软土地区相邻深大基坑同期施工的影响分析

陈文祥，王武杰，彭 帆

（1.宏润建设集团股份有限公司，浙江 杭州 310004；2.杭州天恒投资建设管理有限公司，浙江 杭州 310004）

0 引 言

由于人口逐渐向城市聚集，城市土地资源日益紧缺，建筑愈发密集，为缓解日益增长的交通拥堵问题，城市地铁网路规模不断扩大，而地铁线路周边的商业价值显著，越来越多的高层建筑在地铁沿线建设，多个相邻基坑同期开挖的情况愈发常见。随着基坑工程的不断发展，基坑工程呈现出规模更大，开挖深度更深，周边环境日趋复杂的趋势。不同于常规单一基坑，基坑群同期施工间的相互作用关系错综复杂[1]。

目前，已有不少学者针对基坑群开挖相互影响方面的问题开展了较多的研究[2-5]。胡敏云等[6]借助数值分析，得到了基坑变形受到相邻基坑开挖的叠加影响的结论。陈东杰[7]通过有限元计算分析，指出两基坑的间距是影响围护结构变形的主要因素，通过对相邻基坑间土体及被动区土体进行加固均能较好地控制围护结构的变形。戴斌等[1]建立相邻基坑相互影响的数值模型，认为基坑间预留一定宽度的留土可以起到一定的缓冲作用，并给出了合理的缓冲区宽度。丁智等[8]通过现场实测分析认为相邻基坑施工与单一基坑施工相比，深层土体位移变化规律有明显不同，且后基坑的开挖会降低前基坑的支撑轴力。徐良仲等[9]根据施工工程中的监测数据反演数值模型参数，并进一步分析了后续施工工况对邻近地铁车站的影响。

因此，相邻基坑的同期施工与单一基坑施工引起的基坑变形有着较大的差异。本文以杭州两相邻软土基坑施工为背景，介绍了基坑围护结构的设计方案，并通过有限元建模分析了相邻基坑同期开挖不同工况下的相互影响。

1 工程概况

杭州某基坑工程开挖面积约13 200 m2，下设3层地下室，开挖深度为15.4～16.3 m，基坑东侧及南侧均为空地，基坑西侧埋设有地下管线，距基坑边最小净距为 6.6 m，基坑北侧为在建地铁车站基坑，距基坑边最小净距仅为1 m，地铁车站基坑主体长约260 m，基坑开挖深度约为26.9～28.7 m，围护结构采用地连墙结合内支撑的布置形式。两相邻基坑相对位置及周边环境见图1。

图1 基坑及周边环境示意图Fig.1 Schematic diagram of foundation pit and surrounding environment

2 土层分布及水文地质

如图2所示为典型地质剖面，所示开挖影响范围内主要土层物理力学性质指标见表1。

表1 各土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

由图2可知，基坑开挖范围内有深厚淤泥质土，该土层广泛分布于整个场地，坑底以下主要以粉质黏土为主，地铁车站基坑坑底位于⑦1层粉质黏土中。

孔隙潜水的稳定水位埋深为0.70～1.60 m，受大气降水竖向入渗补给及地表水体下渗补给为主，径流缓慢，水位随季节气候动态变化明显，与地表水体具有一定的水力联系，地下水位埋深和变化幅度受季节和大气降水的影响，动态变化大，水位变幅一般在1.0～2.0 m。

3 围护设计方案及施工优化

3.1 围护体系设计方案

考虑到基坑开挖深度较大，且开挖深度范围内分布有深厚淤泥质土，力学性质较差，基坑（基坑2）北侧有地铁车站基坑（基坑 1），变形控制要求较高，因此，基坑2围护结构设计方案如下：基坑整体上分为南侧大基坑（南坑）及北侧小基坑（北坑），南坑采用4个大角撑+边桁架的支撑平面布置形式，较大的施工空间方便了土方的开挖；北坑采用角撑+对撑的支撑平面布置形式。南坑与北坑采用1 000 mm厚地连墙分隔，基坑2东西两侧主要采用Ф1 100@1 200/1 250 mm钻孔灌注桩作挡土结构，基坑2南侧为Ф1 000@1 200 mm钻孔灌注桩。地连墙与钻孔灌注桩外均设单排 Ф850@600三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，采用套接一孔的形式以加强止水效果。为控制基坑2开挖对邻近基坑1的影响，坑内采用Ф850@600三轴水泥搅拌桩进行被动区加固以改善土体性质。基坑1采用1 000 mm厚地连墙结合内支撑作为围护结构，总计6道支撑，其中第一、四道为混凝土支撑，其余为钢支撑，钢支撑与混凝土支撑相比，可大大节约混凝土养护时间，加快施工进度。基坑典型剖面图见图3。

