某圆砾地层异形深基坑支护变形规律及开挖空间效应研究

何旭升，田发派，付晓茜，马少坤,3,4，黄 震，吕虎

(1.南宁轨道交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004；4.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004；5.深圳职业技术学院，广东 深圳 518055)

0 引言

近年来，城市繁华区地铁和地下工程的不断发展，大量异形深基坑工程不断涌现，随之周边环境也越来越复杂。大量工程实践表明，基坑开挖存在显著的空间效应[1]，即基坑边角处一定范围内的围护结构变形、内力和土体沉降值都明显小于基坑边中部。异形深基坑开挖空间效应易诱发复杂的周边环境问题，给基坑支护设计和施工带来了严峻的挑战，因此，研究复杂、异形深基坑对周边环境的影响显得尤为重要。

近年来，众多学者对深基坑开挖引起周边环境的变形规律展开了系列研究。文献[2-4]结合现场监测数据和采用数值模拟方法研究地铁深基坑开挖过程，土体和支护结构的变形规律。Wang等[5]结合济南市某地铁车站深基坑工程现场监测数据，分析了基坑开挖过程中临近建筑物变形规律、地表沉降、围护结构、轴力及水位变化规律；对于不同地层的深基坑开挖过程中的变形规律，文献[6-10]研究了软土地区的围护结构和土体变形规律。李佳宇等[11]分析了数值模拟计算结果并对比监测数据，总结出了圆砾层中地铁车站的地连墙周边地表变形规律。林之航[12]通过现场监测数据分析了上软下硬地层深基坑开挖过程围护结构位移、支撑轴力、立柱隆沉、地表沉降变形规律。喻伟等[13]依托具体工程，建立有限元计算模型，分析了富水软弱地层中基坑开挖过程周边地表沉降、围护结构与周边建筑变形规律。对于基坑开挖对临近建筑物的影响，李佳宇等[14]依托具体工程，建立数值分析模型，分析了基坑开挖过程坑角附近的建筑物变形规律。文献[15-16]通过现场监测和采用数值模拟，全面分析了基坑开挖过程中建筑物沉降、倾斜等变形规律。对于异形深基坑，Tan等[17]以厦门市马銮北站深基坑工程为例，研究了异形基坑开挖过程变形规律和坑角效应。安辰亮等[18]通过现场试验，探究异形深基坑开挖过程中支护结构变形和受力规律。

综上，前人研究大多集中于平面形状较规则的基坑，对复杂地质条件下异形深基坑开挖诱发周边环境的影响研究较少，且异形深基坑开挖的空间效应尚不清晰。基于此，本文依托广西南宁某复杂周边建筑物环境的地铁异形深基坑工程项目，建立三维有限元计算模型，并结合现场监测数据对比分析基坑开挖对周边环境的影响，着重讨论深基坑开挖效应引起的周边建筑、地表沉降、地连墙侧向位移和周边管线的变化规律。

1 工程背景

南宁地铁一号线广西大学站附属2号风亭及M号出入口合建选址为基坑大里程左侧(原五里亭派出所地块)，基坑开挖深度9.25～15.3 m，其中M出入口基坑为地下一层结构，2号风道为地下两层结构。合建基坑成L形状相交，面积约1 500 m2，总长度约为110 m，宽度为15.5 m。车站周边建构筑物主要有北侧的百汇华庭商住楼(23F)、7天酒店(12F)、广西移动通信公司南宁分公司(5F)、五里亭派出所(1～6F)；南侧的联华宾馆(7F)、星光老年服务中心(6F)、南宁职业技术学院、位于大学路的既有1号线地铁车站、110 kV高压线塔等，周边重点监测的管线为D1000管线，埋深约为3 m，基坑施工前回迁至车站顶板上方。根据1号线广西大学站经验，具体基坑周边布置如图1所示：

