邻近双基坑单层土体分块开挖顺序分析

周 伟

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804；2.上海勘察设计研究院(集团)有限公司 上海 200093)

1 引言

近年来，随着城市化进程的加快，相邻基坑同步开挖的工程案例越来越多。目前，国内外学者已对相邻基坑开挖的相互影响规律进行了一定的研究。徐伟等[1]通过对采用土体错开一层的交叉施工方式的某相邻基坑的施工监测分析知:远离相邻位置的围护墙受邻近基坑施工的影响较小，相邻位置围护墙顶的水平位移随基坑间距的减小而增大；丁智等[2]通过对杭州某邻近基坑工程监测数据的分析知:前基坑土方开挖完毕后再开挖后基坑土体时，后基坑的开挖会减小前基坑的支撑轴力，并使两基坑间的土体向前基坑倾斜；叶建峰等学者[3－6]研究了相邻基坑间距、两基坑土层不同开挖工序和支护方式等因素对坑外和坑间土体沉降及围护结构变形等的影响；Hou等[7]对相邻基坑的同时施工提出了分区开挖以减小其相互影响的施工方案。目前关于相邻基坑施工的研究主要是以一层土体为单位，对相邻基坑同步开挖时，其单层土体分块开挖顺序的研究相对较少。而相邻基坑单层土体开挖顺序的不同直接决定土体应力释放次序，从而对围护结构的受力与变形等产生较大的影响，因此利用PLAXIS 3D建立相邻基坑的三维模型，探讨邻近双基坑同步开挖时，单层土体分块开挖次序对坑外及坑间地表沉降、坑内土体隆起以及围护结构水平变形的影响特征。同时分析单层土体分块开挖对围护结构水平变形减小的比例随施工推进的累加变化。

2 工程概况

项目所在地位于上海市闵行区七宝镇闵行文化公园东侧，是上海市“十二五”重点发展的25个现代化服务业集聚区之一，占地约41万m2，共9个规划地块，本文主要研究位于东北角的19-01(基坑A)和19-02地块(基坑B)。两基坑的净距约为12.2 m，基坑安全等级为一级。基坑A开挖深度14.75 m:第一层1.4 m，第二层5.05 m，第三层4.5 m，第四层3.8 m；基坑B开挖深度14.05 m:第一层1.3 m，第二层5.55 m，第三层3.95 m，第四层3.25 m。两基坑均采用钻孔灌注桩排桩加三道钢筋混凝土支撑进行围护，采用三轴搅拌桩作为止水帷幕。两基坑的平面与剖面示意见图1、图2。

图1 基坑支撑布置平面图

图2 基坑A与基坑B相邻位置基坑围护剖面图(单位:m)

本工点场地的岩土分层情况与各土层的材料力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

3 有限元模型的建立与验证

3.1 模型建立

模型长 400 m、宽400 m、深40 m，如图3所示。土体本构采用小应变土体硬化本构(HSS)，几何模型两侧施加水平约束，底面施加水平和竖直约束。

图3 有限元模型示意

为便于计算，有限元模型在实际情况的基础上进行了如下简化:

(1)用于验证有限元模型可靠性的实际施工工况为开挖完第二层土体(地下室一层)，改变基坑B还未开挖的地下室二、三层的开挖方案对验证模型的可靠度影响较小。因此，为使后续模型计算结果更易收敛，将基坑B地下室二、三层开挖区域调整为与地下室一层一致，其二、三道支撑布置形式简化为与第一道相同。

(2)排桩结构作为一种支护结构，其主要承受侧向压力，利用等刚度替换的方法将支护桩等效为地下连续墙，用板单元进行模拟。相应的等效公式为[8]:

