软土地区小净距相邻基坑同步开挖变形特性研究

陈 娟 （中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 引言

随着城市化进程的不断加快和土地集约化的要求，地下空间的开发密度不断增加，相邻基坑工程同步施工的情况已成为常态[1-3]。目前对此类问题的研究主要集中在相邻基坑间距大于2倍坑深范围以上，且基坑非同步开挖的工况。史海莹[4]结合实际工程案例，研究了采用合理的施工工序后相邻深基坑围护结构的承载力和变形特性；丁智等[5]以杭州下穿湘湖某相邻基坑工程为例，对相邻基坑在施工过程中内支撑轴力及深层土体水平位移等进行研究；李辉[6]对间距小于2倍坑深范围的相邻基坑，同步开挖的相互影响进行研究，通过有限元分析临界安全工况，并提出推荐工序。

对于小于1倍基坑深度的小净距相邻基坑同步开挖工况下，基坑之间相互影响程度，围护结构变形特性等，目前鲜有研究。本文以杭州某市政隧道临近地铁基坑工程为例，采用有限元分析软件并结合现场监测数据对此类基坑的变形特性进行研究，并提出合理的施工工序。

2 工程概况

杭州市某市政隧道平行于地铁车站基坑。两个基坑净间距8.2m～9.9m，两者剖面关系如图1所示。

市政隧道与地铁基坑相邻段长度约95m，基坑宽度28m～40m，开挖深度16.7m～18.6m。支护结构为800mm地下连续墙+五道内支撑，其中第一、三道分别为800*800、1000*1000钢筋混凝土支撑，支撑间距6m，第二、四、五道为Ø800，壁厚16mm的钢管支撑，支撑间距3m。

地铁基坑宽度21.8m～23.7m，开挖深度17.5m～18.4m，支护结构为1000mm地下连续墙+五道内支撑，其中第一、三道分别为800*1000、1000*1000钢筋混凝土支撑，支撑间距9m，第二道为Ø609，壁厚16mm的钢管支撑，支撑间距3m。第四、五道为Ø800，壁厚20mm的钢管支撑，支撑间距3m。

同时受场地条件制约，相邻基坑中间需要作为施工及运输通道，因此在基坑中间地面设置混凝土铺盖板，与两个基坑的围护结构共同形成栈桥系统。

3 工程地质条件

本工程场区地貌单元为冲海积平原，场地浅部20m内为粘性土、淤泥质土，中部为厚约13m～15m的软可塑状粉质粘土，下部为性能较好的粉砂、砾砂、圆砾，底部为泥质粉砂岩或砂砾岩。

场区内地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。孔隙潜水主要赋存于浅部第四系淤泥质土、粉质粘土层内，水位一般为0.20m～4.50m，相应高程1.02m～5.66m，水位年变幅为1.0m～1.5m。地层分布情况及各土层的物理力学参数见下表。

土层物理力学指标参数

4 相邻基坑间土压力作用模式

常用的经典朗肯土压力或库伦土压力理论采用的是半无限体土体的假设，当相邻基坑间距较小时，破裂角，朗肯及库伦土压力已不适用。有限土体的破坏形式如图2所示。深度，当时，两侧基坑中间土体的破裂面相交，可采用楔体法计算作用在围护结构上有限土体土压力，此时土压力小于朗肯土压力。

图2 有限土体的破坏形式、土压力简图

5 同步开挖相互影响分析

5.1 施工工况

由于两个工程工期紧张，相邻基坑需要同步开挖，在满足工期的前提下需确保同步开挖期间相邻基坑的安全，因此对施工工序进行细化，首先相邻基坑同步开挖至第三道混凝土支撑底，浇筑完第三道混凝土支撑，此时第一道、第三道混凝土支撑与基坑围护结构形成稳定的框架结构，随后两个基坑错开施工，形成以下两个分析工况。

工况一：相邻基坑浇筑完第三道混凝土支撑，地铁基坑停止施工，市政隧道继续向下开挖至坑底，并浇筑完底板，随后地铁基坑继续向下开挖到坑底并浇筑底板。

工况二：相邻基坑浇筑完第三道混凝土支撑，市政隧道停止施工，地铁基坑继续向下开挖至坑底，并浇筑完底板，随后市政隧道继续向下开挖到坑底并浇筑底板。

5.2 有限元计算分析

为了准确预测两种工况下基坑同步开挖的相互影响，采用有限元软件Mi⁃das GTS NX进行计算分析，计算模型由地铁基坑、隧道基坑及周边土体组成，模型尺寸150m*52m，周边土体取基坑开挖深度的3倍范围[6]。

