狭长深基坑开挖引起的地表沉降变形及影响因素分析

赵 平，程雪芬

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000；2.南京财经大学 工商管理学院，南京 210023)

0 引言

在现代城市建设中不可避免地要开挖狭长深基坑，这势必会对周边建(构)筑物产生不利影响[1]，较为常见的是引起基坑周围地表沉降，并将威胁周边环境安全[2]。深入研究深基坑开挖对周围土体变形的影响，对于基坑工程防灾减灾及促进新技术的应用与发展具有重要意义[3]。为此，许多学者对深基坑开挖引起地表沉降的规律及相关问题展开深入研究并取得了丰富成果。现有的基坑开挖引起地表沉降变形分析方法主要有三种，即模型试验、施工现场监测和数值模拟。模型试验方面：贾曾潘等[4]综合采用模型试验和数值模拟方法对土体沉降与支护体系变形特性进行分析，结果表明最大地表沉降与地连墙最大水平位移的比值为1.0～1.6；陈仁朋等[5]开展了软黏土地层基坑开挖对旁侧隧道影响离心模型试验研究，因既有隧道的约束作用，围护墙外侧地表沉降主要位于Peck(1969年)预测的地表沉降Ⅱ区；冯志等[6]研究结果表明减少内支撑数量及围护结构刚度会导致地表沉降的最大值有一定程度的增长。施工现场监测方面：何云猋等[7]以呼和浩特市城市轨道交通二号线学府康都站工程为背景，通过现场监测结果，对地铁基坑开挖过程中的地表沉降、建筑物沉降和管线沉降等进行了系统分析；奚家米等[8]从安全性和经济性的角度，通过现场监测和数值模拟对比研究了不同桩径和内支撑间距对基坑沉降变形的影响。数值模拟方面：陶勇等[9]采用数值模拟方法对南京江北新区相邻深浅基坑开挖时序展开了优化研究，结果表明在减小坑外地表沉降方面，深浅交替时序作用最大；王锦涛等[10]通过数值模拟方法研究了不同深基坑开挖进程中地表沉降变形规律，结果表明地表土体因基坑开挖引起的最大沉降量约为0.5 mm；傅志峰等[11]通过FLAC3D有限差分软件模拟分析了隔离桩对深基坑支护结构的变形影响，结果表明隔离桩具有较好的隔振作用，使地表沉降变形减小了28%。龚晓南[12]的研究成果表明基坑工程具有很强的区域性，基坑周围土体的变形可能对周围地下管线、建(构)筑物产生不良影响。麻凤海等[13]认为深基坑开挖引起的环境效应已日益引起人们的重视，其中基坑开挖引起的地表沉降对环境的影响最大，也是研究的重点。由于有限元数值模拟方法具有可以动态模拟基坑开挖与支护施工过程等优点，且现场监测可以对施工过程实施动态控制，因此，通过对量测数据的整理和分析，及时制定相应的施工措施，可以有效确保基坑开挖过程中周边既有建(构)筑物的安全[14]。综上所述，虽然目前关于深基坑开挖对周边环境及基坑本身的影响等方面研究成果颇丰，但以合肥地区狭长深基坑开挖引起周围地表沉降的规律及其影响因素为对象的研究甚少。本文在上述研究的基础上，以合肥市某狭长深基坑开挖工程为研究对象，将实测的地表沉降值与采用MIDAS GTS软件建立的三维数值模拟计算值进行对比分析，验证计算模型和参数选取的合理性；并在此基础上深入分析狭长深基坑开挖引起地表沉降变形的影响因素，以期为相关工程提供有益借鉴和参考。

1 工程概况

本文研究对象为合肥市某狭长深基坑开挖工程，基坑周边交通繁忙、建(构)筑物密集且有大量生活管线。该基坑平面形状为狭长矩形，基坑长、宽、深分别为80 m，20 m，16 m。基坑的支护结构由地连墙、4道内支撑、1道冠梁及3道腰梁组成。其中第一道内支撑为钢筋混凝土正方形截面支撑，截面尺寸为600 mm×600 mm，其余3道内支撑均为圆管型钢支撑，截面尺寸为D=609 mm，t=16 mm。4道内支撑具体位置分别在地表以下1 m，5 m，9 m和13 m处，内支撑水平间距均为5 m。冠梁与腰梁均为正方形截面的钢筋混凝土梁，截面尺寸为800 mm×800 mm，分布位置与内支撑竖向位置保持一致。地连墙为钢筋混凝土墙，高度为26 m，其中嵌入土体深度为10 m，厚度为600 mm。

