12(d)可以看出，采用新的开挖方式后，基坑周边的沉降显然变得更加均匀，没有出现最大沉降值出现在一个区域的现象，最大沉降值也由之前的10 mm左右减小到8 mm左右。图12(e)表明基坑围护结构的水平位移较之前相比有所减小，最大水平位移由原来的45 mm减小到40 mm，最大位移的产生位置仍然位于长边的中点，即P07处。在采用了新的开挖方式后，基坑东南角监测点P05的水平位移由35 mm减小到25 mm，说明新的开挖方式有效地控制了基坑围护结构的水平位移。

Yang：My master，we haven’t cooked for several days because of the big snowfall.

6 结论

采用数值分析软件FLAC3D，通过改变基坑的开挖方式对基坑周边的地表沉降和基坑围护结构的水平位移进行计算与分析，并通过对比各监测项目的表现，得出了合理的开挖方式，具体结论如下。

(1)无论是何种开挖方式，周边地表沉降与围护结构水平位移都表现为一致的趋势，周边地表沉降表现为沿远离基坑方向先增大后减小的抛物线式变形，围护结构水平位移呈现中间大，上下小的涨肚式变形。

(2)对比不同的开挖方式后发现，分层倒退开挖和分层跳挖相对于分层大开挖都有明显的优势，地表沉降值减小了30%，水平位移值减小了20%，无论是何种开挖方法，分层的数量对于最终的计算结果没有明显的影响。

目前，由于大多数T2DM患者由于对自身疾病认识不足、皮下注射腹部定位卡缺乏了解及不注意自我监测和注意饮食等原因，且住院期间由于认知、情绪、环境等因素的变化，从而导致血糖控制不佳，并发症发生率的增加，严重影响患者预后，因此，寻求更合适有效的干预方式成为近年来的研究重点[4]。

(3)基坑的沉降变形及水平位移在基坑东南角变化较为剧烈，对基坑⑤、⑥区域采取分段开挖后地表沉降和水平位移均得到了有效控制。