沿海城市地下异形建筑基坑工程挖掘方案

马乐强 MA Le-qiang

（华南理工大学，广州 510640）

0 引言

“多维空间，大规模，复杂结构”的城市地下空间建设已成为不可避免的发展趋势。新的施工理念对基坑工程的建设提出了更高的要求，特别是高标准特殊形状的地下建筑工程，因此提出经济合理的基坑支护结构与开挖方案具有重要的现实意义。

1 项目概述

该项目包括轨道交通工程，市政工程和地下公共空间工程，项目周围环境复杂，各类建筑、市政道路、来往行人车辆分布在基坑周围（如图1 所示）。因此，该项目对基坑工程的稳定性要求较高。

该项目基坑工程主要包括三层地下结构。第一层是地铁车站大厅和公共空间，地下包含夹层结构，为地铁过境站通过高速公路隧道的平台。第二层是地铁传输大厅和设备室，它通过另一条高速公路隧道。第三层地下是另一个地铁站的平台楼。在基坑建设过程中，地质环境变化很大，基坑周围环境复杂，交通流量大。因此，确保基坑的施工安全，减少施工对周围建筑物的影响，保持道路交通的连续流动是该地下异形建筑基坑工程施工的难题。

地下异形建筑工程为三层多跨框架结构，地下一层底板深度为14m，地下二次底板深度为21m，地下三层底板最大深度为33m，基坑平面直径为200m。

2 有限元模拟分析

2.1 模型建立

本文采用Midas/GTS 软件进行数值模拟，并通过空间应变建立模型。几何模型是根据工程地质数据建立的，包括中心区、北区和南区。根据支撑设计建立了中心区基础模型，挖掘分为6 层，深度分别为9m，5m，6m，4m，5m 和4m。基坑北区和南区深14m，分两层挖掘，挖掘深度分别为4.5m 和8.5m。由于基坑结构的影响范围约为基坑平面尺寸的2-3 倍，因此模型尺寸为400m×400m×100m。

该模型考虑了结构的自重，荷载方向垂直向下。模型中的边界条件是自动约束的；也就是说，正常水平位移被约束在模型周围，三个方向（x，y，z）的位移被约束在模型的底部，并且地球表面是自由表面。同时，垂直扭转约束设置在柱桩的底部。假设土壤荷载均匀分布，周围主干道上覆荷载设计为15kN/m2，周围建筑荷载按每层18kN/m2计算。

改进的莫尔-库仑模型被用于土壤层的本构关系。应力-应变的切线模量Et为：

其中Et是切线模量，E0是初始弹性模量，Rf是失效率，其值在0.75 和1.00 之间，c 是内聚力，φ 是内摩擦角。σ1，σ2和σ3是土壤的应力。

2.2 支撑结构模型

在该模型中，将桩以等刚度的方式转变为地下隔膜壁，并使用厚度为965mm 的线性弹性模型板单元进行模拟。转换后的公式如公式（2）和（3）所示：

其中D 是桩的直径，t 是桩的间距，h 是改造后的地下隔膜壁的厚度。

沿深度方向在基坑中心区设置了六个支撑结构。第一至第四支撑结构是钢筋混凝土支撑，第五和第六支撑结构是钢板支撑。沿基坑北部和南部地区的深度方向设置了两个混凝土支撑结构，并在支撑结构的末端设置了顶梁或封闭梁。通过线性弹性梁单元模拟每层、柱桩、顶梁的支撑。支撑结构的模型网格如图2 所示。

图2 基坑支护结构的模型网格

建立模型后，土壤层采用10 节点和四面体单元，梁采用3 节点线单元，网格划分过程中采用12 节点界面单元进行土壤与结构的相互作用。模型元素总数为360437 个，节点总数为263819 个。模型的解决方案类型是施工阶段。该模型如图3 所示。

图3 基坑三维有限元模型

在基坑施工过程中，地质环境变化很大，周围环境复杂，交通流量大。异形建筑基坑工程应采用分割挖掘的施工方法。为了研究不同挖掘程序下各区之间的相互作用，从逐步挖掘和同步挖掘两个方面模拟了不同的基坑挖掘施工组织，并讨论了基坑挖掘的变形特征。

3 数值模拟结果

3.1 逐步分割开挖的变形特征

3.1.1 模型工作条件设计

模拟了逐步分区挖掘方法的三种工作条件。①首先开挖中心区，然后同时挖掘南区和北区，记录为条件1。②同时开挖基坑南区和北区，然后开挖中心区，记录为条件2。③首先开挖基坑的北区，然后开挖基坑中心区，最后开挖基坑南区，记录为条件3。