图3 典型基坑支护结构剖面图Fig.3 Cross-section of typical foundation pit support structure

3.2 土方开挖顺序

前述研究表明，相邻基坑间的留土可作为缓冲区，降低基坑开挖对邻近基坑的影响，因此基坑2先行开挖南坑，北坑作为南坑及基坑1间的缓冲区，缓冲区宽度范围约为0.7～1.2倍的基坑开挖深度。待南坑完成地下室结构施工后再分层分块开挖北坑。

基坑1首先开挖东坑（图1），而后开挖西坑端头井部位，再开挖与基坑2相邻部分基坑，最后开挖西坑剩余部分。

4 相邻基坑开挖相互影响分析

4.1 数值模拟分析

有限元模拟软件可以模拟复杂的工程地质条件，并能较高地还原实际施工工况。采用 Plaxis 2D数值模拟软件对两相邻基坑进行建模分析，见图4。

图4 两相邻基坑模型Fig.4 Model of two adjacent foundation pits

模型尺寸为：150 m×50 m，土体本构模型采用HSS模型，可以考虑土体的剪切硬化、压缩硬化和小应变刚度特性，该模型主要包含以下参数：三轴排水剪切试验割线模量E50ref，固结试验的主加载切线模量Eoedref，三轴固结排水卸载再加载试验的参考模量Eurref，小应变参数G0ref及γ0.7分别为动剪切初始模量与割线剪切模量衰减到初始剪切模量70%时所对应的剪应变，根据地勘报告及现有研究结果[10]，土体基本参数取值见表2。围护墙采用板单元模拟，支撑采用锚定杆单元模拟，结构尺寸均按实际取值，混凝土模量统一取为30 GPa，泊松比为0.15，钢支撑弹性模量取为210 GPa，泊松比为0.25。

表2 HSS模型中土体基本参数Table 2 Parameters of soil in HSS model

结合两相邻基坑实际开挖顺序，有限元分析施工工况见表3。

表3 施工工况Table 3 Construction conditions

图5～6为基坑2开挖到第三道支撑底时土体水平位移及竖向位移的云图，由图可知，由于坑内土体的开挖，坑外土体发生了一定的水平位移及竖向位移，水平位移最大值发生在坑底以下，由于邻近基坑1右侧（南侧）围护墙的存在，约束了土体水平位移的进一步扩散；土体沉降主要发生在北坑留土中，最大沉降位于地表面，同样的，由于邻近基坑1右侧围护墙的存在，限制了土体沉降的进一步传播，但基坑1坑内土体还是产生了一定的位移。

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图5 土体水平位移云图（工况四）Fig.5 Horizontal displacement of soil under condition 4

图6 土体竖向位移云图（工况四）Fig.6 Vertical displacement of soil under condition 4

图7～8为工况五时基坑的变形云图，此时基坑2已开挖至基坑底，邻近基坑1刚开挖至第二道支撑底，由图可见，由于基坑2的进一步开挖，土体最大水平变形进一步增大，且发生位置下移，相较于坑底及基坑1左侧（北侧）的土体变形区域，可以明显的看到北坑留土区域土体水平位移的影响范围更小。从邻近基坑1土体水平位移云图可以看出，基坑1两侧围护墙均向基坑2方向发生位移，但基坑1右侧围护墙水平变形更小，表明右侧围护墙水平变形叠加了基坑1坑内土体挖除的影响及基坑2坑内土体开挖的影响，影响叠加后右侧围护墙仍表现为向坑外变形。从沉降云图中可以看出，坑内土体的挖除进一步增加了中间留土的沉降，但由于围护墙的遮拦效应，对邻近基坑1坑内土体沉降的影响较小。

