陶東軍，張浩文，孔德駿

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代城市建設(shè)中由于設(shè)計(jì)規(guī)劃、工期安排等原因，相鄰基坑工程同期施工的情況屢見不鮮[1-4]。與單個(gè)基坑相比，相鄰基坑之間存在明顯的耦合作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力和對(duì)周圍環(huán)境的影響也變得更加復(fù)雜[5-9]。特別是在軟土地區(qū)，由于淤泥質(zhì)土層強(qiáng)度低、剛度小等特點(diǎn)，相鄰基坑開挖的相互影響效應(yīng)尤為顯著。

目前，對(duì)于相鄰基坑同期施工的問題已有較多的研究。張中杰等[10]結(jié)合3個(gè)同期施工基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基坑施工過程中的圍護(hù)墻變形、圍護(hù)墻頂部位移、支撐軸力和立柱豎向位移的變化規(guī)律。張竹庭[11]采用二維數(shù)值模擬分析了相鄰基坑交界區(qū)域土坡的穩(wěn)定性。葉建峰等[12]討論了相鄰基坑開挖的失效機(jī)理和破壞模式。岳樹橋等[13]探討了同步開挖相鄰基坑間有限寬度土條主動(dòng)土壓力的計(jì)算方法。

本文以軟土地區(qū)某相鄰基坑工程為背景，應(yīng)用三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同施工工況下圍護(hù)墻位移、坑外地表沉降和支撐軸力的變化規(guī)律。

1 工程概況

某商住綜合體項(xiàng)目位于軟土地區(qū)，該項(xiàng)目基坑平面長(zhǎng)98.9 m，寬74.5 m，開挖深度約10.1 m。北側(cè)鄰近有一近期施工的地鐵車站項(xiàng)目，車站基坑長(zhǎng)219.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，端頭井寬26.5 m，開挖深度約18.5 m。綜合體基坑及車站基坑均采用內(nèi)支撐形式的板式支護(hù)體系，支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置情況如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

綜合體與車站基坑均采用800 mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)，墻體深度分別為25.5 m及35.8 m。其中，綜合體采用2道混凝土內(nèi)支撐體系，車站采用第1道混凝土支撐、第2—第5道鋼支撐體系。綜合體基坑距離車站基坑端頭井最近處不足20 m，本文主要討論車站基坑實(shí)施對(duì)綜合體基坑的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向布置情況如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向布置圖(單位：mm)

工程場(chǎng)地位于軟土地區(qū)，車站基坑位于城市道路中央，綜合體基坑位于路側(cè)的人工平整場(chǎng)地內(nèi)，地面標(biāo)高1.90 m～2.42 m，工程地質(zhì)平面情況較為簡(jiǎn)單。土層剖面分布情況如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 基坑三維數(shù)值模擬

2.1 模型概況

為了模擬車站基坑開挖對(duì)綜合體基坑影響的空間效應(yīng)，采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型?；臃秶?、支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)際尺寸進(jìn)行建模?？紤]盡可能減小邊界條件對(duì)基坑的影響并保證一定的計(jì)算速度，將整個(gè)模型在三個(gè)方向進(jìn)行拓展，整體模型x向長(zhǎng)420 m，y向?qū)?00 m，z向深60 m。劃分好網(wǎng)格的支護(hù)結(jié)構(gòu)及整體有限元模型如圖4、圖5所示，整個(gè)模型的單元數(shù)量在44萬個(gè)左右，節(jié)點(diǎn)數(shù)量在30萬個(gè)左右。采用“生死單元法”模擬基坑土體的開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 整體有限元模型

2.2 材料參數(shù)

為方便材料參數(shù)的取值，土體采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，彈性模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5倍的壓縮模量，泊松比根據(jù)靜止側(cè)壓力系數(shù)換算得到，具體參數(shù)如表1所示。

模型中采用梁?jiǎn)卧M冠梁、支撐、立柱樁及格構(gòu)柱，采用板單元模擬地下連續(xù)墻，基坑支護(hù)體系各構(gòu)件均采用理想線彈性本構(gòu)模型，鋼材泊松比取0.3，混凝土泊松比取0.2，具體構(gòu)件參數(shù)如表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)表

2.3 模擬工況

受工期控制，綜合體與車站基坑擬采取同步施工，即同步開挖第1至第3層土，然后車站基坑再開挖第4、第5層土至基底，施工流程如表3所示。上述同步施工工況定義為工況3。同時(shí)，為了比較分析不同施工順序下車站基坑實(shí)施對(duì)綜合體基坑的影響，補(bǔ)充2個(gè)模擬工況：工況1，綜合體單獨(dú)開挖，即僅施工表3中綜合體基坑內(nèi)容；工況2，綜合體與車站先后開挖，即在施工完表3中綜合體基坑內(nèi)容后再施工車站基坑內(nèi)容。

