基坑開挖方式對基坑變形特性的影響分析

趙天龍，韓高孝，羅文浩

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

近年來規劃建設越來越重視地上空間開發建設以及地下空間開發利用，復雜的大型地下綜合交通樞紐工程逐漸興起建設?；庸こ套鳛榈叵驴臻g開發的重要一環，其重要性不言而喻，基坑工程具有很強的區域性和個性，不僅與工程現場的水文地質條件有關，還與周圍環境條件有關，同時基坑工程還具有較強的時空效應[1]。

因此，對于這一類大規模的基坑[2-3]，眾多專家學者進行了相關的研究。付立彬等[4]分析了兩種不同的開挖方式進行三維有限元分析，并結合實測發現階梯式開挖更接近實際施工情況。孫九春等[5]基于時空效應，提出小尺度盆式挖土法，研究表明小尺度盆式挖土法能夠有效的控制基坑變形。李雄威等[6]對某基坑采用不同的開挖方案進行計算分析并結合有限元，發現小角度的放坡開挖比大角度開挖更具有優勢。孟偉波等[7]數值模擬了逆作法和順作法兩種基坑施工過程，結合實測數據，探討了基坑連續墻的變形規律。姚德臣[8]基于數值模擬分析了基坑不同的開挖方式對圍護結構變形的影響規律。Benin等[9]分析和評價某基坑工程土方開挖和下部結構不同階段施工時，基坑支護和承重結構的變形以及周圍建筑物的屈服情況，并通過有限元建模分析驗證了其正確性。還有眾多學者研究了在不同的開挖工況下，基坑開挖對既有鄰近土石結構物變形的影響規律[10-14]。

從既有研究可以看出，基坑開挖過程中開挖方式對基坑變形有著顯著影響，但既有研究背景與現實工程存在差異，因此本文在既有研究的基礎上，結合實際工程，通過Plaxis 3D軟件分別對整體式開挖和分區階梯式開挖兩種開挖方式下的施工過程進行數值模擬，對兩種開挖方式下的基坑變形結果進行對比分析，得出不同施工方案下的基坑變形規律，以便指導實際施工。

本研究對象為雄安新區某基坑，基坑為“坑中坑”的形式，基坑總開挖深度為26.2 m，外坑為市政基坑，內坑是鐵路線路基坑。外坑東西長度為540 m，南北寬度為76 m，外坑基坑深度為12 m，采用二級放坡+一級平臺支護方式，放坡坡度為1∶1.5，中間平臺寬度4 m，坡面鋪設100 mm厚的C20噴射混凝土面層。內坑東西長度為480 m，南北寬度為16.8 m，內坑基坑深度為14.2 m，采用圍護樁+4道支撐(1混凝土3鋼)+止水帷幕的支護形式，圍護樁采取1000@1300 ，長度約28.5 m，嵌固深度14 m。冠梁尺寸1 200 mm×1 000 mm?；炷林纬叽?00 mm×1 000 mm，支撐水平間距6 m；
鋼支撐采用Φ800 mm，t=16 mm，支撐水平間距3 m。止水帷幕采用TRD，寬度800 mm，長度約41 m?；又ёo方案如圖1所示。

根據巖土工程勘察報告，場地地下水位埋深16.2 m，基坑區域土層由上而下依次為②-1粉質黏土，②-51黏質粉土，④-1黏質粉土，⑤-2中砂，⑥-1粉質黏土，⑧-1粉質黏土，⑨-2中砂，-1粉質黏土。

圖1 基坑支護方案

本研究采用Plaxis 3D軟件進行三維有限元進行模擬，進行1∶1建模，部分結構進行適當的簡化。

2.1 地層本構及參數選取

Plaxis軟件中有豐富的本構模型，其中硬化土模型能較好的反應基坑土體的應力、應變特性[15]。故本文選取硬化土模型作為其本構關系，其模型參數如表1所示。

表1 地層參數

2.2 支護結構模擬

本文基坑圍護樁為鉆孔灌注樁，按照等效剛度法將圍護樁折算成等效厚度的壁式地下墻[16]，如圖2所示，令壁式地下墻等效厚度為h，按抗彎剛度相等的原則可得：

(1)

式中:D為鉆孔灌注樁直徑；
t樁間凈距；
D+t為單樁等效后的壁式地下墻長度。

圖2 樁體剛度折算示意圖

通過整理，可得壁式地下墻的等效厚度h為：

(2)

