分区开挖顺序对深基坑支护结构变形影响情况分析

梁科峰

（中铁十八局集团第三工程有限公司, 河北 涿州 072750）

0 引言

深基坑工程的发展与支护结构息息相关，当出现新的支护结构时，会带动新的深基坑施工技术的产生，并且在开挖深度逐渐增加的情况下，产生了不同的支护开挖技术。 现阶段，支护开挖已经产生数十种技术，包括钢筋混凝土桩、连续墙以及钢板桩等，但由于深基坑开挖工程的不稳定性和复杂性，在施工过程中支护结构的强度和稳定性会发生变化，甚至会产生变形。 深基坑是充分利用土地资源的一种施工方式，我国深基坑开挖与支护具有多个特点，一方面基坑深度超过20 m，另一方面工程多位于填海和填湖地区，地质条件较为复杂。 深基坑开挖的过程就是对坑底土体卸载的过程，在开挖过程中局部水平边界会发生改变，应力与应变状态会发生较大变化，存在不稳定性与复杂性，因此有必要对其支护结构变形进行分析。

目前，已有大量学者进行了相关研究，林峰[1]利用ABAQUS 有限元软件建立深基坑与近邻地铁隧道的三维数值模型，分析了深基坑施工对地表沉降、支撑轴力和地铁隧道沉降的影响，并研究了加固区宽度、强度和水平间距对地铁隧道水平位移的影响。 但该方法的研究对象为杭州文一西路提升改造工程，具有一定的局限性。 尤伟军等[2]针对下覆盾构隧道在软土地区大面积基坑开挖中的变形问题，采用Plaxis3D 数值软件建立三维有限元数值计算模型进行研究。 但该方法未考虑多种影响因素，导致结果的准确性和可靠性较低。黄睿等[3]通过模拟软土深基坑的支护结构位移变形，研究了不同搅拌桩直径和型钢型号对支护结构性能的影响。 结果表明，增大搅拌桩直径和型钢截面尺寸能够提高支护结构的抵抗位移变形能力。 但该方法仅考虑了搅拌桩直径和型钢截面尺寸对支护结构位移变形能力的影响，缺乏对其他潜在因素的研究和分析，具有局限性，无法全面评估支护结构的稳定性。 赵鹏飞等[4]通过研究双排桩支护结构的桩长、排距和桩径等因素，分析了空间效应对支护结构变形的影响。 该研究旨在选择更合理的支护结构，以减小坑壁侧移变形。 但该方法忽略了土层性质、荷载条件等可能影响支护结构变形的因素，不能给出全面有效的结论。

为了解决上述问题主要关注了不同支护结构参数对其性能和变形影响的问题，本文分析了分区开挖顺序对深基坑支护结构变形影响，构建了一个综合的数值模拟框架，并通过数值模拟得出具体的位移和变形结果，提高了分析结果的准确性。

1 工程概况

为分析分区开挖顺序对软土区深基坑钢筋混凝土支护结构变形的影响，以某省实际工程为研究对象，对其具体的基坑设计情况和地质情况进行分析。

1.1 基坑平面与支撑布置情况介绍

此次以软土地区的实际工程作为研究背景，结合工程的具体地形和周边环境，以及水文等条件，考虑深基坑的位置以及开挖方式。该项目位于某省某国际贸易中心，工程基坑总面积为40 200 m2，基坑外围边界呈现不规则形状，但整体地势较为平坦，具体情况见图1。

图1 基坑开挖工程施工布置详情: (a)基坑平面; (b)支撑位置

根据图1 所示，此次选择的深基坑工程周围一侧有河流，长度为20.3 m，无护岸结构，因此土体常年水分含量较大，且基坑周围的地下土体中含有众多管线。 整个工程北侧紧邻地铁隧道，其隧道外径和内径分别为6.4 m 和5.6 m，管道埋深为15.2 m。

该基坑采用三层支撑结构，每道支撑结构材料均为钢筋混凝土，为配合支撑位置下放情况，整体采用分区开挖方式。 为具体分析不同开挖顺序对软土区深基坑支护结构变形的影响，对工程地质土层的情况进行描述和分析。

