不同开挖方式对基坑变形的影响

庞丹丹， 郑钊锋， 王哲， 杨乐， 任康， 李中浩

（1.腾达建设集团股份有限公司，上海 300122；2.浙江工业大学岩土工程研究所，杭州 310023）

0 引言

近年来，随着城市化进展不断加快，城市土地资源的越来越紧缺。因此，城市地下空间的开发越来越受到人们的重视，基坑朝着更大、更深、更复杂的方向迈进。然而在城市密集区域建造深大基坑不可避免会对周围建筑和周围隧道管线造成影响［1-3］。所以，如何确定围护结构在深基坑工程中的变形，如何精准估算深基坑开挖对周边土体及建筑物的影响，以及怎样解决简单化深基坑开挖过程中的空间效应问题，是目前需要解决的重要工程技术难题。

目前众多学者通过数值模拟、现场试验等方式对基坑围护结构变形控制展开了研究。在开挖方法方面，孙建波和张大等［4，5］对基坑不同开挖方式进行了开拓性研究，并对每种开挖方式的优点和缺点做了说明，他们认为基坑开挖具有明显的空间效应，通过选择恰当的开挖方式可以削弱空间效应的影响。沈健［6］将基坑变形的空间效应归纳为三个方面，其中一方面就是施工方法和施工顺序引起的空间效应。舒魏碧章等［7］针对深基坑工程的空间效应问题，提出了阶梯式分段开挖的有限元建模方法，研究了阶梯式基坑开挖下不同层超挖、不同超挖深度以及不同超挖宽度的影响。武坤鹏［8］在三维开挖的基础上探究了基坑开挖中的岛式开挖，并且研究基坑的降水、围护结构与土体的接触作用、开挖的空间和时间效应等因素对基坑开挖的影响。

在数值模拟方面，Hashash［9］通过有限分析，讨论了支撑条件、围护结构嵌入深度等因素对地表土体沉降、围护结构水平位移的影响。吕昌久［10-13］运用ABAQUS有限元软件讨论了基坑不同的开挖方式对基坑隆起与坑外周边土体变形的影响。朱文斌［14］基于工程案例和实测数据，通过Midas·GTS建立数值模型，研究不同开挖过程中土体与支护结构的动态变化规律。肖萌［15］使用Midas·GTS建立三维基坑开挖模型，研究采用岛式开挖和盆式开挖两种不同开挖方式时产生的支护结构与周边环境变形控制情况和规律。

文中依托实际工程，选取HS土体本构模型，采用三维有限元模拟阶梯型开挖、水平分层分块开挖和水平分层开挖，对比分析开挖选型对地铁基坑围护结构水平位移的影响，探究在3种开挖方式下围护结构位移随工况变化的规律，最后总结归纳出适合工程的开挖方式。

1 工程概况

1.1 工程简介

某地铁站基坑的总平面如图1所示，西侧为一个花鸟城，南侧为河坊街，地处闹市区，基坑长120m，标准段宽约25.7m，顶板覆土2m，底板垫层底埋深约23.97m。基坑仅南侧有较大的偏压，处在深厚黏土混角砾地层上，支撑系统为钢混支撑体系，第1、4道支撑为混凝土支撑（截面尺寸分别为800×1000，1200×1200），第2、3、5、6道为传统的609mm钢支撑。

图1 基坑布置总平面

工程的基坑监测剖面如图2所示，选择4个支撑轴力监测点监测轴力、布置6个地表沉降监测点监测坑外地表沉降，同时选取靠近监测断面的测斜孔来监测地墙水平位移。

图2 基坑监测剖面

1.2 工程地质

工程范围内的土层主要可以分成5个，自上而下分别为：①表层杂填土厚度在4.8～11.3m；②黏土混角砾厚度范围在5.9～11.7m；③黏土混角砾厚度范围在20.1～20.5m；④黏土混角砾厚度范围在5.3～11.9m；⑤最下层为中风化含生物碎屑灰岩。各土层的物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