3 結(jié)果及分析

3.1 單基坑開挖

本節(jié)討論工況1下綜合體基坑圍護(hù)墻側(cè)移、坑外地表沉降和支撐軸力。

表3 施工流程表

3.1.1 圍護(hù)墻側(cè)移

圖6為綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后的圍護(hù)墻側(cè)移云圖，x方向最大側(cè)移為70.1 mm，y方向最大側(cè)移為71.6 mm。圖7為與y方向垂直的兩側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移曲線，兩側(cè)墻體側(cè)移變化規(guī)律類似，隨著開挖深度的增加，最大側(cè)移點(diǎn)的深度逐漸下移，同時(shí)墻體下端出現(xiàn)明顯的踢腳現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[14]所述的規(guī)律相同。由于靠近車站一側(cè)墻體跨度較小，平面外剛度較大，因此該側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移整體小于另一側(cè)墻體。

3.1.2 坑外地表沉降

圖8為綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后的地表沉降云圖，坑外地表沉降最大值為39.5 mm。圖9為綜合體基坑單獨(dú)開挖情況下靠近車站一側(cè)坑外地表沉降曲線，由圖可見，各個(gè)開挖步續(xù)下坑外沉降分布規(guī)律類似，基坑邊緣幾乎不產(chǎn)生沉降，隨著與基坑邊距離的增大，坑外地表沉降先逐漸增大，并在距離基坑邊約13 m位置處達(dá)到最大值，而后逐步減小。整體上坑外地表沉降隨著開挖深度的增加而增大，而最大沉降量均位于綜合體與車站之間的夾心土范圍內(nèi)，這對(duì)地表沉降的控制極為不利。

(a) x方向 (b) y方向

圖7 單基坑開挖下圍護(hù)墻側(cè)移曲線

圖8 單基坑開挖下地表沉降云圖

3.1.3 支撐軸力

綜合體基坑單獨(dú)開挖至基底后第一道和第二道支撐軸力云圖如圖10所示。由圖可見，第一道支撐最大軸向壓力為4 081.7 kN，最大軸向拉力為2 654.6 kN，第二道支撐最大軸向壓力為13 939.7 kN，最大軸向拉力為5 096.9 kN。第二道支撐軸力明顯大于第一道支撐，而第二道支撐截面與第一道支撐截面差異不大，因此應(yīng)著重考察第二道支撐軸力情況。

圖9 單基坑開挖下地表沉降曲線

圖10 單基坑開挖下支撐軸力云圖

3.2 雙基坑開挖

本節(jié)討論工況2、工況3下綜合體基坑圍護(hù)墻側(cè)移、坑外地表沉降和支撐軸力，并與工況1的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.2.1 圍護(hù)墻側(cè)移

模型中，基坑沿著y方向分布，相鄰基坑開挖的影響主要體現(xiàn)在y方向上，討論車站基坑施工對(duì)綜合體基坑圍護(hù)墻y方向側(cè)移的影響。為方便描述，定義與y方向垂直的靠近車站一側(cè)和遠(yuǎn)離車站一側(cè)的綜合體基坑圍護(hù)墻分別為近端墻和遠(yuǎn)端墻。圖11給出了各工況下兩基坑開挖到底后近端墻和遠(yuǎn)端墻側(cè)移曲線?？梢姡瑑啥藝o(hù)墻側(cè)移分布規(guī)律類似，墻頂側(cè)移量較小，隨著土層深度的增加，墻體側(cè)移先增大后減小，最大側(cè)移均位于埋深約16 m位置處，墻體下端均發(fā)生不同程度的踢腳現(xiàn)象。由于近端墻平面外剛度大于遠(yuǎn)端墻，所以相同工況下近端墻側(cè)移小于遠(yuǎn)端墻。

圖11 各工況下圍護(hù)墻側(cè)移曲線

受車站基坑開挖的影響，相對(duì)于綜合體基坑單獨(dú)開挖的情況，近端墻和遠(yuǎn)端墻均發(fā)生向車站基坑方向的位移。工況2下，近端墻向車站基坑方向位移6.1 mm，遠(yuǎn)端墻同方向位移6.5 mm，兩側(cè)墻位移大小接近，基坑近似發(fā)生整體位移。工況3下，近端墻向車站基坑方向位移15.5 mm，遠(yuǎn)端墻同方向位移5.8 mm，可見，在同步施工工況下，綜合體基坑也發(fā)生向車站基坑方向的整體位移，但車站基坑開挖對(duì)近端墻的影響要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻，因此，同步施工工況下應(yīng)著重考慮車站基坑施工對(duì)近端墻的影響。