1.2 深基坑工程土层分布情况描述

根据工程要求，在深基坑工程中采用横向框架支撑结构，由水平的横梁和垂直的立柱组成，形成一个刚性支撑网格结构，能够提供稳定的支撑力和较好的水平和竖向支撑性能，适用于不同深度的基坑。根据现场地质勘探结果，该工程项目的影响水位分为三类，包括潜水、微承压水以及承压水，其中潜水主要赋存于填土层中，微承压水主要赋存于粉质土层中，承压水主要在粉质土层以下。 基于工程项目地下水的影响情况，对地基土的构成和特征进行分析，将其自上而下进行描述，具体见表1。

表1 基坑土层构成与特征

从表1 中可知，此次深基坑工程地质层共计8 个，工程地质亚层共计10 个，分布较广的为粉质黏土层。 受基坑工程的地质条件影响，本次分析过程需要将软土地质作为影响因素之一，在深基坑开挖之前，对土层的基本物理力学指标进行分析。

1.3 土层基本物理力学性质指标分析

在实际深基坑开挖工程中，土体以分层的形式分布，由于此次选择的施工工程地质条件较为复杂，需要对各层基层土的基本物理力学性能指标进行分析。 从工程项目的影响水位分布情况入手，首先对天然状态下的基本物理性质指标进行分析，见表2。

表2 物理性质指标

如表2 所示，天然状态下的物理性质指标包括水含量、重度以及孔隙比，其中含水量主要受地下水位影响。 正常情况下，潜水分布于填土层中，该层以黏性土为主，透水性不均匀；微承压水分布的土层透水性较好，因此含水量会逐渐降低，呈现“弱透水”“中等透水”级。 在此基础上，分析各土层力学性能指标，见表3。

表3 不同土层力学性质指标

如表3 所示，此次力学性能指标包含内聚力、内摩擦角、压缩系数以及压缩模量四组指标。 对于深基坑开挖时，土体的力学性能作用较为明显，为降低土体附加应力对基坑和隧道的位移变形影响，此次采用分区开挖方式进行深基坑施工，按照单个小基坑形式进行开挖，并分析开挖顺序对支护变形的影响。

2 分区开挖顺序对支护变形影响的数值分析设计

由于实际工程中基坑的土体会呈现分层状态， 且此次选择的混凝土支护结构也为多道内支撑，因此需要确定开挖顺序，并基于开挖顺序建立几何法分析模型，模拟分区开挖顺序下软土区深基坑支护变形的数值变化情况。

2.1 确定深基坑分区开挖顺序

为减少土体的附加应力，采用分隔的形式对基坑进行划分，设置北侧为基坑A1，南侧靠近轨道结构侧为条形坑A2 和A3，三个分区均为30 m×30 m 的大小。 本次共设计三道支撑结构，其中基坑A1 区的第一道为钢筋混凝土支撑，第二道和第三道为钢支撑，布置方式为对撑加斜撑形式。 在基坑邻侧的隧道A2 和A3 分区内，支撑的形式与上述情况一致，开挖深度设定为12.5 m。

根据基坑开挖深度和钢筋混凝土支护布置形式，确定该工程基坑开挖方法，整体开挖过程必须遵循：“分层”“分段”“分块”“对称”“平衡”“限时”的原则，并利用空间效应原理，合理地进行基坑开挖，以此保证基坑隧道的稳定性。 以A1 区域为例，依次进行竖向开挖，具体顺序如下：

1）第1 层：整理施工工程场地，利用挖掘机挖土。 从现有地面开挖至第一道支撑面，深度为-2.0 m，并布置第一道混凝土支撑。

2）第2 层：采用盆式挖土施工到区域内的第二道钢筋支撑。 支撑底部标高为-3.5 m，开挖至区域内支撑后再去除护坡留土，完成剩余的第二道支撑。

3）第3 层：通过“分层”“分段”方式开挖至基坑的第三道钢结构支撑。 此时底部标高为-7.2 m，并在支撑施工过程中预留护坡土层。

4）第4 层：直接挖至地下底板高程。 标高为-12.2 m，且护壁需要留土。

通过A1 分区的开挖顺序设定，在A2、A3 区域内也需要按照上述原则进行施工。 该基坑的钢筋混凝土支护结构按照自上而下的形式布置，对于软土层深基坑的开挖过程，其中土体的卸荷作用较为明显，因此对于开挖顺序与支护变形的影响模拟中，需要设定边界以及荷载条件。

