复杂环境下超大深基坑开挖变形演化规律研究①

陈勇超， 何忠明， 王利军， 罗 欣， 史振宁

（1.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙410114； 2.广州地铁集团有限公司 建设事业总部，广东 广州510380）

基坑开挖作为开发城市地下空间的主要技术手段，逐渐向大、深方向发展，施工环境也越来越复杂。在超大、超深基础上，基坑开挖每加深1 m，对周围环境的影响就会增大几分［1-4］。 因此，在保证复杂环境下超大深基坑开挖安全稳定的同时，避免因施工开挖导致周边环境的破坏，是目前亟需解决的一个工程难题，国内外众多学者对此进行了大量研究［5-11］。 本文以广州地铁11 号线琶洲站与城际铁路琶洲站合建车站基坑工程为背景，采用仿真分析软件FLAC3D建立三维模型，对基坑周边土体地表沉降变化规律、地下连续墙墙后土体水平变化规律以及各道支撑轴力变化规律等进行了研究。

1 工程简介

1.1 工程概况

广州地铁11 号线琶洲站与城际铁路琶洲站合建车站，车站处于繁华地段，人流密集，周边建筑林立，地下管线埋置错综复杂。 地铁车站主体基坑、城际车站主体基坑及其北端明挖区间基坑合并为一个大基坑开挖施工，大基坑呈刀把形，基坑总长526 m，车站区段标准段宽73.15 m，地铁车站标准段基坑深度28.5 m，端头基坑深度29.8 m。 基坑东北侧为香格里拉酒店，东南侧为国际采购中心，南端头为正在运营的地铁8号线明挖区间及区间风道，西南侧为8 号线琶洲站，西侧为广交会二期办证中心，明挖区间北端头为阅江中路地下人行通道。 以上周边建（构）筑物均距离主体及附属基坑较近，在基坑施工影响范围内，施工期间需采取保护措施。

1.2 工程地质

工程所在地地貌为海陆交互相冲积平原，场地范围内地层由上至下依次为填土层、淤泥土层、砂砾层、粉质粘土层、全风化岩土层、强风化岩土层、中风化岩土层和微风化岩土层。 各地层物理力学参数见表1。

1.3 基坑设计方案

为减少基坑施工开挖对周边环境的影响，车站主体围护结构采用1 000 mm 厚钢筋混凝土地下连续墙加竖向4 道内支撑方案，连续墙接头采用工字型型钢接头，连续墙内外两侧设置单轴搅拌桩成槽保护，支撑方案见表2。

表2 支撑方案

深基坑施工开挖采用分层、分段开挖，开挖完一段支撑一段，每完成一段视为一种工况。 基坑开挖共分为4 种工况。 竖向开挖共分4 层，第一层开挖至-2.0 m，并在-1.5 m 处加设支撑；第二层开挖至-10.2 m，并在-9.7 m 处加设支撑；第三层开挖至-18.4 m，并在-17.9 m 处加设支撑；第四层开挖至-25.4 m，并在-24.9 m 处加设支撑。

1.4 计算模型

根据实际工程情况选取合理的模型计算方法，本文采用仿真分析软件FLAC3D对实际工程进行数值模拟分析，根据工程施工对周边环境扰动影响范围［12］，取模型南北方向长度300 m、东西方向长度250 m、竖向高度70 m，模型共划分14 820 个单元，16 960 个节点，基坑模型如图1 所示。 其中，所建模型包括基坑周围土体结构、支撑结构（钢筋混凝土支撑、钢支撑、冠梁、钢围檩）及围护结构（钢筋混凝土墙、单轴搅拌桩），各层土体采用Mohr-Coulomb 塑性模型进行模拟，围护结构采用实体单元模型进行模拟，支撑结构采用梁单元模型进行模拟。 为减少冗余计算，基坑周围网格划分较为紧凑，基坑远处网格划分较为稀疏，局部剖面简图如图2 所示。

图1 基坑三维数值模型图

图2 基坑局部剖面简图（单位：m）

2 计算结果与规律分析

2.1 计算结果

2.1.1 基坑周边土体地表沉降

基坑施工过程中，基坑周边土体地表沉降如图3所示。 由图3 可知，随着基坑施工的进行，土体地表沉降显著增大，地表最大沉降出现在墙后13 m 左右处，最大沉降值达到42 mm，并且基坑两侧地表沉降呈对称分布，基坑周边地表沉降沿基坑横向逐渐呈“镰刀”形变化。 从图3 中不难看出，地表最大沉降值从工况1 的11 mm 逐步增大至工况4 的42 mm，沉降值随着距基坑距离增大先逐渐增大，在地下连续墙墙后13 m 左右处达到峰值，然后逐渐减小，最后趋近于0。

图3 基坑周边土体地表沉降图

2.1.2 墙后土体水平位移

图4 为每次工况开挖完成前后地下连续墙墙后土体水平位移情况。 由图4 可知，地下连续墙墙后土体水平位移与基坑挖深成正相关关系，在每次工况开挖完成后基坑底部的水平位移达到峰值，而在每次工况开挖前顶部及开挖后深部土体位移值相对较小，整个地下连续墙墙后土体水平位移逐渐呈明显的“凸肚”型。 最后一次工况开挖完成后土体最大水平位移量为32 mm。

图4 墙后土体水平位移图

2.1.3 支撑轴力

图5 为数值模型中各道支撑在基坑开挖过程中不同位置以及不同开挖深度的轴力变化。 由图5 可知，第1 道支撑在基坑挖深为10.2 m 位置处，支撑中部的轴力最大，轴力最大值为1 756 kN，之后随基坑开挖工作的进行逐渐减小；第2道支撑在基坑挖深为18.4 m位置处，支撑中部靠右的位置轴力最大，轴力最大值为3 478 kN，之后随基坑挖深增加略有减小；第3 道支撑和第4 道支撑的最大支撑轴力分别为4 572 kN 和1 276 kN，分别位于支撑中部和支撑靠右的位置，其中第三道支撑轴力为各道支撑轴力中的最大值。

