劉 偉，吳新宇，彭海燕

（1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

近年來(lái)，各大城市競(jìng)相發(fā)展地鐵交通，地鐵車站深基坑作為一項(xiàng)重點(diǎn)控制性工程，由于其施工風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大等特點(diǎn)，受到各界高度關(guān)注。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深基坑的研究高度重視，并取得了豐碩成果。早在 20 世紀(jì) 30年代，Peck［1］與Terzighi［2］依據(jù)基坑土體變形與支撐軸力之間的關(guān)系，提出了總應(yīng)力法的理論，經(jīng)過(guò)之后不斷修正，該理論發(fā)展成受大家認(rèn)可的基坑變形基本理論，沿用至今。Mana［3］對(duì)相同開(kāi)挖支護(hù)形式下的基坑抗隆起系數(shù)與地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移之間的關(guān)系進(jìn)行分析，提出用于計(jì)算周邊地表最大沉降值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的穩(wěn)定安全系數(shù)法。陳永福等［4］分析了上海地區(qū)軟黏土在加載-卸荷過(guò)程中對(duì)應(yīng)的土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，提出了估算全補(bǔ)償沉降值和土體回彈量的計(jì)算公式。

為分析不同開(kāi)挖順序下，對(duì)基坑施工周邊環(huán)境的影響及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，本文依托佛山市地鐵三號(hào)線大良站深基坑工程，對(duì)深基坑在兩端向中間開(kāi)挖與中間向兩端開(kāi)挖兩種開(kāi)挖順序下的基坑變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，提出分段分層開(kāi)挖順序的優(yōu)化方案。為今后同類工程深基坑開(kāi)挖方案選擇提供參考，具有一定的價(jià)值和實(shí)際意義。

1 工程概況

佛山市地鐵三號(hào)線大良站總長(zhǎng)度為 266 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為 19.9 m，開(kāi)挖深度為 25.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂板覆蓋土層厚 3.52 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻身厚度為 0.8 m，深度為 29～33 m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)支撐采用徑向 4 道支撐，第一道“米”字撐為700 mm×900 mm 的鋼筋混凝土撐，水平間距為 9 m，第二、三、四道為φ609 雙拼鋼管支撐，水平間距為 4.5 m。基坑現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 基坑現(xiàn)場(chǎng)圖

本車站微地貌屬剝蝕殘丘與沖洪積平原交接地帶，車站西側(cè)為緩坡，南側(cè)、東側(cè)為山前沖洪積平原，地形總體西高東低；該基坑地層自上而下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖與強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。基坑土層分布如圖2 所示。由圖2 可看出，基坑大里程端，靠近“刀把口”段，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層較厚，與兩端相比，該段土質(zhì)相對(duì)較軟。

圖2 基坑土層分布

2 模型建立及相關(guān)參數(shù)選取

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

基坑模型的尺寸距離基坑四個(gè)邊界約為 2 倍的基坑開(kāi)挖深度，模型底部邊界至地面距離約為 2 倍的基坑開(kāi)挖深度。大良站基坑長(zhǎng)度為 266 m、全段最大寬度為 25 m，基坑開(kāi)挖深度為 25.3 m，故模型尺寸為 366 m× 125 m×60 m（X×Y×Z）。

在本章中對(duì)基坑幾何模型采用 MIDAS GTS NX 中的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能，以 3.5 m 為控制尺寸通過(guò)混合網(wǎng)格生成器對(duì)基坑模型土體進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。最終模型共劃分為 111 778 個(gè)單元和 53 730 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型尺寸及網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖3 所示。

圖3 模型尺寸及網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质疽鈭D（單位：m）

2.2 地層劃分及參數(shù)選擇

為更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層分布，考慮基坑縱向上不同斷面處土質(zhì)的不同，基坑模型的地層劃分在實(shí)際基坑土層分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略分布厚度較薄的土層，將參數(shù)相近的土層進(jìn)行了合并，即在基坑縱向的不同斷面處，其地層分布情況均不同。各層土的具體參數(shù)如表1 所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

2.3 邊界條件確定

根據(jù)基坑變形理論與大量工程實(shí)例可知，當(dāng)超出基坑開(kāi)挖影響區(qū)后，變形大幅減小，可忽略不計(jì)。故把模型邊界土體看作不動(dòng)邊界，使用 MIDAS GTS NX 中靜力/邊坡分析中的約束功能，對(duì)模型底部邊界設(shè)置豎直向下位移約束，對(duì)模型四周邊界設(shè)置向遠(yuǎn)離基坑方向的位移約束，不對(duì)模型上表面進(jìn)行約束，使模型上表面為自由面。