2.2 设定支护结构受力边界及荷载条件

一般情况下，大型的深基坑均采用多道支撑支护体系，在面对多道支护结构时，以分层开挖形式进行施工。为获取不同开挖顺序，深基坑开挖时支护结构变形的情况，需要对其受力模式进行分析[5]，设置分段开挖时支护结构受力边界，见图2。

图2 基坑分区分段开挖支护受力情况: (a)横向受力; (b)竖向受力

如图2 所示，在基坑开挖过程中支护结构在横向和竖向均会产生受力情况，横向受力会产生新的内力，在不同土层和支护中发生变化[6]。 当支护结构受到横向受力时会产生横向变形，且其会引起周围土体的竖向变形，继而引发周围管线的不均匀沉降。 因此，在深基坑开挖过程中，地面沉降与支护结构的变形关系是成正比的，则其荷载条件即支护结构所受到的外部载荷或力的情况、描述支撑结构在深基坑开挖过程中承受的荷载，可设置为：

其中：q为存在孔隙水压力时的荷载条件；t为孔隙水压力消散后的荷载条件；we和we"为两种条件下的周围土体荷载[7]；wr和wr"为支护结构的横向受力；u为地面沉降量；p为影响距离；a为基坑开挖深度；i为支护横向受力体积。

为通过对支护结构的受力情况以及荷载条件下其可能产生的变形进行分析，实现多角度同步的数值模拟，需要建立一个有效的几何分析模型。

2.3 建立变形模拟几何分析模型

上文中给出了影响支护变形的受力条件以及荷载条件，根据深基坑开挖的实际尺寸，以轴对称平面应变为前提，对位移边界作出假设：先假定在基坑左右边界的水平方向位移为零，竖直方向容许发生变形；下边界任意方向的变形为零[8-10]。采用《工程地质手册》经验值，分别对模拟的渗透系数和泊松比进行参数取值，具体见表4。

表4 给出可数值模拟的具体参数，通过给定的初始条件，按照四个开挖阶段设置几何模型的网格划分模式，建立此次分区开挖过程的数值模拟几何模型，见图3[11]。

图3 数值模拟几何模型

如图3 所示，在模型建立之后按照设定的分区开挖顺序进行验证，对于每一个支护模块均可以看作为一个独立方程，并将其承受的边界条件记为矩阵形式，如下：

其中：h（0）为支护顶部位移；s（df）为支护顶部受力；df为变形弯矩[12]；g（df）为支护底部受力；j 为柔性矩阵。将支护结构承受力构建为一组非线性方程k，对其求解实现数值模拟。至此，完成分区开挖的深基坑支护结构变形模拟分析方法设计。

3 实测数据与模拟数据对比分析

受软土区复杂环境影响，在进行深基坑施工开挖过程中会面临多种不确定因素，造成基坑工程对周边建筑的严重变形影响。 因此，在实际施工过程中需要对周边环境和结构进行监测，本次设计了一个数值模拟分析模型，对分段开挖过程中的混凝土钢筋支护结构变形情况进行跟踪。 为验证其模拟结果能够作为应用数据，对此次选择的工程数据进行实测，将两组数据进行对比，以此验证其模拟真实度。

基坑的施工作业在实施时需要每天进行监测，以此保证工程的安全性，根据此次工程的施工特点，由于基坑的不规则形状影响，在划定的A1、A2、A3 区域中，A3 区域最靠近隧道，在该区域内的支护结构对隧道影响最大，因此选择该区域支护结构为本次监测对象。 具体情况如下：

（1）水平位移：深层水平位移为监测重点，共设置20 组点位，间距布置为12 m，工具采用斜测仪，自上而下提取支护结构的水平位移，并保存数据。

（2）竖向位移：监测点布置在支护结构外侧，可以构成监测控制面，按照6.5 m 间距布置，统计各测量点前后标高即可。

使用Plaxis 作为实验平台，使用Plaxis 3D 建立模型和进行数值模拟分析。 按照2.3 小节中的设定进行网格划分和边界条件设置，根据表4 设置土体和支撑结构的材料参数，根据公式（1-3）设置相关的荷载条件。按照2.1 小节中的分区开挖顺序，在实验平台中逐步进行开挖，并模拟支护结构的变形过程。观察并记录每个阶段的位移、应力等数据。