图5 支撑轴力分布图

2.2 规律分析

2.2.1 地表沉降演化规律分析

由图3 可知，基坑周边土体地表沉降会随着基坑开挖工作的进行呈非线性增长，增长的幅度呈明显上升的趋势，并且在离基坑一定距离的位置处达到沉降最大值，而并非在离墙最近的位置处，之后地表沉降会随着离基坑的距离增加而逐渐减小为0。 笔者认为，随着基坑开挖工作的逐步进行，基坑周围原状土体的结构形式被逐步破坏，土体受到的各项应力也逐渐攀升，而基坑周边土体地表沉降最大值之所以会出现在距离地下连续墙墙后13 m 左右处，主要原因是地下连续墙与基坑周边土体之间强大的摩擦阻力在一定程度上限制了土体在基坑附近产生自由移动，加上各道支撑与地下连续墙之间所产生的相互作用，使得土体沉降只能向没有围护结构的方向发展。

2.2.2 墙后土体水平位移规律分析

由图4 可知，地下连续墙墙后土体水平位移与基坑挖深呈非线性关系，在施工过程中，基坑顶部土体的水平位移值相对较小，在每次工况开挖完成后基坑底部土体的水平位移值最大，随着挖深增加，“凸肚”现象也越发明显。 笔者认为，随着施工的逐步进行，地下连续墙墙体两侧土体平衡稳定性逐渐遭到破坏，墙体两侧土体向中间产生不均匀挤压现象。 随着基坑侧的土体被不断开挖清除，另一侧土体所受到的横向挤压力逐渐增大，使得地下连续墙产生一定程度的横向移动，而在基坑顶部土压力相对较小，基坑底部土体主要为各类风化岩土体，加上钢筋混凝土地下连续墙与岩土体之间形成嵌固作用使得地下连续墙底部位移相对较小，则导致了“凸肚”现象的产生。

2.2.3 支撑轴力演变规律分析

由图5 不难看出，在基坑开挖过程中，各道支撑在不同开挖时期支撑轴力变化不尽相同。 随着基坑挖深增加，基坑附近土体主动土压力逐渐得到释放，支撑轴力由工况1 开始至开挖结束后不断增大，第1、2、3 道支撑最大轴力位于支撑中部附近的位置处，第4 道支撑的最大轴力则位于端部附近，其中第3 道支撑处支撑轴力为各道支撑中的最大值。 笔者认为，由于前3道支撑为钢筋混凝土支撑，并且在支撑两侧与地下连续墙相结合的部位设置三道斜撑作为边撑，将轴力更均匀地分散至各处，在这种情况下支撑中部处的应力达到最大值。 而第4 道支撑为钢支撑，在开挖结束后基于两侧土体对支撑所产生的应力并不均匀，以至于支撑轴力最大位置处于支撑端部。

3 施工与设计优化建议

基于对基坑周边地表沉降、墙后土体水平位移以及支撑轴力所做规律分析，现针对广州地铁11 号线琶洲站与城际铁路琶洲站合建车站基坑工程及其类似工程的施工与设计提出下述几点优化建议：

1） 由于此基坑项目开挖距离长、宽度广、深度大，基于地表沉降演化规律，在基坑分层、分块开挖方面应该做到合理分配，在开挖过程中如每一段深度相差较大，应在合理的深度差内设置临时支撑，或者将各段支撑预应力进行一定提升，或合理增大围护墙刚度。

2） 由于基坑周边地表最大沉降值出现在距离地下连续墙墙后13 m 左右的位置处，加上项目周围建筑物繁多，基于地表沉降演化规律，对基坑两侧25 m 范围内的土体变化情况应加大监测频率及监测点密度，同时应考虑对一定范围内的土体进行稳定处理。

3） 在基坑开挖过程中，由于支撑轴力与基坑挖深成正相关关系，基于支撑轴力演变规律，在开挖末期，应对不同结构类型支撑的支撑轴力分别进行不同手段的严密监测，一旦支撑处轴力值接近或超过警戒值，应立即加设临时支撑并对支撑附近土体进行稳定处理。

4） 由于墙后土体水平位移与基坑挖深成正相关关系，并且随开挖深度的增加“凸肚”现象越发明显，基于墙后土体水平位移规律，在施工过程中应及时施做支护结构，并且合理地增大各支护结构的抗弯强度及抗压强度。

4 结 论

1） 基坑周边土体地表沉降沿基坑横向先逐渐增大，在距离地下连续墙墙后13 m 左右处沉降达到峰值，此后逐渐减小。 地表沉降趋势呈“镰刀”形变化，最大沉降值为42 mm，在实际施工过程中，对基坑附近25 m 范围内建筑物及地下管线变形应着重监测。

2） 在开挖过程中，基坑顶部土体的水平位移值相对较小，随着基坑开挖工作的逐步进行，地下连续墙墙后土体水平位移逐渐增大，渐渐形成“凸肚”现象，土体最大水平位移量为32 mm，在施工过程中应合理增大围护墙刚度和支撑强度。

3） 支撑轴力与基坑挖深成正相关关系，最大支撑轴力为4572kN，第1、2、3 道钢筋混凝土支撑最大支撑轴力出现在支撑中部附近，第4 道钢支撑最大支撑轴力出现在支撑端部附近，在基坑开挖过程中应对不同结构类型支撑的支撑轴力分别进行不同手段的严密监测，同时应合理加设临时支撑，减少围护结构变形。