图1 基坑平面布置图

表1 土层力学参数

2 支护结构设计与监测

2.1 支护结构

根据工程特性、环境条件和设计原则及标准，2号风亭及M号出入口采用明挖顺作法施工，主体基坑采用800 mm地下连续墙加内支撑的支护形式。第①道、第②道、第③道均为钢筋混凝土支撑。基坑支护采用地下连续墙+隔离桩+③道混凝土内支撑的支护形式，典型支护剖面如图2所示：第①道混凝土内支撑中心标高为-0.32 m，第②道混凝土内支撑中心标高为-6.72 m，第③道混凝土内支撑中心标高为-10.51 m。

图2 基坑支护结构剖面图

2.2 监测方案

结合现场周边情况，具体的监测项目有周边建筑物的沉降、地下连续墙水平位移和竖向位移、地表沉降、支撑轴力、管线沉降。参照监测规范与现场工程概况，基坑监测布置点如图3所示。

图3 基坑监测点平面布置图

3 数值建模

3.1 数值建模过程

考虑到边界效应对数值计算结果的影响，本模型进行了全尺寸建模，根据大量文献资料可知，基坑开挖引发墙后土体沉降值影响范围为0～4H(H为基坑开挖深度)，建立三维数值分析模型，模型尺寸为(长×宽×高)280 m×240 m×60 m，为了简化计算，隔离桩采用板单元进行模拟，基于抗弯刚度等效的原则，将钻孔灌注桩等效为一定厚度的连续墙，简化公式为

(1)

桩直径D为0.8 m，桩间距S为1.0 m，桩净距t为0.2 m，由式(1)计算等效之后的地连墙厚度为0.62 m。基坑内支撑、连梁、冠梁和柱子采用线弹性梁单元进行模拟。隔离桩、地连墙、建筑物的楼板采用线弹性板单元进行模拟，建筑物和围护材料具体参数见表2。

表2 材料参数

模型采用软件默认的四面体单元进行网格划分，基坑开挖部分土体、支撑构件及建筑物进行局部加密，采用界面单元进行模拟隔离桩、地连墙与土体之间接触关系，三维数值模型进行底部约束固定，其他4个侧面设置法向约束条件，仅让模型发生竖向位移，三维有限元计算模型如图4所示。

图4 三维有限元计算模型

根据文献[20-21]可知，土体存在明显的小应变行为，及土体的刚度与应变存在一定的关系。在深基坑、隧道等工程中，土体的应变主要介于0.01%～1%，及属于小应变范围，因此，考虑基坑开挖过程中土体的小应变行为，能较好地贴近实际工程。基于此，本文选取的土体本构模型为土体小应变模型(HSS)。

3.2 模拟施工过程

根据工程特性、环境条件和设计原则及标准，2号风亭及M号出入口采用明挖顺作法施工基坑开挖采用明挖顺作法施工，分层开挖，边开挖，边支护，每层开挖深度根据支撑高差决定，总共分4层土进行开挖，开挖深度分别为地表以下1.67、5.67、10.67、15.30 m。基坑施工阶段划分见表3。

表3 施工步骤

4 结果与分析

4.1 围护结构侧移

分析基坑开挖过程对围护结构水平位移的影响，选取典型ZQT27测点监测数据和模拟数据进行对比分析，图5为测点的水平位移随着基坑开挖变化规律。由图可知，围护结构最大水平位移计算值为5.54 mm，监测值为6.22 mm，两者相差不大，变形均为典型的内凸式变形，验证了本文的模型可靠性。当基坑开挖至第2层土时候，测点围护结构的侧移明显增大，继续往下开挖第4层土，ZQT27测点处的围护结构侧移变化不明显，这是因为该处的围护结构处于开挖深度较浅的部分(10.67 m)，但该步开挖引起的围护结构侧移增量占总侧移量的34.6%，表明开挖圆砾土层对围护结构侧移影响较大。测点的最大侧移位置随着基坑开挖不断向下移动，开挖至最后一层土时，实测值和计算值最大侧移位置位于坑底以上附近，相较于其他软土地层略有上移。

