秦勝伍 苗 強(qiáng) 張領(lǐng)帥② 張延慶 程秋實(shí)

(①吉林大學(xué)，長春 130026，中國)(②深圳宏業(yè)基巖土科技股份有限公司，深圳 518055，中國)

0 引 言

隨著城市的快速發(fā)展，人口越來越密集，不可避免地促使城市向地下發(fā)展。而城市空間有限，周邊條件復(fù)雜，對(duì)基坑周邊變形要求更高，給基坑支護(hù)造成更大困難。因此，需要合理使用支護(hù)結(jié)構(gòu)以保證基坑安全?，F(xiàn)階段大型深基坑多采用支護(hù)樁和地下連續(xù)墻，并配合錨桿、內(nèi)支撐共同支護(hù)形式(Shi et al.，2015；薛彥琪等，2016；張永強(qiáng)等，2018)，而錨桿對(duì)基坑周圍土體擾動(dòng)大，內(nèi)支撐更能適應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境要求高的情況。

現(xiàn)階段已有許多學(xué)者對(duì)內(nèi)支撐支護(hù)形式下基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響做出大量研究。不采用內(nèi)支撐可以省去許多中間支撐結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量時(shí)間和成本，使項(xiàng)目能夠提前完成，但是會(huì)降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力(Abela et al.，2013)?；觾?nèi)支撐多采用鋼支撐和混凝土支撐，鋼支撐能施加預(yù)應(yīng)力從而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并且拆除方便，可以循環(huán)利用。Guo et al.(2019)通過有限元和彈性地基梁法分析了非對(duì)稱附加應(yīng)力作用下鋼支撐支護(hù)的深基坑變形規(guī)律，研究表明，隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻的最大水平位移非線性增加，由于非對(duì)稱附加應(yīng)力作用，最大水平位移的位置略小于最終開挖深度。Cui et al.(2018)研究鉆孔樁和傾斜鋼支撐支護(hù)形式下基坑的變形規(guī)律，通過分析地面沉降、鉆孔樁隨開挖深度的變化曲線，并與常規(guī)支護(hù)進(jìn)行對(duì)比，最終得到傾斜鋼支撐支護(hù)變形規(guī)律的適用性?；炷林渭饶苁芾材苁軌海梢园凑杖我夥较蚴┕?，并且能永久使用，得到廣泛利用(Zeng et al.，2018)。

現(xiàn)階段支撐拆除對(duì)基坑變形以及周圍環(huán)境的影響規(guī)律研究甚少，僅有個(gè)別學(xué)者總結(jié)其變形規(guī)律。劉波等(2014)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析支撐拆除過程中的變形規(guī)律，表明周圍地表沉降隨著支撐的拆除表現(xiàn)為明顯的時(shí)間性和空間性。鐘可等(2019)通過數(shù)值分析得到基坑支撐的最佳拆除時(shí)間。人們普遍認(rèn)為基坑變形主要發(fā)生在基坑開挖階段，而忽略了支撐拆除對(duì)基坑變形的影響，支撐拆除時(shí)的變形規(guī)律研究不夠深入，需要進(jìn)一步深入研究。

本文主要以深圳市萬科濱海置地基坑工程為依托，對(duì)中國東南沿海地區(qū)地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐深基坑支護(hù)形式進(jìn)行三維有限元分析，旨在研究內(nèi)支撐支護(hù)形式下基坑開挖和支撐拆除分別對(duì)周邊環(huán)境的影響，并對(duì)其變形規(guī)律和影響因素進(jìn)行探討，以對(duì)同類工程提供借鑒。

1 工程概況

深圳市萬科濱海置地基坑工程位于深圳市福田區(qū)車公廟工業(yè)區(qū)，北鄰泰然八路，南鄰濱河大道，西側(cè)為泰然九路，東側(cè)為大漢王項(xiàng)目施工工地。另外，北側(cè)有一棟7層建筑，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，受基坑開挖影響大?；用娣e約5775im2，周長約300im，開挖深度為19.3im，擬修建4層地下室，具體位置信息見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

該基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式，地下連續(xù)墻寬1000imm，支撐為1000imm×1000imm鋼筋混凝土。立柱上側(cè)采用Φ600imm鋼管立柱，坑底下側(cè)為Φ1000imm鉆孔樁。由于受施工空間限制，在第1層支撐周邊設(shè)置混凝土棧橋板，以便車輛經(jīng)過。具體的支護(hù)剖面圖如圖2所示?；庸卜譃?次開挖，開挖厚度分別為1im，8.3im，13.4im，19.3im，待每層土開挖完成后修建內(nèi)支撐，底層地下室修建完成后開始拆除支撐，詳細(xì)的施工工序信息如表1。

