陳 娟 （中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

隨著城市化進程的不斷加快和土地集約化的要求，地下空間的開發(fā)密度不斷增加，相鄰基坑工程同步施工的情況已成為常態(tài)[1-3]。目前對此類問題的研究主要集中在相鄰基坑間距大于2倍坑深范圍以上，且基坑非同步開挖的工況。史?，揫4]結(jié)合實際工程案例，研究了采用合理的施工工序后相鄰深基坑圍護結(jié)構(gòu)的承載力和變形特性；丁智等[5]以杭州下穿湘湖某相鄰基坑工程為例，對相鄰基坑在施工過程中內(nèi)支撐軸力及深層土體水平位移等進行研究；李輝[6]對間距小于2倍坑深范圍的相鄰基坑，同步開挖的相互影響進行研究，通過有限元分析臨界安全工況，并提出推薦工序。

對于小于1倍基坑深度的小凈距相鄰基坑同步開挖工況下，基坑之間相互影響程度，圍護結(jié)構(gòu)變形特性等，目前鮮有研究。本文以杭州某市政隧道臨近地鐵基坑工程為例，采用有限元分析軟件并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對此類基坑的變形特性進行研究，并提出合理的施工工序。

2 工程概況

杭州市某市政隧道平行于地鐵車站基坑。兩個基坑凈間距8.2m～9.9m，兩者剖面關(guān)系如圖1所示。

市政隧道與地鐵基坑相鄰段長度約95m，基坑寬度28m～40m，開挖深度16.7m～18.6m。支護結(jié)構(gòu)為800mm地下連續(xù)墻+五道內(nèi)支撐，其中第一、三道分別為800*800、1000*1000鋼筋混凝土支撐，支撐間距6m，第二、四、五道為?800，壁厚16mm的鋼管支撐，支撐間距3m。

地鐵基坑寬度21.8m～23.7m，開挖深度17.5m～18.4m，支護結(jié)構(gòu)為1000mm地下連續(xù)墻+五道內(nèi)支撐，其中第一、三道分別為800*1000、1000*1000鋼筋混凝土支撐，支撐間距9m，第二道為?609，壁厚16mm的鋼管支撐，支撐間距3m。第四、五道為?800，壁厚20mm的鋼管支撐，支撐間距3m。

同時受場地條件制約，相鄰基坑中間需要作為施工及運輸通道，因此在基坑中間地面設(shè)置混凝土鋪蓋板，與兩個基坑的圍護結(jié)構(gòu)共同形成棧橋系統(tǒng)。

3 工程地質(zhì)條件

本工程場區(qū)地貌單元為沖海積平原，場地淺部20m內(nèi)為粘性土、淤泥質(zhì)土，中部為厚約13m～15m的軟可塑狀粉質(zhì)粘土，下部為性能較好的粉砂、礫砂、圓礫，底部為泥質(zhì)粉砂巖或砂礫巖。

場區(qū)內(nèi)地下水類型主要是第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類?？紫稘撍饕x存于淺部第四系淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土層內(nèi)，水位一般為0.20m～4.50m，相應(yīng)高程1.02m～5.66m，水位年變幅為1.0m～1.5m。地層分布情況及各土層的物理力學(xué)參數(shù)見下表。

土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

4 相鄰基坑間土壓力作用模式

常用的經(jīng)典朗肯土壓力或庫倫土壓力理論采用的是半無限體土體的假設(shè)，當(dāng)相鄰基坑間距較小時，破裂角，朗肯及庫倫土壓力已不適用。有限土體的破壞形式如圖2所示。深度，當(dāng)時，兩側(cè)基坑中間土體的破裂面相交，可采用楔體法計算作用在圍護結(jié)構(gòu)上有限土體土壓力，此時土壓力小于朗肯土壓力。

圖2 有限土體的破壞形式、土壓力簡圖

5 同步開挖相互影響分析

5.1 施工工況

由于兩個工程工期緊張，相鄰基坑需要同步開挖，在滿足工期的前提下需確保同步開挖期間相鄰基坑的安全，因此對施工工序進行細(xì)化，首先相鄰基坑同步開挖至第三道混凝土支撐底，澆筑完第三道混凝土支撐，此時第一道、第三道混凝土支撐與基坑圍護結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，隨后兩個基坑錯開施工，形成以下兩個分析工況。

工況一：相鄰基坑澆筑完第三道混凝土支撐，地鐵基坑停止施工，市政隧道繼續(xù)向下開挖至坑底，并澆筑完底板，隨后地鐵基坑繼續(xù)向下開挖到坑底并澆筑底板。

工況二：相鄰基坑澆筑完第三道混凝土支撐，市政隧道停止施工，地鐵基坑繼續(xù)向下開挖至坑底，并澆筑完底板，隨后市政隧道繼續(xù)向下開挖到坑底并澆筑底板。

5.2 有限元計算分析

為了準(zhǔn)確預(yù)測兩種工況下基坑同步開挖的相互影響，采用有限元軟件Mi?das GTS NX進行計算分析，計算模型由地鐵基坑、隧道基坑及周邊土體組成，模型尺寸150m*52m，周邊土體取基坑開挖深度的3倍范圍[6]。