3.2.2 坑外地表沉降

各工況下綜合體基坑與車站基坑間夾心土的地表沉降曲線如圖12所示。由圖可見，各工況下夾心土地表沉降均呈“U”形分布，兩側(cè)沉降量較小，中部沉降量較大。受車站基坑開挖的影響，夾心土地表沉降存在明顯的疊加效應(yīng)，單基坑開挖工況1下最大地表沉降量為30.3 mm，而雙基坑開挖的工況2、工況3下，最大地表沉降量增大致71.2 mm及69.2 mm，且最大地表沉降出現(xiàn)位置由距離綜合體基坑13 m處移動(dòng)至距離11 m處。工況2與工況3下夾心土的最大地表沉降量接近，地表沉降分布情況類似，僅在最大地表沉降出現(xiàn)位置與車站基坑之間有所差別，說明基坑開挖順序?qū)ψ罱K地表沉降的分布影響不大。

3.2.3 支撐軸力

支撐軸力的監(jiān)測(cè)對(duì)地鐵基坑的開挖有著重要的工程指導(dǎo)意義，它是分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況不可缺少的參數(shù)，同時(shí)也是判斷基坑安全的重要信息[15]。如圖13所示，選取與近端墻及遠(yuǎn)端墻連接的第二道支撐，研究開挖過程中支撐軸力的變化情況及車站基坑開挖對(duì)支撐軸力的影響。為方便描述，圖中范圍E內(nèi)按支撐跨從上到下依次標(biāo)號(hào)為1跨—10跨。

圖13 支撐軸力測(cè)量點(diǎn)布置圖

工況2、工況3下支撐軸力的變化情況分別如圖14、圖15所示。其中，A表示綜合體基坑，B表示車站基坑，“A-開挖2+支撐2”表示綜合體基坑開挖第2層土并同時(shí)架設(shè)第2道支撐，其余施工過程的表示方法以此類推。如圖所示，兩個(gè)工況的各個(gè)施工過程下支撐軸力均呈現(xiàn)出“M”形分布，2至9跨支撐兩端軸力較高，隨著向中部靠近，支撐軸力逐步減小，這是由于支撐軸力逐步傳遞給格構(gòu)柱及橫向支撐所致。與地連墻連接處，由于同時(shí)有3根支撐承擔(dān)地連墻傳遞過來的土壓力，所以第1跨和第10跨支撐的軸力要明顯小于其他跨的支撐軸力。由于車站基坑開挖導(dǎo)致夾心土卸載，土壓力降低，支撐軸力呈現(xiàn)出非對(duì)稱的分布規(guī)律，靠近車站基坑一側(cè)的支撐軸力明顯小于另一側(cè)支撐軸力。綜合體基坑開挖第3層土后，由于土體大量卸載，支撐軸力陡增，實(shí)際施工中應(yīng)密切注意第二道支撐軸力的變化情況。

圖14 工況2下支撐軸力變化曲線

圖15 工況3下支撐軸力變化曲線

4 結(jié) 論

軟土地區(qū)某基坑工程面臨相鄰基坑開挖的相互影響問題，采用三維數(shù)值模擬對(duì)鄰近基坑工程開挖的相互影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 相鄰基坑開挖將引起本體基坑整體向相鄰側(cè)的附加位移，且根據(jù)兩個(gè)基坑施工順序的不同，本體基坑兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生附加位移的大小也不同。當(dāng)采用同步施工時(shí)，近端墻附加位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻，對(duì)基坑安全不利。

(2) 本體基坑與相鄰基坑之間夾心土的地表沉降存在明顯的疊加效應(yīng)，相鄰基坑的開挖將顯著增加該部分土體的沉降量，這對(duì)地表沉降的控制極為不利。基坑的開挖順序?qū)A心土地表最終沉降量的影響不大。

(3) 受格構(gòu)柱和橫向支撐的影響，支撐軸力呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特點(diǎn)。相鄰基坑的開挖將引起本體基坑土壓力的非對(duì)稱分布，從而引起支撐軸力的非對(duì)稱分布，靠近相鄰基坑一側(cè)支撐軸力較小。