2 有限元数值模拟分析

文中依据基坑实际工程条件，采用数值模拟的方法研究分层开挖、阶梯型开挖，分层分块开挖对该工程围护结构变形的影响。

2.1 MidasGTS的介绍

MidasGTS是为能够迅速完成对岩土及隧道结构的分析与设计而开发的“岩土隧道结构专用有限元分析软件”，是一款采用windows风格操作界面的完全中文化软件，能够提供完全的三维动态模拟功能。程序提供应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，并提供莫尔库伦、修正莫尔库伦、邓肯-张、修正剑桥等14种本构及用户自定义本构模型；程序还提供便捷的几何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、锚杆建模助手以及丰富的后处理结果；可以广泛应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研。

2.2 假定条件与模型参数

为了简化模型计算，模型只考虑了基坑的围护结构和支撑布置方式及其所在地层的土质情况，其周围的相邻基坑及建筑物均不考虑。并且根据勘察资料及设计施工图纸，结合江建红［16］文中的本构模型、模型参数、边界条件选取原则，确定模型所需的各项参数如下：

（1） 模型中结构构件如基坑围护结构、支撑体系结构均采用弹性模型。

（2） 土层参数。采用HS模型进行模拟，所选土层参数如表1所示。

（3） 钢支撑采用点对点锚杆单元建立，混凝土围护结构及混凝土支撑均采用梁单元建立，地下连续墙采用板单元建立。实际工程中由于活络头及抱箍的存在使得钢支撑在工程中应用的刚度远小于实际的钢材刚度。雷霆等［17］通过研究后发现用梁单元模拟钢支撑时，建议对其刚度折减0.38。故文中钢支撑刚度按0.38倍折减，各结构构件材料特性见表2。

表2 结构材料参数

（4） 数值模型中构件-土及构件-构件间的连接绑定方式依据实际工程均采用刚性连接。

2.3 计算模型和边界条件

根据基坑地层条件，模型共模拟了5层土体（杂填土、黏土混角砾、黏土混角砾、黏土混角砾、强风化泥岩）。如图3所示，模型均采用混合型网格，共包含161094个单元和100199个节点，由土体的边界性质可知土体底部固定而四周法向位移为零，所以对模型四周添加x、y向约束，底部添加x、y、z向约束。

图3 基坑开挖模型

2.4 不同基坑开挖方式的介绍

（1） 分层开挖。分层开挖是指在基坑工程中，如开挖较深，一次挖掘深度无法达到要求时，可将土方开挖沿深度方向分成若干分层施工段，逐层依次进行开挖的开挖方式。

根据基坑的地质条件和各级边坡的深度，又可以将基坑分层开挖分为每级放坡不分层开挖、每级放坡分层开挖两种。

（2） 阶梯型开挖。阶梯型开挖是先沿着基坑按某一长度L分段开挖，每段开挖中又分土层厚度H这样的开挖方式进行开挖。阶梯开挖比较适用于宽度相对于长度来说较窄的长条形基坑。

（3） 水平分层分块开挖。水平分层分块开挖是将每层土划分为若干个区域并编号，然后采用“跳挖”技术按照编号进行开挖的开挖方式。

分层分块开挖在满足变形控制要求的前提下，可以多个工作面同步进行流水作业，大大缩短了施工工期，同时减小土体应力释放产生的不利影响。

2.5 模拟工况

除基坑内第一层土是整层一次性挖去外，其余剩下的土将被分为大致相等的45块，分别采用阶梯型开挖、水平分层分块开挖、水平分层开挖3种开挖方式进行开挖（所有数值模型均只选取一种开挖方式，不交叉进行）。

阶梯型开挖的模拟可以分为31个阶段，具体开挖方法如图4所示。首先开挖模型第1层最右侧的土方，在开挖完成后施作混凝土支撑，之后开挖第2层的最右侧两块。最后，将坑内剩余土体分为6层，每层又被分成若9块，从基坑右上角往左下角进行阶梯型施工，不断开挖。