图7 土体水平位移云图（工况五）Fig.7 Horizontal displacement of soil under condition 5

图8 土体竖向位移云图（工况五）Fig.8 Vertical displacement of soil under condition 5

图9～10为两相邻基坑都已完成开挖后土体的变形云图，由图可见，基坑1左侧围护墙水平变形随开挖逐渐增大，影响范围也进一步扩大，且最大值发生位置位于坑底附近，而右侧围护墙受到邻近基坑2土体挖除的影响，向坑内的变形较左侧更小。而基坑2由于邻近基坑1的开挖卸荷，土体水平变形有减小的趋势。在土体沉降方面，邻近基坑1的开挖使得沉降继续增加且影响范围更大更深。

图9 土体水平位移云图（工况八）Fig.9 Horizontal displacement of soil under condition 8

图10 土体竖向位移云图（工况八）Fig.10 Vertical displacement of soil under condition 8

图11～12为北坑坑内土体完全挖除时的土体变形云图，由图可见，基坑1左侧围护墙侧向变形进一步增大约10 mm。由于原有最大沉降发生于北坑土体，此时，由于此处土体挖除，最大沉降发生于基坑1左侧，距离围护墙约0.5倍开挖深度。由此可见，中间留土的挖除会增加远离留土一侧围护墙的水平变形，减小靠近留土一侧围护墙的水平变形，但中间留土沉降变形较大，应视保护对象及工程情况决定两基坑间是否留有一定的土体作缓冲区。

图11 土体水平位移云图（工况十二）Fig.11 Horizontal displacement of soil under condition 12

图12 土体竖向位移云图（工况十二）Fig.12 Vertical displacement of soil under condition 12

4.2 实测数据分析

为及时发现问题，在两相邻基坑开挖过程中，对基坑变形进行了监测，选取了基坑 1围护墙水平位移的监测数据做进一步分析，监测点位布设见图13。

图13 基坑监测点位布设图Fig.13 Layout of monitoring points of foundation pit

图14为整个开挖阶段各测点围护墙最大变形的实测变形规律，围护墙水平变形整体上呈现上升趋势，但在不同工况下，围护墙水平变形表现不同。在工况四阶段，由于基坑2的开挖，基坑1围护墙水平变形略微减小，但最终位移方向指向坑内，与有限元计算结果不同，这是由于地铁车站东侧端头井部位先期开挖，使得东侧围护墙在基坑2开挖前即有指向坑内的变形。在工况五阶段，由于两侧基坑同期开挖，基坑2右侧围护墙水平变形变化较小，而基坑1左侧围护墙由于两基坑的同时卸荷，围护墙水平变形迅速变大。在工况八基坑1开挖到底阶段，两侧围护墙水平变形持续增大，但基坑1左侧围护墙水平变形增幅要大于右侧。在北坑开挖阶段，基坑1左侧围护墙水平变形继续增大，右侧围护墙水平变形略微减小。

图14 实测围护墙水平位移Fig.14 Measurements of horizontal displacement of diaphragm wall

图15为有限元计算的基坑1两侧的围护墙最大水平变形，如图所示，基坑1北侧围护墙在开挖阶段变形不断增加，在拆撑阶段，变形基本保持不变，最后北坑的开挖进一步增加了围护墙水平变形。而基坑1南侧围护墙在工况六之前，由于基坑2的开挖，南侧围护墙发生指向坑外的位移，因此表现为负数，而且发生于围护墙顶。随着基坑1的逐渐开挖，围护墙最大变形逐渐增大，在工况六时围护墙最大变形发生了较大的突变，这是由于此时围护墙最大变形指向坑内，且发生于基坑开挖面附近。随后，在拆撑阶段，变形基本保持不变。基坑2北坑的开挖，使得南侧围护墙最大变形略微减小。有限元计算结果与实测结果相比，整体趋势及变形增量均较为接近。

图15 数值模拟围护墙水平位移Fig.15 Numerical simulation of horizontal displacement of diaphragm wall

5 结 论

（1）相邻基坑的同期开挖与单一基坑开挖不同，相邻基坑土体的开挖不仅对自身基坑变形有影响，对邻近基坑也存在一定的影响。

（2）围护墙可以限制由邻近基坑开挖引起的土体位移的进一步扩散。

（3）远离邻近基坑一侧围护结构的变形要大于靠近邻近基坑一侧围护结构的变形。

（4）两基坑间土体的开挖会增加远离留土一侧围护结构的变形。