冠梁、混凝土支撐和鋼支撐均采用梁單元進行模擬，壁式地下墻和噴射混凝土面層采用板單元進行模擬，具體的材料參數如表2、表3所示。

表2 板單元材料參數

表3 梁單元材料參數

2.3 兩種開挖方式下的施工步設置

為了探討兩種不同開挖方式下的基坑變形規律，開挖方式分別采用整體式開挖和分區階梯式開挖，具體施工過程工況如表4、表5所示，分區階梯式開挖過程如圖3所示。

表4 整體式開挖施工過程

表5 分區階梯式開挖施工過程

圖3 分區階梯式開挖示意圖

本研究在數值模擬過程中共選擇4處斷面進行監測，分別監測基坑開挖過程中的基坑周圍地表沉降、內坑圍護結構變形和基坑坑底隆起，監測平面圖如圖4所示。

圖4 基坑監測平面圖

2.4 模型的建立

本研究計算模型范圍取850 m×330 m×65 m，基坑開挖范圍取540 m×76 m×26.2 m，模型上部為自由約束，底部為固定約束，側面為水平約束。根據上述兩種開挖方式，進行有限元建模，共生成197 601個單元數，生成311 712個節點，網格劃分情況如圖5所示，支護結構網格如圖6所示。

圖5 土體網格劃分

圖6 支護結構網格劃分

由于研究基坑為一個規則的四面體基坑，故在進行數據分析時取1-1、2-2、3-3斷面北部和4-4斷面東部進行對比分析。

3.1 基坑周圍地表沉降變形對比分析

由于基坑開挖卸荷，破壞了原有土體的平衡狀態，必然會導致基坑周圍土體中的應力釋放和取得新的平衡，這樣就會引起墻后土體產生位移，使得基坑地表發生變形。如圖7、圖8所示。

圖7 1-1斷面整體式開挖豎向位移變形云圖

圖8 1-1斷面分區階梯式開挖豎向位移變形云圖

由圖9—圖12可知，在兩種開挖方式下不同斷面處的地表沉降存在相同的變形規律：外坑地表沉降變形形態均為勺型拋物線形；
外坑開挖時所產生的地表沉降量占總沉降量的50%以上；
隨著基坑開挖深度的增加，各施工階段下外坑地表沉降量的最大值距離外坑邊緣的距離逐漸呈現減小的趨勢；
隨著內坑的開挖深度的變化，基坑中心位置，整體式開挖與分區階梯式開挖所產生的基坑地表沉降差異逐漸增大，逐漸反映出分區階梯式開挖的優勢，且分區階梯式開挖所產生的最終地表沉降量均小于整體式開挖所產生的地表沉降量。

圖9 1-1斷面處外坑北周圍地表沉降

由圖9—圖12可知，當采用整體式開挖時，1-1、2-2、3-3和4-4斷面處，外坑周圍地表沉降最大值依次為-2.19 mm、-2.12 mm、-2.12 mm、-0.66 mm；
而采用分區階梯式開挖時，外坑周圍地表沉降最大值為-1.95 mm、-1.98 mm、-2.03 mm、-0.64 mm。分區階梯式開挖較整體式開挖，開挖至坑底時各斷面處外坑周圍地表沉降最大值依次減少了11%、7%、4%、3%，可見在基坑長邊處，基坑地表沉降減小幅度從基坑中心向兩邊呈現出遞減的趨勢，而在基坑短邊位置，基坑地表沉降減小幅度較小，基本沒有發生多大變化。

圖10 2-2斷面處外坑北周圍地表沉降

圖11 3-3斷面處外坑北周圍地表沉降

圖12 4-4斷面處外坑東周圍地表沉降

3.2 基坑圍護結構變形對比分析

通過數值模擬，可以有效的模擬出各個工況下圍護結構的變化規律，如圖13—圖16所示。各斷面處圍護結構位移曲線形態均為拋物線形；
隨著開挖深度的增加，圍護樁水平位移最大值位置逐漸下移，內坑開挖至坑底時，基坑長邊處最大位移出現在圍護結構埋深-28 m的地方，低于最大開挖深度，而基坑短邊處最大位移出現在圍護樁埋深-22.2 m的地方，高于最大開挖深度。