图4选取了基坑的两个视角（俯视、左视），从图4中可以清楚的了解基坑自右上角往左下角开挖的施工工序。

图4 阶梯型开挖模拟演示

水平分层分块开挖模拟可以分为33个阶段，具体开挖方法如图5所示。在将第一道混凝土支撑上方的坑内土一次性开挖后，把坑内剩余土体分为6层，每层又被分成9小块进行开挖施工。此外，模拟将按照逐层开挖进行，如第1层从两边往中间开挖如图5（a）、图5（b）所示，第2层则是在第1层完全开挖完后再在从两边往中间开挖见图5（c）、图5（d），以此类推。

图5 水平分层分块开挖模拟演示

水平分层开挖流程如图6所示，首先进行围护结构（地下连续墙）的施工，然后按照顺序依次进行第1层土的开挖和施作混凝土支撑，之后则是在第2层土方开挖完成后进行钢支撑施作，总计分6层开挖。支撑形式第一、四道为混凝土撑，其余为钢支撑。

图6 基坑水平分层开挖模拟演示

2.6 有限元模拟结果

阶梯型开挖的地墙部分侧向位移云图如图7所示，当自右上角往左下角进行阶梯型施工时，地墙最大变形位移不断向左下方向蔓延。当基坑开挖完成时，基坑的侧墙最大变形位移是25.55mm，最大变形的位置是在基坑中间位置。地连墙侧向位移与工况的关系则如图8所示。其中在有限元数值模拟中选取了3个节点，节点1、节点2、节点3，分别对应围护地连墙的上部中部和下部（节点位置信息，下同）。

图7 阶梯型开挖部分工况地墙侧向位移模拟结果云图

图8 阶梯型开挖地墙侧向位移与工况关系

水平分层分块开挖的地墙部分侧向位移云图如图9所示，每层由两边往中间分层分块开挖，地墙最大变形位移为27.03mm，最大变形的位置是在基坑纵向1/4位置处。地连墙侧向位移与工况的关系则如图10所示。

图9 水平分层分块开挖部分工况地墙侧向位移云图

图10 水平分层分块开挖地墙侧向位移与工况关系

水平分层开挖的地墙部分侧向位移云图如图11所示，土层1层层从上往下开挖，地墙最大变形位移为20.47mm，最大变形的位置发生在靠近基坑中间截面位置处。地连墙侧向位移与工况的关系如图12所示。

图11 水平分层开挖部分工况地墙侧向位移云图

图12 水平分层开挖地墙侧向位移与工况关系

3种开挖方式对应的模拟结果如上所述。阶梯型开挖位移云图显示最大变形区域从右上角向左下角不断扩张，最终造成的地墙最大位移为25.55mm，其最大位移所在的横截面靠近基坑中间；水平分层分块开挖最终造成得地墙最大位移为27.03mm，最大位移所在的横截面靠近基坑两侧；水平分层开挖位移云图显示最大变形区域整体逐渐下移，最终造成的地墙最大位移为20.47mm，最大位移所在的横截面靠近基坑中间。由此可知3种开挖方式造成的最大位置区别不大，最大最小值相差6.56mm。阶梯型开挖和水平分层开挖的最大位移所在截面位置接近，均靠近基坑中部位置，而水平分层分块开挖的最大位移所在截面位置靠近基坑两侧。

3 结语

（1） 根据有限元模拟的结果，当采用HS土体本构时，不同的开挖方式对围护结构的最终最大变形结果有一定影响，围护结构水平位移变形最大的是分层分块开挖，最小的是分层开挖，阶梯型开挖处于两者中间。

（2） 根据有限元模拟的结果得出，当采用HS土体本构时，能比较全面反映出基坑围护结构最大变形所在的截面位置，从而分析得出围护墙结构的需要加强监测的区域，为今后类似工程的提供参考意义。