式中，D为钻孔灌注桩桩径(m)；t为桩净距(m)；h为等效后连续墙厚度(m)；Ec为连续墙弹性模量(Pa)；Es为桩体弹性模量(Pa)。

3.2 基坑监测方案

为指导基坑的安全施工，分析邻近双基坑同步开挖时的相互影响，本工程监测项目包括:围护墙顶部垂直与水平位移、围护墙墙体侧向位移、支撑轴力、周边地表沉降等。本文主要关注围护墙墙体的侧向位移情况，基坑围护结构的测斜点位布置情况如图1所示。

3.3 计算与实测结果对比验证

为校核调整有限元模型的参数，以2018年8月5日两基坑开挖完第二层土体时的实测数据为有限元模型建模依据，将计算结果与实际监测数据进行对比验证。基坑A选取测斜点P1、P7、P9，基坑 B选取CX1、CX4和CX17(见图1)来对比计算结果与实际监测围护结构水平变形的差异。

围护结构最大水平变形的大小及其所在深度往往是影响基坑安全施工中最为关键的因素。由计算与实测数据的对比结果(见图4)可见，基坑A的P1、P7与P9处计算结果与实测结果在围护结构的最大水平变形数值大小及其埋深两方面拟合程度较好，基坑B的CX1和CX17两点拟合较好，但在CX4处其围护结构最大水平变形的计算结果大于实际监测数据，这是由于数值模拟采取的第二道支撑布置方式其支护效果在基坑B右侧要弱于实际采取的支撑方式。因此可以认为，数值模拟结果具有较高的可靠度。

图4 数值模拟结果与监测数据对比

4 单层土体分块开挖研究

4.1 施工流程介绍

由以往的基坑施工案例[9－12]可知，整个基坑施工过程中围护结构的变形与土体位移大部分是在较深的第三、四层土体开挖过程中产生。因此，在经过验证的有限元模型的基础上研究第三、四层土体采用不同的单层土体开挖方式对基坑围护结构水平变形和土体位移的影响特征具有较大意义。

本文探讨的单层土体开挖方式分为:单层土体一次开挖、单层土体同向分块开挖和单层土体对向分块开挖。单层土体一次开挖的施工工况为:开挖两基坑第三层土体→施工两基坑第三道支撑→开挖两基坑第四层土体→施工两基坑底板。单层土体分块开挖的施工工况如图5所示。为减小基坑无支撑暴露时间，在开挖当前分块(1＃、2＃、3＃或 4＃)内土体的同时，同步施工上一次开挖土块内相应的钢砼支撑或底板。

图5 单层土体分块方案示意

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 围护结构最终变形情况分析

在基坑底板浇筑完毕时，提取三种不同开挖方式下两基坑四侧围护结构最大水平变形处的变形曲线，如图6所示。

图6 基坑A与基坑B四侧围护结构最大水平变形处变形曲线

由基坑A四侧围护结构最大水平变形处的变形曲线图可见，在基坑上下侧，一次开挖与单层分块开挖的差异不明显，但在基坑左右两侧单层分块开挖施工的基坑围护结构最大水平变形要明显小于单层土体一次开挖。采取单层土体一次开挖的施工方式时，基坑A围护结构最大水平变形出现在左侧，为55 mm；最小变形出现在右侧即邻近基坑B一侧，为40 mm，其原因是邻近双基坑基坑间土体宽度有限，造成右侧围护结构所承受的主动土压力要小于其他三侧。进一步，单层同向分块开挖相较于单层一次开挖，其左、右侧围护结构最大水平变形分别减小18.2%、10%；单层对向分块开挖分别减小14.5%、7.5%。

由基坑B四侧围护结构最大水平变形处的变形曲线图可见，在基坑上、下、左三侧，一次开挖与单层分块开挖的差异不明显。但在基坑右侧单层分块开挖施工方式的围护结构最大水平变形要远小于采用单层土体一次开挖。采用单层土体一次开挖施工方式时，基坑B围护结构最大水平变形出现在右侧，为111 mm，其原因是右侧基坑边界较长，支撑强度相对较弱所致；最小变形出现在下侧，为36 mm，其原因是基坑下侧的支撑密度较密，开挖区域较为狭窄所致。进一步，单层同向分块开挖相较于单层一次开挖，其左、右侧围护结构最大水平变形分别减小6.4%、22.5%，下侧围护结构最大水平变形虽增加了8.3%，但其在数值上要小于其他三侧，对基坑施工安全的影响较小；单层对向分块开挖相较于单层一次开挖在左、右侧分别减小4.3%、22.5%。