圖13 1-1斷面處內坑北圍護結構水平位移

圖14 2-2斷面處內坑北圍護結構水平位移

圖15 3-3斷面處內坑北圍護結構水平位移

由圖13—圖16可知，采用整體式開挖時，斷面1-1、2-2和3-3處圍護結構最終水平位移分別為16.81 mm、16.57 mm和16.52 mm。采用分區階梯式開挖時，三處斷面圍護結構最終水平位移分別為16.48 mm、16.07 mm和15.52 mm。分區階梯式開挖較整體式開挖，內坑開挖至坑底時圍護結構水平位移依次減小了2%、3%和6%。且在內坑開挖的前三個階段，分區階梯式開挖較整體式開挖圍護結構變形拋物線變化較緩和，相對于施工更安全。由圖16可知，在4-4斷面處采用整體式開挖圍護結構最大水平位移為16.59 mm，分區階梯式開挖時圍護結構最大水平位移為15.36 mm，圍護結構水平位移減小了7%?？梢姺謪^階梯式開挖對圍護結構變形是有利的，受角隅效應的影響，在基坑長邊處，圍護結構變形減小幅度從基坑中心向兩邊呈現遞增的趨勢，在基坑短邊處，圍護結構變形減小幅度較大。

圖16 4-4斷面處內坑東圍護結構水平位移

3.3 基坑坑底隆起變形對比分析

基坑上部土體開挖卸荷，必然會引起底部土體發生回彈變形，如圖17—圖19所示?？拥茁∑鹱冃翁卣鞅憩F為中部最大，兩邊小。由圖17可知，1-1斷面處外坑開挖至坑底時，內坑初始坑底隆起量最大值均為58.94 mm。內坑開挖至坑底時，在整體式開挖和分區階梯式開挖下，坑底最大隆起量分別為84.02 mm和82.83 mm，分區階梯式開挖較整體式開挖坑底隆起量減小了1.4%，且在各個開挖階段下，兩種開挖方式對坑底隆起變形影響較小。

由圖18可知，2-2斷面處外坑開挖至坑底時，內坑初始坑底隆起量分別為58.68 mm和55.48 mm，分區階梯式開挖前的坑底隆起量減小了5%，這是由于分區開挖時Ⅰ區基坑開挖對Ⅱ區基坑隆起變形發生沉降。在兩種開挖方式下，內坑開挖至坑底時，內坑坑底最大隆起變形量分別為83.94 mm和77.19 mm，分區階梯式開挖減小了8%。由圖19可知，3-3斷面處外坑開挖至坑底時，內坑初始隆起量分別為58.66 mm和54.05 mm，分區階梯式開挖前的坑底隆起量減小了8%，內坑開挖至坑底時，整體式開挖和分區階梯式開挖內坑坑底最大隆起變形量分別為83.60 mm和75.57 mm，分區階梯式開挖減小了10%。

圖17 1-1斷面處基坑坑底豎向隆起位移

圖18 2-2斷面處基坑坑底豎向隆起位移

圖19 3-3斷面處基坑坑底豎向隆起位移

可見，分區階梯式開挖較整體式開挖在坑底隆起變形有著較明顯的優勢，從圖17—圖19可知，內坑分區階梯式開挖前初始坑底隆起量受前面分區開挖的影響從基坑中心向基坑東西兩側呈現減小的趨勢；
隨著內坑各分區的開挖，分區階梯式開挖的優勢逐漸凸顯，沿基坑長邊方向，從基坑中心向兩邊，分區階梯式開挖較整體式開挖的坑底隆起變形差異逐漸變大。

通過建立三維有限元模型，對比分析了兩種開挖方式下基坑開挖過程中的周圍地表沉降、內坑圍護樁變形水平位移和基坑坑底隆起變形的變化規律，結論如下：

(1) 外坑周圍地表沉降變形形態均為勺型拋物線形；
隨著開挖深度的增加，各施工階段的地表沉降位移曲線峰值逐漸向基坑邊緣方向移動；
分區階梯式開挖較整體式開挖，在基坑長邊處，分區階梯式開挖時的周圍地表沉降位移較小，在基坑短邊處，兩種開挖方式下的周圍地表沉降差異不明顯。

(2) 內坑圍護結構水平位移曲線均呈現為拋物線形，且隨著開挖深度的增加，位移曲線的峰值點逐漸下移；
分區階梯式開挖較整體式開挖，圍護結構變形減小幅度在靠近坑角位置處較為明顯。

(3) 基坑坑底豎向隆起變形均表現為中部大兩邊小的特點；
分區階梯式開挖在減小基坑坑底豎向隆起變形方面優勢明顯，與整體式開挖相比，分區階梯式開挖沿基坑長度方向，從中心向兩邊坑底隆起變形減小幅度逐漸增加。