陳尚榮，曹傳祥，廖志堅(jiān)

(1.上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072； 2.蕪湖信達(dá)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著城市的不斷發(fā)展，對(duì)地下空間的利用開發(fā)也不斷增加，出現(xiàn)了大量在密集建筑群中施工的基坑工程[1-2]。在周邊環(huán)境較為復(fù)雜的情況下，不同基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(鉆孔灌注樁、型鋼水泥土攪拌墻及地下連續(xù)墻等)的支護(hù)體系對(duì)周邊環(huán)境影響不盡相同，特別是對(duì)鄰近地下構(gòu)筑物的變形影響，必需進(jìn)行探究[3-5]?；又苓叚h(huán)境特別是鄰近地下構(gòu)筑物對(duì)基坑開挖引起的附加應(yīng)力及其變形也因基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同而有所區(qū)別，并根據(jù)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型對(duì)鄰近地下構(gòu)筑物的變形影響、圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的附加應(yīng)力及其變形影響的研究則更有必要。許多學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行了諸多研究工作。Peck[6]在第七屆國(guó)際巖土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議上針對(duì)基坑開挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其發(fā)展現(xiàn)狀首次發(fā)表了較為全面、深入的研究報(bào)告。Finno[7]等人通過基坑開挖對(duì)鄰近建筑物影響的研究，提出簡(jiǎn)化計(jì)算模型。Goh[8]等人提出，將兩階段法應(yīng)用于基坑開挖對(duì)鄰近既有隧道和樁基的影響。李文江[9]等人根據(jù)長(zhǎng)春站南北廣場(chǎng)地下通道等復(fù)雜周邊環(huán)境，從隧道施工引起土體變形等基本規(guī)律出發(fā)，分析了隧道施工對(duì)鄰近構(gòu)筑物和地下管線等的影響，由鄰近既有構(gòu)建物不均勻沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，建立了隧道施工地表沉降的控制基準(zhǔn)。羅啟斌[10]等人基于數(shù)值模擬，對(duì)某地鐵隧道下穿既有人行地下通道進(jìn)行了分析，探討了大跨隧道分步開挖施工方法對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響。陳敬軍[11-13]等人以某地下通道施工對(duì)鄰近地鐵隧道變形影響的研究為背景，利用三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)該工程施工全過程進(jìn)行了分析，并對(duì)該地鐵隧道進(jìn)行了安全評(píng)估。但目前對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近地下通道變形影響的研究集中在鄰近隧道上，針對(duì)不同支護(hù)形式下基坑開挖對(duì)矩形地下通道變形影響的研究尚不足。因此，作者基于上海市某深基坑鄰近中環(huán)線地下通道的工程實(shí)例，擬利用有限元軟件ABAQUS，建立基坑和鄰近矩形地下通道的整體模型，考慮矩形地下通道結(jié)構(gòu)變形與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相互耦合作用、土體小應(yīng)變剛度特性，分析不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)鄰近矩形地下通道變形影響。同時(shí)，考慮不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝可能造成的環(huán)境影響，特別是周邊地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的變形影響，以期為實(shí)際工程中考慮基坑周邊復(fù)雜環(huán)境下的基坑選型提供參考依據(jù)。

1 基坑選型

1.1 工程簡(jiǎn)述

本工程擬建場(chǎng)地及其周邊環(huán)境如圖1所示。場(chǎng)地地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的濱海平原相地貌類型。本工程勘察所完成技術(shù)孔的最大深度為60.00 m，對(duì)此深度范圍內(nèi)揭遇的地基土，按其結(jié)構(gòu)特征、地層成因及土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異，可劃分為7 層。其中：第②層和第⑤層地基土層又根據(jù)其工程性質(zhì)不同，分成不同的亞層。地基土由粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土及粉砂等組成。場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件和基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 周邊環(huán)境總圖Fig.1 Surrounding environment

1.2 方案一

方案一(鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕+水平內(nèi)支撐)：根據(jù)挖深，采用一定樁徑的鉆孔灌注樁作為圍護(hù)樁，外圍設(shè)置一排水泥土攪拌樁止水帷幕(如圖2所示)，灌注樁樁頂設(shè)置壓頂梁，坑內(nèi)設(shè)置兩道水平混凝土支撐，被動(dòng)區(qū)采用雙軸水泥土攪拌樁暗墩加固。鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕作為一種成熟的工法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大，樁長(zhǎng)、樁徑的選擇和布置形式等較為靈活。且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，樁身的強(qiáng)度不斷增加。