表1 土體物理參數(shù)表

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

2.4 開(kāi)挖順序設(shè)置

深基坑開(kāi)挖采用常見(jiàn)的分段分層開(kāi)挖法，本文分別對(duì)基坑兩端向中間開(kāi)挖和基坑中間向兩端開(kāi)挖這兩種開(kāi)挖順序進(jìn)行模擬計(jì)算?；涌v剖面開(kāi)挖示意圖如圖 4 所示。

圖4 基坑縱剖面開(kāi)挖示意圖

3 兩種開(kāi)挖順序下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

本文選取 4 個(gè)代表性斷面進(jìn)行分析，分別為斷面1～斷面 4，如圖5 所示。

圖5 分析斷面平面布置圖

3.1 墻體水平位移對(duì)比分析

兩種開(kāi)挖順序引起的各斷面墻體水平位移量如表3 所示。斷面 1 和斷面 3 的墻體水平位移曲線圖如圖6、圖7 所示（限于篇幅有限，本文僅選取具有代表性的斷面）。

表3 各斷面墻體水平位移量 mm

從圖6、圖7 可以看出，兩種開(kāi)挖順序下，墻體水平位移曲線形態(tài)均屬于中間大兩端小的拋物線形曲線。各斷面墻體水平位移隨著下一步關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)的完成而增大，即開(kāi)挖越深，墻體水平位移曲線的“腹部”越凸出，最大位移點(diǎn)向更深處移動(dòng)。

通過(guò)對(duì)墻體水平位移模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩種開(kāi)挖順序下，最大墻體水平位移量均呈現(xiàn)斷面 3＞斷面 4＞斷面 2＞斷面 1 的位移變形規(guī)律。4 個(gè)斷面在兩種開(kāi)挖順序下的最大墻體水平位移量相差較小，其中最大水平位移差值出現(xiàn)在斷面 3 右側(cè)，由基坑兩端向中間開(kāi)挖比由基坑中間向兩端開(kāi)挖的最大水平位移量大 2 mm；其次為斷面 4 右側(cè)的位移差為 1 mm，其余斷面位移差均小于 1 mm。斷面 3 墻體水平位移量最大的原因在于，該斷面處于基坑平面中部，受到邊角效應(yīng)影響最小，且該斷面所處地層土質(zhì)與斷面 1、2 相比較差。斷面 1 墻體水平位移量最小的原因在于，該斷面處于基坑平面端頭，受到的邊角效應(yīng)影響很大，左右兩側(cè)墻體在地連墻南端短邊的協(xié)同受力下，抗變形能力最大，且該斷面所處地質(zhì)與斷面 3、4 相比較好。

圖6 兩端向中間開(kāi)挖引起的墻體水平位移曲線圖

圖7 中間向兩端開(kāi)挖引起的墻體水平位移曲線圖

在地鐵深基坑工程中，由于基坑普遍處在周邊環(huán)境復(fù)雜的市區(qū)中，對(duì)基坑施工中引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求較高，監(jiān)測(cè)規(guī)范中對(duì)墻體水平位移量的控制值一般為 30 mm，故雖然經(jīng)模擬計(jì)算后得到兩種開(kāi)挖順序下的最大墻體水平位移差值僅為 2 mm，但在地鐵深基坑工程中也不可忽視其對(duì)基坑安全的影響。本次對(duì)兩種開(kāi)挖順序下墻體水平位移的計(jì)算結(jié)果說(shuō)明了在嚴(yán)格按照“分段開(kāi)挖、及時(shí)支撐”的原則進(jìn)行模擬計(jì)算下，由基坑兩端向中間的順序開(kāi)挖與由基坑中間向兩端的順序開(kāi)挖造成的墻體水平位移量相差較小。

3.2 周邊地表沉降對(duì)比分析

兩種開(kāi)挖順序引起的各斷面周邊地面沉降量如表4 所示。斷面 3 和斷面 2 的地表沉降曲線圖如圖8、圖9 所示（限于篇幅有限，本文僅選取具有代表性的斷面）。

表4 各斷面周邊地表沉降值mm

從圖8、圖9 可以看出，兩種開(kāi)挖順序下，周邊地表沉降曲線變化均為沉降量隨基坑開(kāi)挖加深而增大，距離基坑邊緣遠(yuǎn)近不同其地表沉降量也不同，地表沉降曲線由距基坑近處至遠(yuǎn)處總體呈現(xiàn)出開(kāi)口朝上的“勺型”或拋物線型變化，且隨著開(kāi)挖加深曲線“凹陷”越明顯。