3.1.2 基坑周围地面的变形特征

为了研究基坑周围地面的变形特征，根据上述工作条件进行了建模和计算，并在基坑的八个方向上选择了测量点；它从北纬顺时针依次命名为P1-P8。分析固定桩50m以内的表面变形情况。

3.1.3 支撑结构的变形

根据挖掘步骤完成模型的数值计算后，比较了三种工作条件下支撑结构的变形情况，可以看出支撑结构的变形差异明显。差异主要反映在中部和南部-北部地区的共用桩上。在条件1 下，南北排的共用固定桩均变形至中心区内侧；在条件2 下，由南北排构成的部分共用固定桩变形到中心区外；在条件3 下，北排共用固定桩的一部分变形到中心区外，南排共用固定桩的一部分变形到中心区内部。

①外固定结构的变形。进一步分析了逐步分割挖掘方法工作条件下各区桩的变形情况。各工作条件下外固定桩的变形规律基本一致，桩轴呈“腰鼓形”；除测量点P1 外，所有固定桩的变形集中在7-11mm 范围内。上述分析表明，外固定结构的变形规律受基础不同区域挖掘顺序的影响较小，外固定结构的变形相对均匀。

②坑区坑内结构变形的保持。选择三个固定桩参考点以及与基坑北侧相等的距离，其表示K1（西侧凹角），K2和K3（东侧凹角）。选择固定桩的两个参考点以及基坑南侧的相等距离，其表示K4（西侧凹角）和K5（短侧中点）。

显示：

1）K1，K3 和K4 测量点在不同开挖步骤下桩轴的变形几乎没有差异。桩顶部的最大变形集中在4-5mm 范围内，随着开挖深度的增加，变形逐渐减小。

2）相比之下，发现在条件2 下固定桩的变形很小。这是因为挖掘坑区坑时，挖掘出北部和南部地区的土壤。由于土壤的卸载效应，坑区坑内上层土壤的荷载效应减弱，变形较小。基坑的开挖顺序对坑区坑内桩的变形有一定影响。

③共享保持结构的变形。异形建筑基坑的共享固定结构是指用于分隔中部地区和南北地区的固定桩。在这个工程中有三排共用的固定桩。北排位于bowknot 区的北侧（长度为26m），南1 排位于bowknot 区的西南侧（长度为26m），南2 排位于bowknot 区的东南侧（长度为39m）。沿北行选择了三个参考点，分别表示ZN1（1/4 侧），ZN2（中点）和ZN3（3/4 侧）。沿南1 行和南2 行选择5 个参考点，分别表示ZS1（1/3 南1 行），ZS2（2/3 南1 行），ZS3（1/4 南2行）），ZS4（南2 行中点）和ZS5（3/4 南2 行）。

显示：

1）在bowknot 地区的挖掘过程中，共用固定桩轴的变形大约是“腰鼓形”。变形主要集中在地下10m 处，10m 以下桩轴的变形逐渐减小。中心固定桩的变形大于两侧固定桩的变形。

2）当坑区坑挖掘时，南2 排固堆（长堆）底部的变形继续增大，最大变形位置随着挖掘逐渐向下移动。

3）当在北部和南部地区建造基坑时，由于桩后面土壤的卸载作用，短桩的变形从原始的“腰鼓形”变为近似的“垂直形”。桩干主要受基坑内支撑的轴向力的影响。

4）桩的变形主要发生在南北地区的挖掘阶段。

3.2 同步分割挖掘的变形特征

3.2.1 模型工作条件的设计

中心区和基坑南北区的同步分割挖掘分为两种情况：同一层同步挖掘和分层同步挖掘。

3.2.2 基坑周围地面的变形特征

建模和计算是根据上述工作条件进行的。在计算了基坑模型之后，在与先前工作条件相同的位置选择了参考点，称为M1-M8。在条件4 和条件5 下，由于采用了对称分割挖掘方法，基坑周围地面变形的变形特征基本相同。

3.2.3 保持结构的变形

当根据工作条件4 和5 的挖掘步骤完成计算时，分析保持结构的变形。

①外固定结构的变形。

分析了同步分割挖掘过程中保持结构的变形。

变形曲线表明，在不同地区同步开挖条件下，周围桩的变形不受开挖过程的影响，变形相对均匀。

②坑区坑内固定结构的变形。

选择了五个参考点，它们与逐步分区挖掘的位置相同，分别称为M1'，M2'，M3'，M4'和M5'。显示坑区坑内桩的变形与阶梯开挖的最终变形一致，表明基坑的同步开挖顺序对坑内桩的变形影响不大。