選取其典型剖面分別進(jìn)行ABAQUS數(shù)值模擬分析，其基坑開挖二維平面模型如圖3所示?；娱_挖工況分為5個(gè)步驟：① 土體初始應(yīng)力場(chǎng)平衡；施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)。② 第1級(jí)基坑開挖，開挖表層土1 m，加設(shè)第一道水平支撐。③ 第2級(jí)基坑開挖，開挖第二層土體4.2 m，加設(shè)第二道水平支撐。④ 第3級(jí)基坑開挖，開挖第三層土體3.4 m，加設(shè)底板。⑤ 第4級(jí)基坑開挖，開挖下沉土體3 m，加設(shè)底板。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical properties of the soil layer

圖2 鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕平面示意Fig.2 Sketch map of a bored pile combined with curtain for cutting off water

地下通道距基坑開挖面最近處18 m，地下通道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為1 m。鉆孔灌注樁長(zhǎng)22 m，直徑為1 m。止水帷幕為水泥土攪拌樁，長(zhǎng)為30 m，直徑為0.85 m。多孔介質(zhì)彈性模型的參數(shù)：拉伸極限為0；體積模量的對(duì)數(shù)為0.01；泊松比為0.35；塑性體積模量對(duì)數(shù)為0.14；應(yīng)力比為1.4。

修正劍橋模型的參數(shù)：截距為2～3；Wet屈服表面尺寸為1；流動(dòng)應(yīng)力比為1。鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁采用面-面接觸，摩擦系數(shù)為0.3。

在模型中，假定土層為均質(zhì)土，分析中不考慮與地下水的耦合作用。本研究為上海地區(qū)典型軟土背景下的基坑開挖對(duì)鄰近地下通道的影響，參考上海市華東建筑設(shè)計(jì)研究院的取值，土體參數(shù)選用上海地區(qū)第三層土的參數(shù)。分別對(duì)模型的土體、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地下通道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為CPE4R(4結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元)，設(shè)置合適的網(wǎng)格密度。

圖3 方案一(單位：m)Fig.3 Plan one(unit：m)

1.3 方案二

方案二(SMW工法樁+水平內(nèi)支撐)：采用單排φ850@600三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700×300型鋼(“插一跳一”與“插二跳一”相結(jié)合)圍護(hù)樁型式，如圖4所示。水泥土攪拌樁主要起到止水作用，內(nèi)插H型鋼起到擋土作用。

圖4 SMW工法示意Fig.4 SMW engineering methods

其基坑開挖二維平面模型如圖5所示。SMW工法樁的樁徑為0.85 m，長(zhǎng)度為30 m。SMW工法樁與土體之間采用面-面接觸，摩擦系數(shù)0.3。

圖5 方案二(單位：m)Fig.5 Plan two(unit：m)

2 結(jié)果分析

依據(jù)實(shí)際工程案例，選取其典型剖面進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。土體選用修正劍橋模型，需與多孔介質(zhì)彈性模型聯(lián)合使用。上海地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)采用C30混凝土，其彈性模量為3×107kPa，則基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的線彈性模型的彈性模量為2.4×107kPa，泊松比為0.2，密度為2 550 kg/m3。地下通道外墻采用線彈性模型。考慮鋼筋對(duì)其抗拉強(qiáng)度的加強(qiáng)及忽略地下通道上覆土對(duì)其影響，故彈性模量為2.0×108kPa，泊松比為0.2，密度為2 550 kg/m3。

2.1 對(duì)基坑周圍土體水平位移的分析

根據(jù)這2種方案，對(duì)基坑分步開挖過程中周圍土體的水平位移進(jìn)行研究，第1～4級(jí)基坑開挖不同位置(距基坑4，8，12和16 m)土體的水平位移分別如圖6～9所示。從圖6～9中可以看出，隨著開挖深度的增加，土體的水平位移增加。在每一級(jí)基坑開挖中，隨著距離基坑距離的增加，土體的水平位移減小，并且土體隨深度方向變化的趨勢(shì)減弱。通過與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的對(duì)比可知，與基坑的距離越近，土體的變形與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線規(guī)律更為接近。

圖6 第1級(jí)基坑開挖不同位置土體的水平位移Fig.6 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 1st excavation

圖7 第2級(jí)基坑開挖不同位置土體的水平位移Fig.7 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 2nd excavation

圖8 第3級(jí)基坑開挖不同位置土體水平的位移Fig.8 The horizontal displacement of the soil at different positions of the 3rd excavation

