超大基坑施工对周边环境影响的研究

翟永勇 王嘉浩 邬建华 濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江苏 南京 210007;2. 陆军工程大学国防工程学院 江苏 南京 210007;3. 北京交通大学 北京 100044

随着我国基础工程建设的飞速发展，城市高层建筑工程深基坑不断增多[1]。它们常常坐落在人口相对稠密的区域，四周有大量的建筑物和重要管道，施工过程中必须严格控制，保证基坑的稳定性。同时，深基坑的开挖与降水会破坏自然土体的均衡状态，造成土体的变形，引起四周一系列的建（构）筑物以及地下管线变位。由于深基坑支护工程存在复杂性与不确定性，故造成过相当多的问题，引发了一系列重大的工程事故。

本文将考虑初始地应力、开挖步骤、地层物理参数、施工降水等诸多因素，利用数值分析的方法，深入研究大型基坑开挖及施工降水时对于周围土体的影响情况。

1 国内外研究现状

陆新征等[2]对某设计尺寸达到69 m×50 m×50 m的特深基坑进行了施工全过程的三维有限元弹塑性分析和模拟，并详细说明了具体实现方法；平扬等[3]将比奥固结理论扩展应用于弹塑性分析领域，耦合渗流场水力作用与应力场，并通过有限单元法模拟得到深基坑开挖及降水过程中，开挖范围及邻近区域地面沉降等环境效应的基本规律。李俊才等[4]采用三维快速拉格朗日差分分析法将南京A、B大厦支护结构（悬臂支护结构、单层支点混合支护结构、钻孔灌注桩连拱支护结构）与一定范围内的土体（长、宽、高）作为一个整体，结合基坑实际开挖降水及施工工序，模拟和反映支护结构体的空间受力特征和变形。骆祖江等[5]、冯晓腊等[6]、张莲花等[7]对此也有相应的分析。常见的岩土工程数值分析主要利用通用和专用的有限元软件，如Abaqus、Ansys、Midas等。郑刚等[8]、姚燕雅等[9]、王成华等[10]、陈志明[11]使用Abaqus；许剑峰[12]、郭智杰等[13]、申明亮等[14]使用Ansys；李治[15]、李方成等[16]、李辉等[17]、胡斌等[18]使用Midas，均对基坑开挖降水对周边环境的影响做过研究。

本文所研究的超大基坑位于江苏省苏州市繁华地带，是苏州市最大最深基坑之一，在基坑支护设计和施工过程中，受到苏州市各界人士的关注。方案突破了类似工程常规，具有较强的操作性及针对性，节约了工程造价，缩短了工期。为了解基坑施工对周边环境的影响，建立了土体、围护结构和水平支撑体系以及竖向支护体系共同配合作用的基坑三维有限元模型，对基坑开挖过程中围护结构的变形位移、立柱桩身的沉降、支撑结构轴向力以及不同降水次序进行了定量分析，有效地控制了基坑变形，确保周边建筑、市政管网设施不受影响，得到了良好的社会和经济效益。

2 工程概况

本工程地处于苏州市工业园区，分为两期工程。一期工程基坑面积约为14 000 m2，周长约为500 m；二期工程基坑面积约为27 000 m2，周长约为640 m。一期工程已经落成，二期工程基坑（图1）包括了圆环式支撑体系、周围土体以及支护结构。

图1 基坑平面示意

3 基坑支护方案

3.1 基坑安全等级

本基坑开挖的深度为14.3 m，周边环境条件复杂，工程地质条件较差且含丰富的地下水，主要工程地质条件从上至下分别为：杂填土层、黏土层、粉质黏土层、粉土层、粉砂夹粉土层、粉质黏土层、黏土夹粉质黏土层等。基坑侧壁安全等级定为一级，重要性系数1.1。

3.2 基坑支护方案设计

本场地内可利用的施工条件较为狭窄，基坑开挖的深度深、面积大，需考虑土体及围护结构的时空效应受力的特点，采用有利于支护结构材料受力的形式。

综合考虑以上各种因素，基坑支护结构采用了钻孔灌注桩的围护形式，水平方向上加了3道混凝土的环形支撑，环形支撑垂直方向上设置了立柱桩。

同时，基坑的四周采用φ850 mm＠1 200 mm的三轴深轴搅拌桩结合桩间的高压旋喷桩进行全封闭止水，同时坑内采用疏干降水井，坑外设置了应急观测井，若止水帷幕出现渗漏，可采用相应应急措施。

4 基坑三维模型的建立

4.1 建模思路

本工程场地土层变化复杂，需要对每层按照实际厚度进行建模。建模时建立设计方案中的水平、竖向支护结构，以此研究基坑开挖过程对周边环境的影响。

4.2 模型的材料参数

土体采用摩尔-库仑模型，混凝土采用线弹性材料模型，未考虑支护布局的施工对于周围土体环境的扰动。模型中的土层参数如表1所示。

表1 模型中的土层参数

4.3 模型的几何参数

4.3.1 钻孔灌注桩

为简化基坑建模过程，同时考虑到支护结构建模采用钻孔灌注桩时，计算结果可能会出现一些节点不收敛的情况，在建模的过程中，采用地下连续墙进行等刚度替换灌注桩的方法，以此减少计算量，如式（1）所示。

