深基坑开挖引起的地表沉降变形及影响因素分析

赵 平，韩治勇

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000；2.皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012)

近年来，随着基坑工程向更深、更复杂地质条件、更严峻施工环境不断发展，基坑工程事故屡见不鲜。深入研究深基坑开挖变形影响因素对于基坑工程防灾减灾和促进新技术的应用与发展具有重要意义[1-2]。基坑开挖的过程是应力释放的过程，应力释放导致支护结构二侧产生的土压力差会引起基坑周边地表沉降。地表沉降将威胁基坑周边道路、地下管线及建筑物等周围环境的安全[3]。因此研究深基坑开挖引起的地表沉降规律及影响因素，进而寻求有效的沉降控制措施，意义重大。鉴于此，已有不少学者研究了深基坑开挖引起的地表沉降变形影响因素。现有的基坑开挖引起的地表沉降变形分析研究主要采用三种方法：模型试验、现场监测和数值模拟。模型试验方面，苪瑞等[4]开展了邻近地层损失对地下挡土结构土压力与地表沉降影响试验研究；唐洪亮等[5]开展了膨胀土地区深基坑开挖引起的地表沉降模型试验与数值计算研究；李连祥等[6]基于基坑离心模型试验开挖方法，对深基坑开挖引起的地表沉降开展了研究。现场监测方面，张凯等[7]开展了呼和浩特轨道交通2号线某车站基坑开挖沉降监测分析；裴巧玲等[8]以某地铁深基坑围护结构为背景，采用现场监测的方法，对地表沉降量的变化规律进行了研究。数值模拟方面，宋辰辰[9]以杭州某地铁车站深基坑项目为例，运用MIDAS/GTS软件模拟在不同开挖工况下深基坑周边地表沉降、围护墙体的水平位移及基坑底部隆起的变形规律并与实际监测值进行了对比分析；罗正东[10]以长沙地铁5号线富水砂卵石地层深基坑降水开挖工程为依托，采用ABAQUS软件对该车站深基坑降水开挖进行了全过程数值模拟，并对地表沉降的影响因素进行了研究；夏红兵等[11]利用FLAC3D软件进行数值模拟，研究了竖向拉力对十字形多层土锚和等截面土锚竖直方向的位移及土锚侧摩阻力等方面的影响。

从既有研究可以看出，目前关于深基坑开挖对周边环境及基坑本身的影响等方面的研究成果颇丰，但多数研究对象主要针对合肥以外地区，以合肥地区地铁线路附近的深基坑开挖过程中周围地表沉降的研究相对较少。龚晓南院士[12]的研究成果表明：基坑工程具有很强的区域性，基坑周围土体的变形可能对周围的市政道路、地下管线或建(构)筑物产生不良作用，严重的则会影响其正常使用。在保证基坑本身安全可靠的同时，深基坑开挖引起的环境效应也日益引起人们的重视，而其中尤其以基坑开挖引起的地表沉降对环境的影响最大[13]。由于有限元数值模拟方法可以考虑基坑空间效应，动态模拟基坑开挖与支护施工过程，较好地反映土体和支护结构变形情况。为了实施对施工过程的动态控制，掌握地层与围护结构体系的状态，及施工对既有建(构)筑物的影响，必须进行现场监控量测。通过对量测数据的整理和分析，及时确定相应的施工措施，确保施工过程和既有建筑的安全[14]。因此，本文在总结前人研究成果的基础上，以合肥地铁2号线附近某基坑开挖工程为依托，通过有限元软件MIDAS-GTS建立三维数值模型，重点分析了基坑开挖过程中引起的地表沉降变形规律，并把数值模拟结果与现场监测数据进行比较，论证模拟施工过程的合理性和可行性，在此基础上深入分析了深基坑开挖地表沉降变形的影响因素。研究结果对类似地区深基坑开挖工程的初步设计和施工具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

研究对象为合肥地铁二号线附近某深基坑开挖工程，该基坑周边交通繁忙、建筑物密集、基坑周边有生活管线。该基坑平面形状为矩形，基坑长、宽分别为60m、40m，开挖深度为12m。基坑的支护结构由地下连续墙和3道内支撑组成，内支撑直径为800mm，位置在距离地表以下2m、6m以及9m处，地下连续墙高度为18m，其中入土深度为6m，厚度为800mm。其中，地连墙弹性模量为28000MPa，泊松比为0.22，重度为26kN·m-3；内支撑弹性模量为200000MPa，泊松比为0.31，重度为75kN·m-3。基坑共分4次开挖，开挖深度分别为2m、4m、3m、3m。根据岩土工程详细勘察报告，简化后的土层为4层，从上部到下部依次为：①杂填土(厚度6m)、②全风化泥质砂岩(厚度6m)、③强风化泥质砂岩(厚度5m)、④中等风化泥质砂岩(厚度43m)。计算模型相关力学参数如表1所示。