基坑分4次开挖，开挖深度均为4 m。根据岩土工程详细勘察报告，简化后的土层为4层，从上到下依次为：①杂填土(厚度4 m)；②黏土(厚度10 m)；③粉质黏土(厚度16 m)；④中等风化泥质砂岩(厚度30 m)。土体具体力学参数如表1所示。

表1 计算模型力学参数

2 建模与计算

2.1 基本假定

由于施工过程和现场工程条件比较复杂，为了便于计算和研究，数值模型设计有必要对实际情况进行一定简化[12]，因此本研究基本假设如下：①土体为理想的弹塑性材料；②各层土体连续且均匀分布；③不考虑地下水对围护结构变形的影响；④地下连续墙和内支撑均为弹性体；⑤同一种材料为均质、各向同性；⑥不考虑地连墙与土体分离情况。

2.2 建立模型

根据刘颖的研究成果[15]，基坑开挖影响范围在水平方向上为开挖深度的3～5倍，在竖直方向上为开挖深度的2～4倍，在影响范围之外，基坑开挖引起的周围地层变形可忽略不计。考虑工程实际情况，本文建立的整体三维模型长(x)、宽(y)、高(z)分别为180 m，100 m，60 m，远大于预计基坑开挖影响范围。模型坐标系如图1所示：X轴正方向指向基坑长边，Y轴正方向指向基坑短边，Z轴正方向铅直向上。模型边界设置为标准边界[16]，即法向为X方向的竖向边界面，在X方向固定，YZ方向自由；法向为Y方向的竖向边界面，在Y方向固定，XZ方向自由；法向非X也非Y方向的变截面在X和Y方向固定，Z方向自由，模型底部边界为固定约束，地表为任意方向自由。数值模型采用摩尔库伦本构关系。模型支护结构的具体材料参数如表1所示。模型中土体为3D实体单元，地下连续墙采用2D板单元，基坑内支撑、冠梁及腰梁均采用1D梁单元。整体三维模型网格划分情况如图1所示。网格划分精度选择中等粗细程度，并对围护结构和开挖区附近的网格进行局部加密，这样既能减少计算时间又能得到较为理想的计算结果[17]。为保证数值计算结果的可靠性和准确性，经过前期大量的敏感性计算分析验证，最终确定深基坑开挖范围内网格单元尺寸均为2 m，其余网格单元尺寸为4 m。数值模型共计46 300个单元、37 300个节点。基于该基坑周边存在交通繁忙、建(构)筑物密集等情况，在距基坑边缘5 m范围内施加大小为20 kPa的地表竖向均布荷载，以模拟坑边的堆载。

图1 三维有限元模型

2.3 模拟施工

数值模拟中，地连墙施工、土体开挖和内支撑的安装均按照项目的实际施工顺序设置。通过MIDAS GTS软件中提供的“钝化功能”模拟基坑开挖的过程，应用“激活功能”实现地连墙及支护结构单元模拟基坑支护的过程[18]。基坑开挖施工工况具体内容如表2所示。结合该狭长基坑开挖变形的特点，选取有代表性的断面进行研究，限于篇幅，本次研究主要侧重位于基坑长边中部(CJ1断面)、基坑短边中部(CJ2断面)及基坑端部坑角处(CJ3断面)不同位置土体沉降变形的规律，基坑围护结构及3个断面布置情况见图2。