式中：D——钻孔灌注桩的直径，m；

t ——钻孔灌注桩的间距，m；

h ——地下连续墙等效厚度，m。

当D＝1.20 m，t＝0.20 m，得到h＝0.96 m，即等刚度替代的地下连续墙厚度为0.96 m。钻孔灌注桩强度为C35，弹性模量为31 500 MPa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3，开挖深度为14.3 m。覆盖土层范围包括第1土层到第4土层。

4.3.2 立柱

立柱桩桩顶的绝对高程应当确定为立柱位于垫层底的绝对高程，立柱底的绝对高程应当最少比立柱桩桩顶的绝对高程低3.0 m。为了防止立柱桩在弯矩等的影响下发生旋转现象，在基坑的建模过程中，需要沿z轴的约束立柱。

4.3.3 水平支撑

水平支撑尺寸参数如表2所示。

表2 水平支撑尺寸参数

4.4 施工工况

根据施工方案，模拟的施工进程可分为9个工况：建立初始应力场；安设立柱和竖向支护结构；安装第1道支撑；开挖第1层土体（－2.75～－0.50 m）；安装第2道支撑；开挖第2层土体（－6.90～－2.75 m）；安装第3道支撑；开挖第3层土体（－11.90～－6.90 m）；开挖第4层土体（－14.30～－11.90 m）。

4.5 三维模型的建立

4.5.1 基坑三维模型

拟建基坑开挖宽度为145 m，深度为14.3 m。基坑开挖对周围土体和建筑物的影响区域为3～5倍开挖宽度和5倍开挖深度，而模型建立过大可能会导致节点数目过多，计算过于复杂。综合以上因素，设定模型的尺寸为300 m×300 m×60 m（长×宽×高）。模型的节点数目为53 614个，单元数目为112 321个。基坑有限元模型如图2所示，基坑支护模型如图3所示，基坑约束模型如图4所示。

图2 基坑的有限元模型

图3 基坑支护的模型

图4 基坑约束模型

4.5.2 边界及荷载条件定义

模型左右方向约束x方向位移，前后方向约束y方向位移，底部约束z方向位移，顶部没有约束。

5 计算结果分析

5.1 数值模型的监测点

基坑开挖过程中对周围的环境，包括周围的建筑、周围的道路、地下的管线都有可能产生各种各样的影响。数值模型中也在这些位置设定了监测点来提取模拟数据，具体如下：

1）水平位移及竖向位移：沿圈梁顶每隔20 m设1个水平位移观测点。

2）支撑轴力测量：选择10处支撑进行轴力测量。

3）支撑立柱沉降：选择10根立柱桩在不同的开挖层中设沉降观测点。

5.2 结果分析

5.2.1 支护结构位移

各施工步骤支护结构水平位移如图5、图6所示。

图5 支护结构总位移

图6 支护结构水平位移

从支护结构的位移图中可以看出，支护结构在4个开挖步骤中的位移变形曲线大致相同，最大侧向位移发生在第3层支撑所在的支护结构处，为17.45 mm，呈现出了“鱼腹”的变形，随着开挖深度的增加，支护结构侧向位移刚开始时逐渐增大，到了最后阶段，位移变形则呈现出略有减小的趋势，最大位移的位置先上移，之后向下移动，最后在开挖面的附近处趋于稳定。当开挖的步骤到达基坑底部时，各个测点的位移增量比较大。支护结构的最终位移控制在相对较小的范围内，可满足工程安全可靠的要求。

5.2.2 立柱沉降

立柱的不均匀沉降是基坑支护结构设计中需要重点处理的问题，因为存在较大的不均匀沉降回弹将会对水平支撑的系统产生不利的影响。模拟显示各个立柱的最大沉降量为0.76 mm（图7），没有超过规范值1 mm，不会对基坑支护体系产生较大的影响，同时也保证了该基坑开挖时土体的安全。

图7 立柱位移

5.2.3 支撑轴力

结果表明，第1道支撑的最大轴向力为2 706.8 kN（图8），第2道支撑的最大轴向力为9 990.3 kN（图9），第3道支撑的最大轴向力为17 622.6 kN（图10）。这3个支撑结构中，第1道支撑结构承受的轴力最小，第3道支撑结构承受的轴力最大。从图8～图10可以看出，内环撑轴向力很大，因此在施工过程中应该重点进行相关的监测，当所得到的监测值超过了计划值时，应当及时采取相应的应急办法。

图8 第1道支撑轴力

图9 第2道支撑轴力

图10 第3道支撑轴力

6 结语

文中所涉及的超大基坑工程一期、二期总基坑面积约41 000 m2，采用的支护结构直径达162 m，为目前苏州地区最大。同时，该项目场地周边不仅分布着煤气、自来水、电信等管线，且紧邻游乐园摩天轮等高耸构筑物及密集的已建建筑。本研究对于分析超大型基坑围护结构安全性能及周边环境的稳定性具有较强的借鉴意义，结论如下：

1）开挖面附近的四周结构的水平位移均比较大，支护结构转角处的应力明显大于其他部位，4个转角处的轴力明显大于其他部位。

2）支护结构的轴力最大值空间上处在不同位置，轴力最大值在第3道支撑处。

3）深基坑工程、支护结构和工程的降水是确定基坑稳定安全的首要任务，尤其是关于浅埋的深基坑开挖的内容。降水引起的地面沉降对于周围建筑物的不利影响，需结合所在区域的经验定性分析和定量计算。

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