圖2 典型基坑剖面圖

表1 施工工序信息表

為了分析基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)過程對(duì)周圍環(huán)境的影響規(guī)律，在基坑內(nèi)以及周邊布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時(shí)間是從基坑開挖之前到支撐拆除之后基坑回填。在基坑開始施工前，北側(cè)高層建筑邊角處設(shè)置建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)分別為JZ01-JZ04；基坑周邊地面沉降監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)為LM01-LM17。在冠梁頂部設(shè)置坑頂沉降與位移監(jiān)測點(diǎn)，分別為WS01-WS15。具體的監(jiān)測點(diǎn)位置分布情況如圖1所示。

2 有限元模型介紹

為了更好地研究基坑開挖和支撐拆除對(duì)周圍環(huán)境的影響，本文將采用有限元分析方法進(jìn)行研究，著重分析建筑物、地面等變化情況。

數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度關(guān)鍵在于本構(gòu)模型的選擇。硬化土(HS)模型是把土體變形認(rèn)為是一種彈塑性變形的模型，能有效反應(yīng)大部分土的性質(zhì)，是一種高級(jí)土體硬化模型，獲得的土體變形結(jié)果與工程實(shí)際最為符合(李連祥等，2016；葉帥華等，2020)，因此，本文采用硬化土模型?；◢弾r在我國東南地區(qū)分布十分廣泛，對(duì)工程施工產(chǎn)生很大影響。張運(yùn)標(biāo)等(2020)總結(jié)了深圳市花崗巖風(fēng)化帶的劃分依據(jù)，闡述其崩解特征。龐小朝等(2018)通過試驗(yàn)研究深圳花崗巖殘積土,確定參考割線模量為參考切線模量的2.1倍，卸載再加載參考割線模量為參考割級(jí)模量的3.6倍。本次模擬為了使模型網(wǎng)格合理劃分，對(duì)部分土層進(jìn)行簡化。最終確定的模型土層參數(shù)如表2。

表2 模型土層參數(shù)取值

本文選用Plaxis3D有限元軟件進(jìn)行模擬分析，考慮邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，選取模型寬度為開挖深度的3倍。根據(jù)基坑大小和開挖深度，最終確定的模型大小為200im×170im×40im。地下連續(xù)墻采用板單元模擬，采用界面單元模擬土體與地下連續(xù)墻之間的相互作用，內(nèi)支撐和鋼管立柱采用梁單元模擬，下部鉆孔樁和建筑物基礎(chǔ)則選用Embedded樁，建筑物上部荷載等效為每層15ikPa的均布荷載，最終創(chuàng)建的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。模型選取網(wǎng)格疏密程度為“中細(xì)”，共創(chuàng)建78i506個(gè)網(wǎng)格單元，114i314個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型地下水位設(shè)置在地面下3im處。不同的開挖方法會(huì)造成不同的結(jié)果(耿招等，2018；黃維新等，2019)，本文將按照實(shí)際的施工過程(表1)設(shè)置模型工序，同時(shí)考慮坑內(nèi)降水的影響，在土體開挖前將坑內(nèi)水位降到開挖底面以下。

圖3 模型結(jié)構(gòu)圖

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果分析

本文主要研究建筑與地面沉降情況，因此全部選取北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測時(shí)間是從基坑開挖之前到基坑回填結(jié)束。

3.1 基坑頂部水平位移分析

3.1.1 基坑頂部水平位移模擬結(jié)果分析

圖4為第4層土開挖和底層支撐拆除階段地下連續(xù)墻的水平位移云圖。從圖中可以看出，無論是基坑開挖還是支撐拆除，變形都受空間效應(yīng)影響，中間變形大，兩邊變形小，最大水平位移的位置支撐拆除要比基坑開挖靠近頂部。第4層土開挖階段最大水平位移量約為18.9imm，整個(gè)開挖階段約為35imm，占開挖階段變形量的54%，由此可見，基坑變形主要發(fā)生在底層土開挖。底層支撐拆除階段的變形量約為17imm，相較與基坑開挖階段，其變形量不可忽略。總體上支撐拆除變形約占總變形量的50%，體現(xiàn)了支撐拆除階段的重要性。