表2 基坑开挖工况及具体内容

图2 地表沉降测点布置示意图

2.4 现场监测方案设计

龚晓南[12]的研究表明，为了确保基坑工程施工的安全，有必要对该工程施工过程进行监测，进而对现场施工进行指导。基于此，依据相关规范和要求，结合施工现场的具体情况，制定了本次研究的监测方案：对基坑开挖过程中周围地表沉降进行监测，地表沉降采用精密水准仪和铟钢尺量测。共对基坑周围3个有代表性的断面(CJ1断面、CJ2断面及CJ3断面)进行监测，监测点均匀分布在3个监测断面上(每隔2 m布置1个)，与地连墙距离最小值为0，最大值为32，每个断面布置16个监测点，3个断面共计48个监测点。地表沉降自完成围护结构、基坑开挖起进行监测，数值模拟与现场监测选取的研究对象保持一致。

3 结果分析

3.1 数值模拟与现场监测对比分析

为了验证本文模拟设计的合理性和结果的可靠性，有必要对实际工程工况下地表沉降进行数值模拟，并同现场监测结果进行对比分析，做出基坑开挖完成时3个断面(CJ1，CJ2与CJ3)地表沉降数值模拟与监测对比图。基坑开挖完成时地表沉降数值模拟与现场监测对比结果如图3所示。从图3可以看出：①地表土体由基坑开挖引起的沉降变形规律呈开口向上的“抛物线型”，基坑周边地表沉降值对基坑开挖深度敏感，且随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大，地表最大沉降值出现在离墙后约8 m的位置，地表沉降的主要影响范围为0.5He～1.5He(He为基坑深度)；②通过数值模拟得到的最大地表沉降约为27.3 mm，而监测结果显示最大地表沉降约为29 mm，相比之下有一定误差，但在允许范围之内；③数值模拟与现场监测情况下地表沉降变化规律较为接近，且最大沉降出现的位置均为距离地连墙约8 m的位置。这表明所建模型能够很好地反映坑外地表土体实际沉降变形情况，可以为深基坑工程的设计提供可靠的依据，同时表明数值模拟技术在该地区狭长深基坑开挖工程中的应用是可行的，在此基础上可以开展进一步研究。此外，由图3还可以看出，实测数据略大于数值模拟计算结果，这主要是由于数值模拟设置了一些假定条件，而实际基坑开挖施工则不可避免地会受到周边其他因素如坑边堆载、降雨影响以及测量误差等影响，这些因素是导致两者之间差异的主要原因。此结论与童建军等[19]在成都地铁车站深基坑周边地表沉降规律研究中得出的结论相一致。因此，为避免狭长基坑开挖引起的基坑长边附近地表沉降所造成的不利影响，应注意并加强狭长深基坑长边中部区域地下管线的保护及地表重要建(构)筑物的沉降监测工作。

图3 基坑开挖完时地表沉降 数值模拟与现场监测对比图

3.2 地表沉降变形影响因素分析

基坑周围地表的最终沉降变形与基坑开挖过程中的许多因素有关，杨伦和乔瑞龙[20-21]的研究成果显示，基坑开挖时影响地表沉降的因素主要有以下三类：自然因素、设计因素及施工因素。采用地连墙+内支撑支护的狭长深基坑受力主体为地连墙和内支撑，限于篇幅，也为了突出重点，这里仅讨论设计因素中的地连墙及内支撑相关参数的改变对基坑周围地表沉降的影响。根据李福林[22]在软土地区狭长深基坑开挖引起深层土体变形研究中得出的基坑空间影响效应相关结论，基坑长边测点竖向位移最大、短边测点次之、坑角最小，本次研究对象选取有代表性的基坑长边中部CJ1断面。具体位置参见图2，参数变化具体情况见表3。

表3 设计参数改变方案 m

3.2.1 地连墙相关参数改变对地表沉降变形的影响

为研究地连墙相关参数改变对地表沉降变形的影响，分别单独设计地连墙厚度和嵌入深度相关参数，其他参数保持不变，参数改变设计方案具体见表3。对应地连墙厚度和嵌入深度不同参数分别建立三维数值模型，通过数值模拟结果研究参数改变对地表沉降的影响，具体结果见图4和图5。由图4可以看出，当地连墙厚度分别为0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m时，相对应的地表沉降最大值分别为32.2 mm，27.3 mm，25.1 mm，23.4 mm，22.3 mm。由图5可以看出，当地连墙嵌入深度分别为6 m，8 m，10 m，12m，14 m时，相对应的地表沉降最大值分别为33.2 mm，30.1 mm，27.3 mm，24.4 mm，23.3 mm。由此可见，适当增加地连墙厚度及嵌入深度，可以有效抑制深基坑开挖引起的地表沉降，这是因为随着地连墙厚度及嵌入深度的增加，围护结构的侧向刚度及抵抗变形的能力会逐渐增强，进而对地表土体的沉降起到限制作用。