图5 围护结构水平位移

本基坑形状不规则、周边环境复杂，不同位置处的基坑围护结构侧移大小、变形规律也存在差异性。图6为不同位置处地连墙水平位移云图，图6(a)为地连墙ux方向的水平位移，围护结构最大侧移位于基坑东侧，为10.7 mm，图6(b)为地连墙uy方向上位移，围护结构最大侧移位于基坑南侧，为9 mm。

(a)地连墙ux方向的水平位移

图7为围护结构各个监测点最大侧向位移，由图可知，围护结构最大侧向位移量都位于基坑边靠中部位置，如ZQT23、ZQT29、ZQT32、ZQT33，基坑边角处的测点最大侧移量都明显小于基坑中部的，但是该基坑坑角的阳角和阴角处围护结构侧移值差值不大。数值模拟和监测结果均表明该基坑具有明显的空间效应，及基坑中部的地连墙水平位移显著大于基坑边角处的。

图7 围护结构最大侧向位移

4.2 建筑物累计沉降

根据勘察资料显示，基坑东侧既有建筑物七天酒店为12层，距离基坑5.8 m，采用箱型基础，基坑西侧既有建筑物广西移动通信公司南宁分公司，为5层楼高，采用独立基础形式，距离基坑5.5 m。且2栋建筑在开挖前期楼板和墙体存在一些裂缝，存在一定程度的损伤，因此重点分析基坑开挖对这2栋建筑物的影响，取2栋建筑的最大沉降计算值和监测数据对比，结果如图8所示。

(a)移动大楼

由图8(a)可知，移动大楼数值模拟累计最大沉降值为5.91 mm，监测数据最大沉降值为6.46 mm，差值不大；图8(b)七天酒店建筑物计算值与监测值分别为5.89、6.50 mm，两者差值不大，进一步分析2图的变化趋势，建筑物的累计沉降计算值和监测值都随着开挖深度的增加不断增加，变化趋势一致。同时当开挖第1、2层土时，2栋建筑物的沉降值增加速率缓慢，但随着第3、4层土开挖，建筑物的沉降值显著增大，由数值模拟计算数据可知，当基坑开挖第3、4层土的移动大楼和七天酒店的建筑物沉降量分别占总的沉降量的68.8%、82.3%，说明第3、4层土的开挖对建筑物影响最大，其中第3、4层土主要为粉土和圆砾层，这可能一方面是因为随着土体的卸荷，土体应力得到释放，建筑物周边土体向基坑内垮塌，导致建筑物沉降值急剧增大；一方面基坑上部土体强度较高，主要为填土和粉质黏土，下部土体主要为粉土和圆砾层，强度不如上部土体。

郑刚等[22]在考虑建筑物初始不均匀沉降的基础上，研究基坑开挖对条形基础建筑物的影响，得出当建筑物纵墙垂直于基坑边，且处于坑外沉降槽最低点的时候，此时墙体拉应变显著增大的结论，本工程移动大楼的横墙与纵墙均垂直于基坑边，因此，有必要进一步分析移动大楼的不均匀沉降，取移动大楼长边和短边墙体差异沉降值计算值和实测值做对比分析，建筑物差异沉降值如图9所示。

(a)建筑物短边方向

由图9可知，建筑物短方向的沉降最大值在最靠近基坑处，数值模拟值和实测值分别约5.91、6.71 mm，均远小于规范值，建筑物长边方向沉降最大值在靠近基坑附近处，数值模拟值和实测值分别为6.03、6.89 mm，均远小于规范值允许的最大沉降值30 mm，且墙体数值模拟值和现场监测值变化趋势一致，进一步验证了模型的可靠性，虽然移动大楼建筑物的横墙和纵墙都垂直于基坑边，但墙体的变化趋势却相差很大。究其原因，可能是2墙体所处于不同的基坑开挖深度，移动大楼纵墙垂直于基坑一侧的土体开挖深度为15.30 m，而横墙垂直于基坑边的开挖深度为10.60 m。