圖4 地下連續(xù)墻水平位移云圖

選取基坑頂部水平位移監(jiān)測點(diǎn)WS03監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，模擬結(jié)果的最大值為11.5imm，監(jiān)測結(jié)果的最大值為10.5imm，模型結(jié)果約高于實(shí)際值9.52%，與模擬結(jié)果有一定偏差，主要原因是土體快速開挖停止后，土方車停運(yùn)造成基坑水平位移回彈，模型中并未考慮這些因素，模擬結(jié)果有一定偏差。但是，結(jié)果能明確表明最后一層土開挖變形最大，約為4.05imm，占模擬結(jié)果的35.22%。而監(jiān)測顯示最后一層土開挖變形量約為3.65imm，占基坑開挖變形量的34.76%。

圖5 基坑頂部水平位移監(jiān)測值與模擬值對(duì)比圖

3.1.2 基坑頂部水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

由基坑北側(cè)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的基坑頂部水平位移隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出，隨著基坑的開挖，基坑頂部水平位移快速增加，底板施工后逐漸趨于穩(wěn)定；之后拆除支撐繼續(xù)增大，隨著地下室施工最終逐漸穩(wěn)定?？梢园l(fā)現(xiàn)，基坑頂部水平位移快速增加是在基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)階段，兩階段總的變形量達(dá)到總變形量的85%以上。從圖7可以看出兩個(gè)階段產(chǎn)生的基坑頂部水平位移值和各階段占總變形的百分比。對(duì)比不同監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，兩階段基坑頂部水平位移量所占總變形百分比呈交叉狀，圍繞某一特定值上下波動(dòng)，兩階段變形量相差不大，基本持平，說明支撐拆除對(duì)基坑變形和基坑開挖同等重要。因此更應(yīng)注重支撐拆除對(duì)基坑變形的影響，提前設(shè)計(jì)好支撐拆除方式，精準(zhǔn)把握支撐拆除時(shí)間。

圖6 基坑頂部水平位移隨時(shí)間變化曲線

圖7 不同階段基坑頂部水平位移柱狀圖

為了更好地研究這兩個(gè)階段的變形規(guī)律，沿基坑方向繪制不同監(jiān)測點(diǎn)、不同施工工序下的基坑頂部水平位移圖(圖8)。基坑開挖階段的變形受時(shí)空效應(yīng)影響，在基坑拐角處變形較小(Lee et al.，1998；Tan et al.，2013；Shi et al.，2019)。從圖中可以看出，支撐拆除階段與基坑開挖規(guī)律具有相似性，兩階段都呈“拋物線”形式，“中間大、兩邊小”，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，這與模擬結(jié)果相符合。通過觀察相鄰工序之間的距離，發(fā)現(xiàn)基坑開挖造成水平位移發(fā)展迅速主要是在第4層土開挖期間，而支撐拆除階段基坑頂部水平位移主要發(fā)生在底層支撐拆除期間，變化速率約為0.13imm·d-1，后兩層支撐拆除位移有所增大，但變化不大。

圖8 不同工序下的基坑頂部水平位移

3.2 地面沉降分析

3.2.1 地面沉降模擬結(jié)果分析

圖9為第4層土開挖和底層支撐拆除階段地面沉降量云圖，從圖中可以看出，支撐拆除與基坑開挖變形規(guī)律一致，受空間效應(yīng)影響，邊角處沉降量小。第4層土開挖產(chǎn)生的最大沉降量約為12.06imm，而基坑開挖約為19.97im，占基坑開挖變形量的30.39%，由此可見底層土開挖會(huì)造成地面發(fā)生大的沉降。對(duì)比底層土開挖和底層支撐拆除，可以發(fā)現(xiàn)底層支撐拆除產(chǎn)生的最大變形量約為10.96imm，接近底層土開挖產(chǎn)生的變形，占支撐拆除階段的84.31%?；娱_挖和支撐拆除兩階段總變形量約為32.97imm，占最終變形量的93.4%。

圖9 地面沉降量云圖

圖10為基坑開挖階段地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)(LM04)與模擬數(shù)據(jù)比較圖，從圖中可以明顯看出，隨著基坑的開挖，地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)變化趨勢一致，隨著基坑的開挖地面沉降量逐漸增大，模擬結(jié)果略高于實(shí)際監(jiān)測結(jié)果。模擬結(jié)果的最終沉降量約為13.15imm，而監(jiān)測結(jié)果為12imm，高于實(shí)際結(jié)果約9.58%。底層土開挖產(chǎn)生變形量約為7.06imm，占模擬結(jié)果的53.69%，實(shí)際結(jié)果約為7.63imm，占實(shí)際結(jié)果的63.58%。