③共享保持结构的变形。

选择了八个参考点，其位置与逐步分区挖掘的位置相同。分析了不同开挖阶段各保持桩的变形情况。

显示在工作条件4 下：

1）当第一层开挖完成时，在第一支撑和第二支撑的约束下，顶置桩的变形较小，桩轴的最大变形位于地下约10m 处；也就是说，在北部-南部地区的第二个支撑物（-4 m）与北部-南部地区的底部（-14m）之间。

2）当异形建筑基坑挖掘到中心区的第一层时，由于桩后面的基坑土壤的卸载效应，其近似线性形状，显示了保持桩的回弹变形。桩顶没有明显的变形，这是由于开挖前竖立的混凝土支撑阻碍了桩的回弹。

3）当异形建筑基坑挖掘到中心区的第三层时，每个固定桩的变形进一步增加，桩的变形在10-20mm 范围内最为明显；在坑区坑的挖掘中，只有ZS4 和ZS5 保持桩（长桩）继续向下变形。

显示在条件5 下：

1）在bowknot 地区挖掘基坑时，共用桩仅进行单侧土方卸载，各区桩的变形趋势相对较近，表明各区桩的应力区域是一致的。

2）在挖掘的早期阶段，由于桩后土壤的卸载效应，当同时挖掘基坑的南部和北部区域时，保留桩的整体变形减小。随着开挖步骤的推进，保持结构的变形继续增加，表现为短桩整体变形较大，长桩明显变形仅发生在桩上部。

3）当基坑开挖完成时，长桩的变形呈抛物线状，短桩仍有一定的鼓形；也就是说，桩的变形没有完全恢复，桩的整体变形较大，ZS5 的顶部变形大于ZS3 和ZS4 的顶部变形，这与角支撑的刚度有关。这表明当在不同地区进行分层同步挖掘时，内力变化很大并且易于发生突变。

3.3 分区挖掘方法的比较

从以上分析可以看出：

①在基坑的逐步挖掘中，不同工作条件下基坑周围地面的变形的特征在于基坑底部土壤的横向位移和隆起。在工作条件1 和2 下对称开挖的表面沉降很小。共用固定桩的最终变形向挖掘区域倾斜。当桩两侧的土壤卸载时，保持桩的变形为“线形”。

②采用同步分割开挖时，各工作条件下坑周围地面变形，外固桩变形，坑区坑内变形与逐步变形相一致挖掘。共用桩的变形差异明显。共用保持堆的变形很小，并且当同步挖掘同一层时变形是一致的。桩的变形复杂，在分层同步开挖下容易发生突变的内力分布不均匀。

③当基坑逐步挖掘时，应优先采用对称挖掘方法，先挖掘较小的区域；在充分考虑工程经济性和施工组织可行性的情况下，同一层同步开挖的施工方法更有利于控制基坑的整体变形。

综上所述，本文所采用的异形建筑基坑工程采用条件1 逐步分割挖掘的施工方法。

4 结束语

基于中国某沿海城市异形建筑的基坑工程，分析了各种分区挖掘方法的特点和逐步同步挖掘。通过数值模拟和现场监测分析了异形建筑基坑周围的表面变形和支护结构的变形情况，揭示了圆形基坑的开挖变形特征。主要结论如下：

①异形建筑基坑逐步挖掘时，应优先采用对称挖掘方法，先挖掘较小的区域；在基坑分割同步挖掘中，在充分考虑工程经济性和施工组织可行性的前提下，同一层同步挖掘的施工方法更有利于控制基坑的整体变形。

②在不同的开挖过程中，基坑周围的横向位移，地表变形，底部土壤隆起，周边固定桩变形特征是一致的。由该过程引起的变形差异主要反映在共用保持桩的变形中，并且桩的最终变形向基坑的挖掘区域倾斜。当桩的两侧卸载时，保持桩的变形以线性形状反弹。

③在基坑挖掘期间，每层支撑的轴向力随着挖掘逐渐增加。支撑的轴向力在早期迅速增加并且在后期减慢。在相同的约束条件下，底部支撑的轴向力大于上部支撑的轴向力。

④通过对监测数据和数值模拟结果的分析，发现圆形保持结构的变形较小且相对均匀，表明圆形结构的“拱顶效应”对基础变形有一定的限制。

⑤圆形基坑具有特殊的空间应力特征；它可以充分发挥轴向载荷作用下的强压缩性能。具有刚度大、壁变形小、异形建筑基坑机械化操作方便等优点。由于每个异形建筑基坑工程周围的交通环境和地质环境不同，因此需要根据具体情况进行具体分析。