4.3 周边土体沉降值

基坑开挖过程，土体应力得到释放，基坑地表沉降过大，会对周边建筑、管线等设施，造成破坏，因此有必要分析基坑开挖周边地表沉降的影响。累计沉降量最大的监测点为D45-3、D47-3、D43-4、D39-1，实测值从2020年10月21日开始进行监测，直至基坑开挖完成，总共50 d的监测值,周边地表沉降监测结果如图10所示。开挖完成之后，累计沉降最大值为11.13 mm；地表沉降值较大的部位均出现于基坑边的中部，该基坑呈现出显著的基坑开挖效应。

图10 周边地表沉降监测结果

选取测点D45-3实测值和计算值做对比分析所得的地表沉降值如图11所示，由图可知，随着基坑第1、2层土的开挖，D45-3的实测值和计算值都变化不大，说明这两层土的开挖对地表影响很小；但随着第3层开挖，该测点沉降值迅速增大；当第4层土开挖时，地表沉降值迅速增大，相较于第3层土开挖，第4层土圆砾层的开挖显然对地表影响更大，开挖第4层土该测点的实测和计算值的沉降量分别占总沉降量的62.9%、58.5%，表明在该基坑开挖中，圆砾层土较为敏感，基坑开挖完成之后，D45-3测点实测值和计算值虽有所差别，但是总体变化趋势一致。

图11 D45-3地表沉降值

进一步分析基坑开挖过程中地表沉降剖面的规律，选取D47-3测点所在的剖面进行分析，得到的地表沉降剖面值如图12所示。由图可知，墙后地表沉降最大值在距基坑边5 m处，与实测数据吻合，同时变形趋势也与监测值较为吻合，基坑开挖影响区域约为1.8H，远小于Hsieh等[23]给出的0～4H影响范围，分析可能是本基坑采用地下连续墙+③道混凝土内置撑整体刚度较大，很好地限制了土体侧向位移，保护了基坑周边环境。

图12 地表沉降剖面值

4.4 周边管线沉降

图13为管线沉降的监测数据，由图可知，GX6-4测点管线沉降值最大，最大沉降值值达到10.44 mm，其他3个测点沉降值相差不大，从曲线的变形趋势分析，GX6-1、GX6-2、GX6-3沉降值并未随着基坑开挖深度的增加而增大；反之，GX6-4测点值随着基坑开挖，沉降值在不断增大，直至基坑底板施工完毕，该测点沉降值趋于稳定，结合现场施工资料可知，该管线在基坑开挖前已经改线布置，其中因为GX6-1测点部分的管线位于车站顶板上，受基坑开挖影响较小，GX6-2、GX6-3位于坑角附近，受基坑开挖空间效应的影响，其沉降值明显小于GX6-4,在现场施工过程中，应格外注意对GX6-4测点部分的管线保护。

图13 周边管线沉降值

5 结论

① 数值模型计算结果与实测数据相比，误差较小，且对周边环境的影响变形规律一致，验证了模型的可靠性，可用于预测基坑开挖所引起的围护结构变形和周边地表沉降。

② 异形深基坑开挖过程具有明显的空间效应，主要表现为围护结构最大侧移发生在基坑边中部位置，以及周边地表沉降最大值也主要集中在基坑中部，基坑边角处围护结构侧移和地表沉降值都较小。

③ 基坑开挖第3(粉土)、4层土(圆砾)，移动大楼和七天酒店的建筑物沉降量分别占总的沉降量的68.8%、82.3%，说明第3、4层土的开挖对建筑物影响最大，在实际施工过程中，需特别注意对2栋建筑物的保护；开挖第4层土地表典型测点的实测值和计算值的沉降量分别占总沉降量的62.9%、58.5%，表明在异形深基坑开挖中，圆砾层土层相比较于其他土层更为敏感，对基坑周边环境影响更大。