圖10 地面沉降監(jiān)測值與模擬值對(duì)比圖

3.2.2 地面沉降監(jiān)測結(jié)果分析

圖11為整個(gè)基坑工程施工過程中路面沉降量隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，地面沉降主要分為兩部分。首先，隨著基坑開挖，地面沉降量逐漸增大，在底板施工后逐漸趨于穩(wěn)定；之后由于支撐拆除繼續(xù)增大，最終隨著地下室施工趨于穩(wěn)定?？梢园l(fā)現(xiàn)地面沉降快速增加主要是在基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)階段。根據(jù)路面監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖與支撐拆除兩階段產(chǎn)生的地面沉降量達(dá)到總變形量的90%以上。

圖11 地面沉降量隨時(shí)間變化曲線

遠(yuǎn)離基坑方向，基坑開挖引起地面沉降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(奚家米等，2019)，該規(guī)律已經(jīng)被廣大學(xué)者驗(yàn)證。而周圍環(huán)境受基坑施工三維時(shí)空效應(yīng)影響明顯，管線變形與軸力最大變形部位與地形變形區(qū)域一致(施有志，2018)，因此，分析基坑施工對(duì)周圍環(huán)境的影響需著重考慮空間效應(yīng)。該工程沿基坑壁方向布置路面監(jiān)測點(diǎn)，即監(jiān)測點(diǎn)軸線與基坑邊線平行。得到的北側(cè)不用監(jiān)測點(diǎn)、不同工序下的地面沉降剖面圖如圖12，從圖中可以看出，支撐拆除階段與基坑開挖階段地面沉降量的變形規(guī)律十分相似，滿足空間效應(yīng)影響，主要區(qū)別是LM06監(jiān)測點(diǎn)變形大，其原因是該點(diǎn)在臨近基坑主要影響區(qū)域內(nèi)，受其開挖影響大，本基坑空間效應(yīng)對(duì)其作用不明顯。觀察曲線之間的距離，可以發(fā)現(xiàn)地面沉降量急劇增加階段主要是工序5和工序7。如北側(cè)路面LM02號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，底層土開挖變形量約為6.19imm，占基坑開挖變形量的49.39%；底層支撐拆除變形量約為7.10imm，占支撐拆除階段變形量的74.7%，底層支撐拆除所占比例更大。

圖12 不同工序下地面沉降量

3.3 建筑沉降分析

3.3.1 建筑沉降模擬結(jié)果分析

選取建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)(JZ04)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如圖13所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析，可以看出建筑物沉降趨勢比較一致，沉降量隨著基坑的開挖逐漸增大?？梢园l(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際有一定誤差，主要原因是底層土開挖暴露時(shí)間長，受底板澆筑、土方擾動(dòng)大，并在開挖前發(fā)生回彈，這些因素在模擬過程中并未考慮。但是，模擬結(jié)果底層土開挖變形量約為3.56imm，占開挖階段變形量的52.98%，而實(shí)際監(jiān)測值約為5.73imm，占75.39%，結(jié)果雖有偏差，但仍能發(fā)現(xiàn)底層土開挖會(huì)發(fā)生更大的建筑沉降。

圖13 建筑物沉降監(jiān)測值與模擬值對(duì)比圖

3.3.2 建筑沉降監(jiān)測結(jié)果分析

圖14為基坑北側(cè)建筑隨時(shí)間變化的沉降曲線，從圖中可以看出，JZ01-JZ03監(jiān)測點(diǎn)沉降規(guī)律具有相似性，隨著基坑的開挖，建筑物的沉降整體呈現(xiàn)增大趨勢。另外，可以看出JZ04監(jiān)測點(diǎn)顯示變形規(guī)律是在工序5之后先抬升后沉降，最終沉降量值最小，與其他監(jiān)測點(diǎn)沉降規(guī)律明顯不同。這是由于該點(diǎn)附近有一回灌井，受地下水回灌，地面抬升，造成建筑物沉降量減小，該監(jiān)測點(diǎn)支撐拆除階段將不作分析。