通過(guò)對(duì)周邊地表沉降模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩種開(kāi)挖順序下，周邊地表沉降量均呈現(xiàn)斷面 3 沉降最大，斷面 2 沉降量次之，斷面 1 與斷面 4 的沉降量稍有差異但大體相近。4 個(gè)斷面在兩種開(kāi)挖順序下的沉降差均較小，最大沉降差出現(xiàn)在斷面 3 左側(cè)，由基坑中間向兩端開(kāi)挖的最大沉降量比由基坑兩端向中間開(kāi)挖的最大沉降量大 0.42 mm；其次為斷面 3 右側(cè)的最大沉降差值為 0.25 mm，其余斷面在兩種開(kāi)挖順序下產(chǎn)生的最大沉降差均小于 0.2 mm。

圖8 兩端向中間開(kāi)挖引起的周邊地表沉降曲線圖

值得一提的是，模擬計(jì)算結(jié)果各斷面的最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在距基坑邊緣 10～15 m 處，即 0.4 H～0.6 H（H 為基坑開(kāi)挖深度），但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的最大沉降點(diǎn)分布范圍在 0.2 H～0.4 H 處。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定差別，造成此差別原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)復(fù)雜、施工因素眾多，基坑模型無(wú)法完美模擬出現(xiàn)場(chǎng)各方面條件，但沉降曲線變化形態(tài)相近，該誤差屬于合理現(xiàn)象。此外，模擬計(jì)算結(jié)果中周邊地表沉降量呈現(xiàn)出在基坑兩端較小，中部較大的規(guī)律，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的周邊地表沉降規(guī)律一致。

圖9 中間向兩端開(kāi)挖引起的地表沉降曲線圖

由于城市中高層建筑物分布密集，眾多地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜地埋設(shè)于地下，在一定條件下較小的地表不均勻沉降量便能使建筑物開(kāi)裂甚至傾斜，使剛性地下管線受剪折斷而出現(xiàn)安全隱患。因此，在城市中進(jìn)行深基坑開(kāi)挖施工對(duì)地表沉降的控制要求非常嚴(yán)格，根據(jù)監(jiān)測(cè)規(guī)范中規(guī)定地表沉降控制值為 25 mm。本次對(duì)兩種開(kāi)挖順序下周邊地表沉降的模擬計(jì)算得到的 4 個(gè)斷面中最大沉降差值為 0.42 mm，說(shuō)明在嚴(yán)格按照“分段開(kāi)挖、及時(shí)支撐”的原則進(jìn)行開(kāi)挖圍護(hù)施工的模擬計(jì)算下，由基坑兩端向中間開(kāi)挖與由基坑中間向兩端開(kāi)挖造成的基坑周邊地表沉降值相差不大。

3.3 墻體彎矩對(duì)比分析

兩種開(kāi)挖順序引起的各斷面各段面墻體彎矩值如表5 所示。各斷面墻體彎矩曲線圖如圖10、圖11 所示。

表5 各斷面墻體彎矩值 mm

由圖10、圖11 可看出，兩端向中間開(kāi)挖時(shí)，4 個(gè)斷面的墻體彎矩范圍在 -400～800 kN·m 之間；中間向兩端開(kāi)挖時(shí)，4 個(gè)斷面的墻體彎矩范圍在 -400～700 kN·m 之間；彎矩曲線分布形態(tài)近似呈關(guān)于基坑中線軸對(duì)稱分布。

通過(guò)對(duì)比 4 個(gè)斷面的墻體彎矩最大值，發(fā)現(xiàn)斷面 1、斷面 2、斷面 4 在開(kāi)挖全過(guò)程中的左右兩側(cè)墻體彎矩最大值均出現(xiàn)在最后一個(gè)施工節(jié)點(diǎn)，即四道支撐架設(shè)完成并開(kāi)挖至基底，而斷面 3 在開(kāi)挖全程的墻體彎矩最大值出現(xiàn)在第二個(gè)施工節(jié)點(diǎn)，即架設(shè)第二道支撐并挖除第二層土體時(shí)；另外，對(duì)比分析 4 個(gè)斷面在最后一個(gè)施工節(jié)點(diǎn)即架設(shè)第四道支撐并開(kāi)挖至基底時(shí)的最大墻體彎矩點(diǎn)所處深度，可看出斷面 2 與斷面 4 的最大彎矩點(diǎn)在地面以下 26 m 處，而斷面 1 在開(kāi)挖至基底時(shí)的最大彎矩點(diǎn)深度為地面以下 20 m 處，斷面 3 的最大彎矩點(diǎn)出現(xiàn)在地面以下 18 m 處。

圖10 兩端向中間開(kāi)挖時(shí)墻體彎矩曲線圖

圖11 中間向兩端開(kāi)挖時(shí)墻體彎矩曲線圖

對(duì)圖10（a）與 11（a）比較可知，斷面 1 兩側(cè)除了在深度為 24 m、25 m 處的彎矩差為正值外，其余深度范圍的彎矩差均為負(fù)值，即由基坑兩端向中間開(kāi)挖的墻體彎矩均小于由基坑中間向兩端開(kāi)挖的墻體彎矩，最大彎矩差出現(xiàn)在架設(shè)第一道支撐時(shí)地面以下 20 m 深度處，斷面 1 左右兩側(cè)的最大彎矩差絕對(duì)值分別為 37.4 kN·m 與 35.6 kN·m，隨著開(kāi)挖繼續(xù)，彎矩差漸漸減小至 20 kN·m 以下。