图4 地连墙厚度对地表沉降的影响

图5 地连墙嵌入深度对地表沉降的影响

综上所述，虽然适当增加地连墙的厚度和地连墙的嵌入深度，可以有效抑制基坑周围土体沉降，但数值模拟结果同时表明，当二者数值增加到一定程度时，其抑制基坑变形的效果会变得十分有限。此外，盲目加大地连墙厚度和嵌入深度还会大大增加基坑开挖支护成本。

3.2.2 内支撑相关参数改变对地表沉降变形的影响

为研究内支撑相关参数改变对地表沉降变形的影响，分别单独改变内支撑竖向间距和水平间距，其他参数保持不变，参数改变设计方案具体见表3。对应竖向间距和水平间距不同参数分别建立三维数值模型，通过数值模拟结果研究参数改变对地表沉降的影响，具体结果见图6和图7。

图6 内支撑竖向间距对地表沉降的影响

图7 内支撑水平间距对地表沉降的影响

由图6可以看出，当内支撑竖向间距分别为2 m，3 m，4 m，5 m，6 m时，相对应的地表沉降最大值分别为24.3 mm，25.1 mm，27.3 mm，31.3 mm，34.0 mm。由图7可以看出，当内支撑水平间距分别为3 m，4 m，5 m，6 m，7 m时，相对应的地表沉降最大值分别为23.0 mm，24.2 mm，27.3 mm，32.5 mm，34.5 mm。不难看出，适当减小内支撑竖向间距和水平间距，可以有效抑制深基坑开挖引起的地表沉降，这是因为随着内支撑竖向间距和水平间距的减小，支护体系整体刚度和抗变形能力会逐渐增强，进而对地表土体的沉降起到限制作用。但数值模拟结果同时表明，当二者数值增加到一定程度时，其抑制基坑变形的效果会变得十分有限。此外，盲目减小内支撑竖向间距和水平间距也会大大增加基坑开挖支护成本。

4 结论

通过MIDAS GTS有限元软件建立三维有限元模型，用以分析合肥地区某狭长深基坑开挖过程引起周围地表土体沉降变形的规律，并将数值模拟结果与现场监测数据进行对比，在此基础上分析了狭长深基坑开挖引起地表沉降变形的相关影响因素，主要结论如下。

(1)通过数值模拟结果与现场实测结果的对比分析，得出数值模拟结果与实际监测结果吻合较好，验证了本研究所建立数值模型的可行性及模型参数取值的合理性和可靠性，表明本研究的数值模拟结果对类似深基坑开挖施工具有一定的借鉴意义。

(2)地表土体受基坑开挖影响所引起的沉降变形规律呈开口向上的“抛物线型”，地表沉降值随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大，最大沉降值出现在离墙后约8 m的位置，主要影响范围为0.5He～1.5He。

(3)地表沉降随地连墙厚度和嵌入深度的增大而减小，随内支撑水平及竖向间距的减小而减小。但模拟结果表明，不能盲目增加地连墙厚度、嵌入深度，也不能盲目减小内支撑间距，否则都会导致施工成本大大增加，因此在基坑设计和施工时应结合工程实际情况选择合适的设计参数，在保证安全的前提下提高经济效益。

(4)切实做好监测工作对基坑工程的设计和施工非常重要，也是实现信息化施工的必要条件。在深基坑开挖过程中应加强对各种预设监测设备的管理及监测点的保护，否则容易造成监测点的破坏以及监测数据的失准。此次施工过程中已发生预设监测设备和部分监测点保护不利的情况，在以后施工监测过程中应避免类似情况发生。