圖14 周圍建筑隨時(shí)間變化沉降曲線

建筑沉降主要發(fā)生在基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)階段，表3列出了各個(gè)階段產(chǎn)生的沉降值。可以發(fā)現(xiàn)支撐拆除階段大于基坑開挖階段，兩階段總的建筑物沉降量占最終變形量的90.28%以上，因此，應(yīng)該注重支撐拆除所產(chǎn)生的變形。底層土開挖和底層支撐拆除是各個(gè)階段沉降發(fā)展最快的兩個(gè)工序，兩工序最大沉降量分別為3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)和1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，其值分別為5.52imm、4.89imm，占各個(gè)階段的74.49%、57.67%。具有沉降量大、發(fā)展迅速等特點(diǎn)。

表3 建筑物各階段變形信息表

4 基坑變形原因探討

從模擬和監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析可以明顯看出本基坑變形以及對(duì)周邊影響主要是在基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)階段，兩階段占總變形量的85%以上；而基坑開挖主要變形是在第4層土開挖期間，支撐拆除是在底層支撐拆除期間，下面探討其原因。

從地層地質(zhì)方面分析，該基坑含有花崗巖風(fēng)化殘積層，人工基坑降水降低巖土層的黏聚力和摩擦角，使土體發(fā)生固結(jié)沉降，影響土體穩(wěn)定性。不同的軟弱地層厚度會(huì)造成不同的沉降深度，基坑內(nèi)南、北方向工程地質(zhì)剖面圖如圖15所示，基坑北側(cè)花崗巖風(fēng)化帶厚度大，約是基坑南側(cè)的9倍。LM02監(jiān)測點(diǎn)處花崗巖風(fēng)化帶厚度最大，在基坑開挖和支撐拆除階段將發(fā)生更快、更大的變形，因此，查明施工場地的地質(zhì)條件是工程安全施工的根本之一。

圖15 工程地質(zhì)剖面圖

從基坑支護(hù)方式上分析，該基坑全部采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐(角撐)支護(hù)形式，形成完美的空間結(jié)構(gòu)，最終的變形能滿足要求。隨著基坑深度的增大，由于調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐系統(tǒng)的相對(duì)剛度迅速增長，使得最大相對(duì)側(cè)移值并沒有增大(李琳等，2007)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)一定的情況下，支撐系統(tǒng)的相對(duì)剛度不變，隨著基坑開挖深度的增加，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力不斷累加、重新分布，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。支撐拆除階段由于在底層支撐拆除后僅在地下室底板位置設(shè)有換撐塊，導(dǎo)致樁身懸臂段過長，變形特別大。

從空間布置方面分析，在豎直方向上，三道內(nèi)支撐并不等距，底層支撐到基坑坑底的距離較大，造成坑底位置處被動(dòng)反力不強(qiáng)，另外，坑底施工周期長，土方擾動(dòng)大，從而造成第4層土開挖階段變形較大。支撐豎向間距不同，其作用的距離也不同，支撐拆除時(shí)雖設(shè)有換撐塊，但支撐豎向間距仍然較大，拆除支撐使作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生較大的突變，促使地下連續(xù)墻產(chǎn)生更迅速的變形。

5 結(jié) 論

本文以深圳市萬科濱海置地基坑工程為例，基于基坑開挖和支撐拆除兩個(gè)階段，研究其對(duì)周圍環(huán)境的影響，并得到以下結(jié)論：

(1)整個(gè)基坑工程的變形規(guī)律為：基坑頂部水平位移、地面沉降以及建筑物沉降隨著基坑的開挖逐漸增大，隨著底板的修建趨于穩(wěn)定；之后因支撐拆除繼續(xù)增大，最終因地下室施工趨于穩(wěn)定。

(2)支撐拆除與基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響規(guī)律一致，支撐拆除變形同樣受時(shí)空效應(yīng)影響，基坑頂部水平位移和地面沉降都符合“中間大、兩邊小”。

(3)基坑支護(hù)工程主要變形是在基坑開挖和支撐拆除兩階段，兩階段中的最大變形分別是底層土開挖和底層支撐拆除。發(fā)生該變形規(guī)律的主要原因是花崗巖風(fēng)化帶厚度差距大、三道支撐不等距，底層土開挖厚度大、以及支撐拆除僅在地下室底板設(shè)置換撐塊。

(4)支撐拆除與基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響結(jié)果十分接近，基坑頂部水平位移、地面沉降和建筑沉降兩階段變形量之和占總變形量的85%以上，工程上應(yīng)注重支撐拆除對(duì)基坑的影響。