模型土體采用基于修正Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，模型位移約束條件是表面為自由面，兩側(cè)約束水平方向位移，底部為固定約束。土體采用2D平面應(yīng)變實體單元，圍護樁采用等效厚度的梁單元，基坑支撐采用1D梁單元模擬。

通過兩種工況計算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相鄰基坑均開挖到底時，基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移均出現(xiàn)在外側(cè)，且最大位移位于坑底附近，而相鄰基坑中間圍護結(jié)構(gòu)的變形較小，最大變形約13mm～21mm，遠(yuǎn)小于基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移，驗證了相鄰基坑間有限土體的土壓力遠(yuǎn)小于外側(cè)無限土體土壓力。

提取兩個工況下相鄰基坑外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的水平變形進行分析，如圖3、圖4所示。

圖3 工況一地鐵北側(cè)、隧道南側(cè)圍護水平位移

圖4 工況二地鐵北側(cè)、隧道南側(cè)圍護水平位移

工況一：兩個基坑先同步開挖至第三道支撐時，地鐵北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形13mm，隧道基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形23mm。地鐵停止開挖，隧道基坑開挖到底后，隧道南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形40mm，在等待隧道基坑開挖到底的過程中，地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形增加2mm，且最大增量的位置位于地鐵開挖面以下，隨后地鐵基坑繼續(xù)開挖到底，地鐵北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平變形增加至31.2mm。

工況二：兩個基坑先同步開挖至第三道支撐時，地鐵北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形11mm，隧道基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形20mm。隧道停止開挖，地鐵基坑開挖到底后，地鐵北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平變形26.5mm，在等待地鐵基坑開挖到底的過程中，隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形增加2mm，且最大增量的位置位于開挖面以下，隨后隧道基坑繼續(xù)開挖到底，隧道嫩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平變形增加至35mm。

對比分析可知，兩個工況下隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形均大于地鐵基坑水平變形，主要是隧道基坑地連墻厚度小，抗變形能力較弱。

相鄰基坑同步開挖到第三道支撐位置，地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移大于隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移，當(dāng)?shù)罔F基坑先開挖到底，地鐵基坑圍護最大變形比隧道基坑先開挖到底時減少4mm，隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)最大變形減少5mm。由此可見，地鐵基坑先開挖對相鄰基坑的變形控制更有利，主要是由于地鐵基坑窄，支護結(jié)構(gòu)剛度大，抗變形能力強，因此地鐵先開挖，地鐵基坑自身圍護結(jié)構(gòu)變形小，對周圍土體及相鄰基坑的擾動小。隧道基坑開挖中，地鐵基坑也能提供足夠的剛度來平衡隧道基坑兩側(cè)的土壓力。

6 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，由于地鐵基坑面積小，且開挖速度快，在第三道混凝土支撐下，基本保證了地鐵基坑先開挖到底并澆筑底板，隨后隧道基坑開挖第三道混凝土支撐以下土方。選取了市政隧道和地鐵基坑同一個斷面上圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測點CX18、CX27、CX15、CX16進行分析，其中隧道基坑南側(cè)測點CX18和地鐵基坑北側(cè)測點CX16水平位移如圖5所示。

圖5 隧道CX18、地鐵CX16水平位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，市政隧道南側(cè)測點CX18最大水平位移45.13mm，北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測點CX27的最大累計變形20.94mm。地鐵基坑北側(cè)測點CX16最大水平位移32.33mm，南側(cè)測點最大水平位移16.57mm。

可知現(xiàn)場實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，隧道基坑圍護變形大于地鐵基坑圍護變形，且相鄰基坑中間的圍護變形均遠(yuǎn)小于外側(cè)圍護變形，進一步驗證了有限元計算的可行性。

7 結(jié)論

通過對地鐵與市政隧道小凈距相鄰基坑工程同步開挖的有限元及現(xiàn)場實測分析，得出以下結(jié)論。

①當(dāng)相鄰基坑凈距小于滑裂面確定的臨界寬度時，作用在圍護結(jié)構(gòu)上土壓力可采用有限土體土壓力計算，且小于無限土體土壓力。

②小凈距相鄰基坑同步施工，基坑內(nèi)側(cè)圍護結(jié)構(gòu)受有限土體的土壓力作用，圍護結(jié)構(gòu)變形較小，外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)受無限土體土壓力作用，變形較大。

③相鄰基坑同期實施時，盡量在工序上錯開施工，若因工期原因無法完全錯開，淺層可同步開挖，深層采用錯開工序施工。

④為確保同步施工相鄰基坑的穩(wěn)定性，建議基坑寬度小、圍護剛度較大的基坑先施工。

⑤采用多道混凝土支撐能增加基坑的整體剛度，減小相鄰基坑施工過程中的偏載效應(yīng)。