根据监测点设计情况，对基坑A3 支护结构开挖阶段的水平位移和竖直位移数据进行统计，并与模拟值进行对比。 水平位移的监测为最后开挖阶段，竖直位移的监测为基坑A3 开挖结束，见图4。

图4 钢筋混凝土支护结构监测点变形示意: (a)水平位移; (b)竖直位移

如图4 所示，在分段开挖中支护结构的水平位置呈现先增大后递减的情况，整体上为“内凹”变形，最大水平位移发生在地下约11.5 m 处，接近于基坑底部，且模拟数据略小于实际数据。在竖向位移监测中，支护结构变化规律为“凹槽”变形，其表现为先增加后降低的趋势，同样实测值大于模拟值，但两者变化规律是一致的。 这是因为在分段开挖过程中，当一侧土体被开挖时，未开挖一侧的土体会受到侧向压力的影响，向开挖区域移动，导致支护结构所在位置的土体发生侧向位移，并且随着开挖深度的增加，侧向位移增大，导致水平位移也随之增大。 基坑开挖会引起周围土体的重新分配应力和变形。 土体之间存在相互作用和耦合效应，随着开挖深度的增加，原本受到较大侧向压力的土体在支撑结构作用下产生一定的位移释放，从而导致局部土体的水平位移逐渐减小。

通过上述两组结果可知：本次设计的几何模型给出的水平位移模拟值和竖向位移模拟值，均在规范容许范围内，且与实测值的变化趋势具有相同性，说明本次基坑开挖施工工程可以通过数值模拟进行验证和预测，具有应用价值。

为了研究不同开挖顺序对深基坑钢筋混凝土支护结构变形的影响。 分别监测按深度顺序开挖、从中间向两侧逐步开挖和先挖内侧再挖外侧情况下的支护结构的水平位移和竖直位移，评估并确定最优的开挖顺序，以减小支护结构变形的程度。 不同开挖顺序下的支护结构水平位移和竖直位移的实验结果如表5 所示。

表5 不同开挖顺序下的支护结构位移

由表5 可知，在按深度顺序开挖顺序下，支护结构的水平位移和竖直位移逐渐增大。 随着开挖深度的增加，水平位移从0 增至13 mm，竖直位移从0 增至7 mm。 说明按深度顺序开挖会导致较大的位移和变形。从中间向两侧逐步开挖顺序下，支护结构的水平位移和竖直位移相对较小。水平位移从0 增至3 mm，竖直位移从0 增至5 mm，比按深度顺序开挖时的变形量明显减小。 说明采用从中间向两侧逐步开挖的方式可以减少支护结构的变形程度。 先挖内侧再挖外侧顺序下，支护结构的水平位移和竖直位移最小。 水平位移保持在0～1 mm 范围内，竖直位移维持在0～3 mm 之间。 说明先挖内侧再挖外侧的开挖顺序在减小支护结构的变形量的方面效果最佳。

根据以上实验结果，总结出关于分区开挖顺序对深基坑支护结构变形的影响：

（1）按深度顺序开挖，支护结构的水平位移和竖直位移逐渐增大。 开挖深度的增加会导致较大的位移和变形。

（2）从中间向两侧逐步开挖，支护结构的水平位移和竖直位移相对较小，可以减少支护结构的变形程度。

（3）先挖内侧再挖外侧，能够最有效地减小支护结构的变形量。

4 结论

以软土地质条件为研究基础，以分区开挖顺序作为施工条件，选择大型深基坑通用的多道支撑支护体系，对深基坑的混凝土支护结构变形情况进行分析。 通过实验得出以下结论：

（1）不同开挖顺序对支护结构的水平位移和竖直位移有显著影响。 按深度顺序开挖会导致较大的位移和变形，而从中间向两侧逐步开挖的方式可以减小支护结构的位移和变形。

（2）先挖内侧再挖外侧的开挖顺序能够最有效地减小支护结构的变形，支护结构的水平位移和竖直位移最小，变形量相对较小。

（3）分区开挖顺序直接影响着支护结构的变形程度。 选择合理的开挖顺序可以有效减小支护结构的变形，降低与周边建筑、地下结构之间的相互作用。