對(duì)圖10（b）與 11（b）比較可知，斷面 2 兩側(cè)在全深度范圍內(nèi)的彎矩差除了在個(gè)別深度為負(fù)值，其余深度范圍的彎矩差均為正值，即由基坑兩端向中間開(kāi)挖的墻體彎矩均大于由基坑中間向兩端開(kāi)挖的墻體彎矩，最大彎矩差出現(xiàn)在架設(shè)第二道鋼支撐時(shí)地面以下 20 m 深度處，且斷面 2 左右兩側(cè)的最大彎矩差絕對(duì)值分別為 146.8 kN·m 與 126.2 kN·m。

對(duì)圖10（c）與 11（c）比較可知，在斷面 3 兩側(cè)全深度范圍內(nèi)的彎矩差值有正有負(fù)，左側(cè)的最大正彎矩差值為架設(shè)第一道鋼支撐時(shí)地面以下 16 m 深度處的 289.2 kN·m，最大負(fù)彎矩差值為架設(shè)第二道鋼支撐時(shí)地面以下 16 m 深度處的 -197.5 kN·m；右側(cè)的最大正彎矩差值為架設(shè)第一道鋼支撐時(shí)地面以下 16 m 深度處的321.65 kN·m，最大負(fù)彎矩差值為架設(shè)第二道鋼支撐時(shí)地面以下 16 m 深度處的 -186.42 kN·m。

對(duì)圖10（d）與 11（d）比較可知，在斷面 4 兩側(cè)全深度范圍內(nèi)的彎矩差值有正有負(fù)，左側(cè)的最大正彎矩差值為架設(shè)第一道混凝土支撐時(shí)地面以下 1 m 深度處的29.52 kN·m，最大負(fù)彎矩差值為架設(shè)第四道混凝土支撐時(shí)地面以下 20 m 深度處的 -75.64 kN·m；右側(cè)的最大正彎矩差值為架設(shè)第一道鋼支撐時(shí)地面以下 1 m 深度處的 31.32 kN·m，最大負(fù)彎矩差值為架設(shè)第二道鋼支撐時(shí)地面以下 20 m 深度處的 -60.8 kN·m。

以上對(duì) 4 個(gè)斷面的兩種對(duì)比結(jié)果說(shuō)明圍護(hù)墻體在開(kāi)挖過(guò)程中受力情況復(fù)雜，圍護(hù)墻體并非都是在開(kāi)挖至基底時(shí)出現(xiàn)最大彎矩，最大彎矩點(diǎn)也并非都是在基底處。故對(duì)墻體彎矩進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)將各施工節(jié)點(diǎn)的各段深度處彎矩極大值都納入考慮范圍，才能全面了解開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)墻體受力情況并及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行控制，防止墻體彎矩過(guò)大發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)兩種不同開(kāi)挖順序下基坑周邊地表沉降、地連墻水平位移及其受力彎矩分布計(jì)算結(jié)果的分析，可以得到以下主要結(jié)論。

1）墻體水平位移計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致；兩種開(kāi)挖順序下，基坑周邊地表沉降最大值出現(xiàn)在基坑外側(cè) 10～15 m 范圍內(nèi)，周邊地表沉降曲線最終呈現(xiàn)出由基坑邊緣向遠(yuǎn)離基坑方向沉降先增大后減小的“勺”形分布；且開(kāi)挖深度越大，基坑外土體沉降影響范圍越大，影響距離大于 50 m。

2）墻體水平位移的最大值均出現(xiàn)在基坑深度中部區(qū)域，其中最大水平位移為 26 mm，小于設(shè)計(jì)容許值，墻體水平位移整體呈現(xiàn)出兩端小中間大的拋物線形分布規(guī)律。

3）兩種開(kāi)挖順序下，墻體彎矩值相差較大，兩種開(kāi)挖順序?qū)w彎矩的影響程度有一定差別，故開(kāi)挖順序是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全的重要因素。

4）同步開(kāi)挖順序下，墻體水平位移分布相似，且位移量相差很小，即開(kāi)挖順序?qū)χ苓叚h(huán)境的影響程度基本相同，即開(kāi)挖順序并不是影響周邊環(huán)境的重要因素；從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性的角度考慮，建議采用使地連墻結(jié)構(gòu)受力彎矩較小的開(kāi)挖順序。Q