4.2.2 坑外地表沉降与坑内土体隆起

在基坑底板浇筑完毕时，提取三类不同施工方式下两基坑四周土体最大沉降值及坑内土体最大隆起数值，如图7所示。

图7 基坑四周土体最大沉降及坑内土体隆起

由图7a可见，在基坑A上侧和下侧，三种施工方式的坑外地表沉降差异不明显，而在其左侧及右侧坑外地表沉降和坑内土体隆起，三种不同施工方式有较大的差别。采用单层土体一次开挖的施工方式时，基坑A左侧与右侧坑外地表最大沉降分别为36.1 mm、64.5 mm。相比之下，同向分块开挖分别减小了18.3%、8.5%；对向分块开挖分别减小了18%、8.5%。单层土体一次开挖时坑内土体隆起109 mm，同向分块开挖与对向分块开挖相比于单层土体一次开挖施工方式分别减小5.5%、0.9%。

由于基坑B左侧即为基坑A右侧，因此图7b中不再列出基坑B左侧坑外地表最大沉降情况，在基坑B上侧三种施工方式差异不明显，基坑B下侧单层分块开挖相比于一次开挖其最大沉降略有增加，但考虑到其数值上远小于其他三侧，因此对基坑施工安全影响不大。基坑B右侧为其坑外地表沉降最大处，采用一次开挖的施工方式时其最大沉降为93 mm，同向分块开挖与对向分块开挖相比于一次开挖分别减小了20.4%、21.5%。右侧坑外地表沉降远大于其他三侧的原因是右侧支撑结构相对薄弱，围护结构变形较大，导致邻近土体发生较大沉降。一次开挖时坑内土体最大隆起为115 mm，同向分块开挖与对向分块开挖相比于一次开挖分别减小了15.6%、13%。

4.2.3 围护结构最大变形变化趋势分析

分别提取三种不同施工方式在第三道支撑施工完毕与底板浇筑完毕两种工况下相邻双基坑左右两侧围护结构最大水平变形情况(见表2)。在两种不同的工况时，分块开挖相比于单层一次其围护结构最大变形的减小比例如图8所示。由图可见，单层分块开挖相比于单层一次开挖其围护结构最大变形的减小效果具有随施工进行不断累积的趋势。

表2 两基坑左右两侧围护结构最大变形 mm

图8 两种工况下分块开挖相比于一次开挖其围护结构最大变形减小比例

5 结论

通过对基坑A与基坑B两相邻基坑单层土体不同开挖方式的数值模拟分析，可得到如下结论:

(1)邻近双基坑同步开挖时，远离相邻侧的围护结构往往发生较大的水平变形，而采取单层分块开挖的施工方式可有效减少基坑围护结构的无支撑暴露时间，从而减小基坑左右两侧尤其是远离相邻侧围护结构的最大水平变形。

(2)邻近双基坑坑间土体同时经受两个基坑开挖的叠加影响，其沉降往往是两基坑坑外地表沉降最大处，而采取单层分块开挖的施工方式可有效减小两基坑坑间及远离相邻侧的坑外地表沉降。同时也可有效减小坑内土体隆起。

(3)相比于单层一次开挖，单层分块开挖对邻近双基坑围护结构最大变形的缩减效果具有随着基坑开挖深度的增加而不断累积趋势。

从基坑施工安全的角度来看，采取单层同向分块开挖施工方式要优于单层对向分块开挖，两者又都优于单层一次开挖的施工方式。因此在邻近双基坑同时施工时，如条件允许，应尽量且尽早采用单层同向分块开挖的施工方式。