圖9 第4級(jí)基坑開挖不同位置土體水平位移的對(duì)比Fig.9 Comparison of horizontal displacement of the soil at different positions of the 4th excavation

2.2 對(duì)基坑周圍土體沉降的分析

根據(jù)這2種基坑圍護(hù)方案，對(duì)基坑分步開挖過程中周圍土體的沉降進(jìn)行了研究，第1～4級(jí)基坑開挖不同位置(距地表4，8，12和16 m)土體的沉降分別如圖10～13所示。從圖10～13中可以看出，隨著開挖深度的增加，2種方案土體沉降的規(guī)律趨于一致。其中：方案一土體的沉降小于方案二土體的沉降，并且隨著開挖深度的增加，土體的沉降增加。表明：方案一的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑周圍土體沉降的影響小些。

圖10 第1級(jí)基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.10 The settlement of the soil at different positions of the 1st excavation

圖11 第2級(jí)基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.11 The settlement of the soil at different positions of the 2nd excavation

圖12 第3級(jí)基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.12 The settlement of the soil at different positions of the 3rd excavation

圖13 第4級(jí)基坑開挖不同位置土體的沉降Fig.13 The settlement of the soil at different positions of the 4th excavation

2.3 地下通道變形對(duì)比分析

考慮2種不同基坑圍護(hù)方案在不同工況下對(duì)地下通道變形的影響，每一級(jí)開挖過程中左側(cè)地道的水平位移和地道底部的沉降分別如圖14，15所示。

從圖14中可以看出，2種方案的左側(cè)地道水平位移的變化規(guī)律一致，其中：方案一的水平位移偏小。第1級(jí)基坑開挖中，方案一的水平位移可以忽略，方案二的水平位移為0.6 mm，地道底部的水平位移略大。第2級(jí)基坑開挖中，方案一的最大水平位移為0.7 mm，方案二的最大水平位移為2.1 mm，它們均位于地道頂部位置，且呈線性變化規(guī)律。第3級(jí)基坑開挖中，方案一的最大水平位移為1.86 mm，方案二的最大水平位移為1.88 mm，它們均位于地道頂部位置。第4級(jí)基坑開挖中，方案一的最大水平位移為3.7 mm，方案二的最大水平位移為4.8 mm，它們均位于地道頂部位置。

圖14 分步開挖下左側(cè)地道的水平位移Fig.14 The horizontal displacement of the left tunnel under different steps of the excavation

圖15 分步開挖下地道底部的沉降Fig.15 The settlement of the bottom tunnel under different steps of the excavation

從圖15中可以看出，隨著開挖深度的增加，2種方案的變化規(guī)律趨于一致，其中：方案一的沉降偏小。

3 結(jié)論

依據(jù)2種不同基坑支護(hù)方案選型，選取其典型剖面分別進(jìn)行ABAQUS二維數(shù)值模擬。2種方案選型均取基坑半剖面為研究對(duì)象，基坑分為4級(jí)開挖，其中：最后一級(jí)開挖為下沉區(qū)域。將不同支護(hù)形式下的基坑對(duì)鄰近矩形地下通道變形影響進(jìn)行了研究。從基坑周圍土體水平位移規(guī)律、基坑周圍土體沉降規(guī)律及矩形地下通道變形3方面，分析了不同支護(hù)形式對(duì)周邊環(huán)境的影響。得到的結(jié)論為：

1)隨著開挖深度的增加，土體水平位移隨之增加。在每一級(jí)基坑開挖中，隨著距離基坑的距離增加，土體的水平位移減小，并且土體隨深度方向變化的趨勢(shì)減弱。通過與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的對(duì)比可知，到基坑的距離越近，土體的變形與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線的規(guī)律越接近。

2)隨著開挖深度的增加，2種方案的土體沉降規(guī)律趨于一致。其中：方案一土體的沉降小于方案二土體的沉降。并且，隨著開挖深度的增加，土體的沉降增加。表明：方案一的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑周圍土體沉降的影響較小。

3)隨著開挖深度的增加，2種方案的沉降變化規(guī)律趨于一致。其中：方案一的沉降偏小。方案一地道底部的沉降隨著開挖深度的增加而增加，其變形曲線的凹形趨勢(shì)逐漸減小。表明：方案一對(duì)鄰近矩形地下通道變形的影響小些。結(jié)合型鋼水泥土攪拌墻的變形控制需滿足內(nèi)插型鋼拔出回收等要求。因此，方案一更適合于該工程。