表1 计算模型力学参数

2 建模与计算

2.1 基本假定

由于施工过程和现场工程条件比较复杂，为了便于研究，数值模型设计有必要对实际情况进行一定简化[12]，本研究基本假设如下：①土体为理想的弹塑性材料；②各层土体连续且均匀分布；③不考虑地下水对围护结构变形的影响；④地下连续墙和内支撑均为弹性体；⑤同一种材料为均质、各向同性。

2.2 建立模型

参考刘建航院士的研究成果[15]，考虑工程实际情况，本文建立的整体三维模型长(x)、宽(y)、高(z)分别为：160m、140m、60m，远大于预计基坑开挖影响范围。边界约束条件：地表为自由面，模型四周边界均受到法向水平向位移约束，模型底部设置x、y、z三个方向约束。模型中土体为3D实体单元，地下连续墙采用2D板单元，基坑内支撑采用1D梁单元。整体三维模型网格划分情况如图1所示。数值模型共计182665个单元，190510个节点。考虑到该基坑周边存在交通繁忙、建筑物密集等情况，在距基坑边缘4m范围内施加大小为22kPa的竖向均布荷载。

图1 三维有限元模型

2.3 模拟施工与现场监测方案设计

基坑开挖过程施工工况具体内容如表2所示。结合该基坑开挖变形的特点，数值模拟选取有代表性的断面进行研究，本次研究主要侧重研究位于基坑长边中部(CJ1断面)、基坑短边中部(CJ2断面)以及基坑端部坑角位置处(CJ3断面)不同位置土体沉降变形规律，基坑平面及地表沉降测点布置示意图见图2。为了确保基坑工程施工的安全，有必要对该工程施工过程进行监测，进而对现场施工指导[12]，依据相关规范和要求，结合施工现场的具体情况，制定了本次研究的监测方案，具体内容为：对基坑开挖过程中周围地表竖向位移进行监测，地表沉降采用精密水准仪和铟钢尺量测。现场监测与数值模拟选取的研究对象保持一致，具体为：监测点均匀分布在三个监测断面上(每隔2米布置一个)，距离地连墙距离最小值为0mm，最大值为26mm，每个断面布置14个监测点，三个断面共计42个监测点。地表沉降自完成围护结构，开始开挖基坑起进行监测。

表2 基坑开挖工况具体内容

图2 基坑平面及地表沉降测点布置示意图

3 结果分析

3.1 数值模拟与现场实测对比分析

图3为基坑开挖完成时(基坑开挖至地表以下12m)CJ1、CJ2与CJ3三个断面不同离墙后距离地表沉降数值模拟结果与现场监测对比图。通过观察对比不难发现：数值模拟方面，基坑开挖完成时，基坑开挖会造成附近地表产生沉降，且都呈现出先增大后减小的规律。CJ1、CJ2与CJ3三个断面不同离墙后距离，其竖向位移受基坑开挖的影响不同，另一方面，不难发现最大地表沉降出现的位置随着开挖深度的增加基本保持不变，都在离墙后距离约0.5倍基坑深度的位置。CJ1、CJ2与CJ3三个断面的地表沉降最大值分别约为：24.0mm、14.5mm以及8.0mm，最大竖向位移值大小关系为：CJ1>CJ2>CJ3。说明邻近基坑地表土体地表沉降具有明显的空间效应，基坑长边中部断面地表沉降最大，短边中部断面次之，坑角断面最小。此结论与刘念武等[16]在开展内支撑基坑变形空间效应特性研究时得出的结论一致。此外，观察也可以发现2倍基坑深度为基坑开挖对于周围地表影响的主要范围。由图3还可以发现：施工现场实测值与数值模拟两者数值并不完全一致，但变化趋势大致相似，说明所建模型能够很好地反映实际变形情况，可以为深基坑工程的设计提供可靠的理论依据，表明数值模拟技术在该地区深基坑开挖工程中的应用可行。具体来看，数值模拟的最大值约为24mm，现场监测的最大值约为25.5mm，两者相差不大，最大地表沉降都出现在离墙后距离约0.5倍基坑深度的位置。此外，实测数据略大于模拟计算结果，这主要是由于建模时采取了许多简化假定，而实际基坑开挖支护是一个十分复杂的过程，不可避免地受到周边其它因素的影响，这些都会导致数值模拟与现场监测结果的差异。

图3 开挖完时模拟与监测对比图

3.2 影响地表沉降变形因素分析

基坑周围地表的最终沉降变形与基坑开挖过程中许多因素有关，学者杨伦等[17-18]的研究成果显示，基坑开挖时影响地表沉降的因素主要有自然因素、设计因素以及施工因素。考虑到篇幅有限，在这里仅讨论自然因素中的土体抗剪强度指标以及设计因素中地下连续墙的相关参数的改变对基坑周围地表沉降的影响。研究对象选取有代表性的基坑长边中部CJ1断面。

3.2.1 土体抗剪强度指标改变对地表沉降的影响

根据摩尔库伦准则，土体的抗剪强度指标主要有粘聚力和内摩擦角[19]。为研究土体抗剪强度指标对地表沉降的影响，分别单独改变粘聚力和内摩擦角取值，具体内容见表3，除了粘聚力和内摩擦角数值之外，不改变其他各项参数，运用改变后的参数，分别建立三维数值模型，通过数值模拟结果研究该参数改变对地表沉降的影响，具体结果见图4和图5。计算结果中影响因素值改变对应周围地表沉降最大值结果见表3。不难看出，改变抗剪强度的大小对地表沉降有一定影响，且随着土体抗剪强度的增加，地表沉降不断减少。此外，土体抗剪强度的改变不影响基坑开挖对地表沉降的变形的趋势。由此可见，土体抗剪强度指标越大，对控制地表沉降的变形也越有利，这是因为随着土体抗剪强度指标的增加，提高了土体自身的承载力和稳定性，从而达到约束其变形的效果。但是增加到一定程度这种抑制效果将不再明显。因此可以通过适当提高基坑周围土体抗剪强度来减小因基坑开挖造成的地表沉降的影响。

表3 粘聚力和内摩擦角值改变对最大地表沉降影响 (单位：mm)

图4 粘聚力对地表沉降影响

图5 内摩擦角对地表沉降影响

3.2.2 地下连续墙参数改变对地表沉降的影响

为研究地下连续墙相关参数对地表沉降的影响，分别单独改变地下连续墙厚度和嵌固深度取值，具体内容见表4，除此之外，不改变其他各项参数，运用改变后的参数，分别建立三维数值模型，通过数值模拟结果研究该参数改变对地表沉降的影响，具体结果见图6和图7。计算结果中影响因素值改变对应周围地表沉降最大值结果见表4。不难看出，适当增加地下连续墙厚度以及嵌固深度，可以有效的抑制深基坑开挖引起的地表沉降，这是因为地下连续墙厚度及嵌固深度的增加，使得围护结构的侧向刚度变大，围护结构抵抗变形的能力增强，进而对地表土体的沉降起到限制作用。由此可见，适当增加地下连续墙的厚度和地下连续墙的嵌固深度，可以有效的抑制基坑围护结构水平位移。但是增加到一定程度时，这种抑制基坑变形的效果十分有限，另外，盲目加大地连续墙的厚度和地下连续墙的嵌固深度还会大大增加基坑开挖支护成本。

表4 地连墙厚度及嵌固深度值改变对最大地表沉降影响 (单位：mm)

图6 地下连续墙厚度对地表沉降影响

图7 地下连续墙嵌固深度对地表沉降影响

4 结论

本文通过建立三维有限元模型，重点分析了基坑开挖过程中周围土体沉降变形发展规律，并将数值模拟结果与施工现场监测数据进行对比，在此基础上深入分析了深基坑开挖产生的地表沉降变形的影响因素，主要结论如下。

(1)通过数值模拟结果与现场实测结果对比分析，数值模拟结果与实际监测结果吻合较好，验证了所建立数值模型的可行性和模型参数取值的合理性与可靠性。

(2)基坑周边地表沉降量随着距基坑边缘距离的增大，呈先增大后减小的趋势，最大沉降位置大约在基坑边外0.5倍基坑深度处，2倍基坑深度为基坑开挖对周围地表沉降产生影响的主要范围。

(3)邻近基坑地表沉降具有明显的空间效应，基坑长边中部断面地表沉降最大，短边中部断面次之，坑角断面最小，基坑开挖施工期间应更加注意加强基坑长边中间部位附近地下管线及地上建筑物的保护，基坑工程施工要坚持信息化施工，边施工、边测试，发现异常情况，及时采取措施。

(4)土体抗剪强度越大，对于基坑周围土体沉降变形约束效果越好，但是随着抗剪强度的增加，约束效果越不明显；增加地下连续墙的厚度和嵌固深度，可以有效的抑制基坑周围土体沉降变形，但是增加到一定程度时，这种抑制效果变得有限，且施工成本也会增加。因此基坑设计时应充分考虑各个方面的因素，在保证施工安全要求的前提下，降低施工成本。