模型土体采用基于修正Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性模型，模型位移约束条件是表面为自由面，两侧约束水平方向位移，底部为固定约束。土体采用2D平面应变实体单元，围护桩采用等效厚度的梁单元，基坑支撑采用1D梁单元模拟。

通过两种工况计算后发现，当相邻基坑均开挖到底时，基坑围护结构的最大水平位移均出现在外侧，且最大位移位于坑底附近，而相邻基坑中间围护结构的变形较小，最大变形约13mm～21mm，远小于基坑外侧围护结构水平位移，验证了相邻基坑间有限土体的土压力远小于外侧无限土体土压力。

提取两个工况下相邻基坑外侧围护结构的水平变形进行分析，如图3、图4所示。

图3 工况一地铁北侧、隧道南侧围护水平位移

图4 工况二地铁北侧、隧道南侧围护水平位移

工况一：两个基坑先同步开挖至第三道支撑时，地铁北侧围护结构最大水平变形13mm，隧道基坑南侧围护结构最大水平变形23mm。地铁停止开挖，隧道基坑开挖到底后，隧道南侧围护结构最大水平变形40mm，在等待隧道基坑开挖到底的过程中，地铁基坑围护结构水平变形增加2mm，且最大增量的位置位于地铁开挖面以下，随后地铁基坑继续开挖到底，地铁北侧围护结构水平变形增加至31.2mm。

工况二：两个基坑先同步开挖至第三道支撑时，地铁北侧围护结构最大水平变形11mm，隧道基坑南侧围护结构最大水平变形20mm。隧道停止开挖，地铁基坑开挖到底后，地铁北侧围护结构水平变形26.5mm，在等待地铁基坑开挖到底的过程中，隧道基坑围护结构水平变形增加2mm，且最大增量的位置位于开挖面以下，随后隧道基坑继续开挖到底，隧道嫩侧围护结构水平变形增加至35mm。

对比分析可知，两个工况下隧道基坑围护结构最大水平变形均大于地铁基坑水平变形，主要是隧道基坑地连墙厚度小，抗变形能力较弱。

相邻基坑同步开挖到第三道支撑位置，地铁基坑围护结构水平位移大于隧道基坑围护结构水平位移，当地铁基坑先开挖到底，地铁基坑围护最大变形比隧道基坑先开挖到底时减少4mm，隧道基坑围护结构最大变形减少5mm。由此可见，地铁基坑先开挖对相邻基坑的变形控制更有利，主要是由于地铁基坑窄，支护结构刚度大，抗变形能力强，因此地铁先开挖，地铁基坑自身围护结构变形小，对周围土体及相邻基坑的扰动小。隧道基坑开挖中，地铁基坑也能提供足够的刚度来平衡隧道基坑两侧的土压力。

6 现场监测数据分析

结合现场施工情况，由于地铁基坑面积小，且开挖速度快，在第三道混凝土支撑下，基本保证了地铁基坑先开挖到底并浇筑底板，随后隧道基坑开挖第三道混凝土支撑以下土方。选取了市政隧道和地铁基坑同一个断面上围护结构水平位移监测点CX18、CX27、CX15、CX16进行分析，其中隧道基坑南侧测点CX18和地铁基坑北侧测点CX16水平位移如图5所示。

图5 隧道CX18、地铁CX16水平位移

监测数据显示，市政隧道南侧测点CX18最大水平位移45.13mm，北侧围护结构监测点CX27的最大累计变形20.94mm。地铁基坑北侧测点CX16最大水平位移32.33mm，南侧测点最大水平位移16.57mm。

可知现场实测结果与有限元计算结果基本一致，隧道基坑围护变形大于地铁基坑围护变形，且相邻基坑中间的围护变形均远小于外侧围护变形，进一步验证了有限元计算的可行性。

7 结论

通过对地铁与市政隧道小净距相邻基坑工程同步开挖的有限元及现场实测分析，得出以下结论。

①当相邻基坑净距小于滑裂面确定的临界宽度时，作用在围护结构上土压力可采用有限土体土压力计算，且小于无限土体土压力。

②小净距相邻基坑同步施工，基坑内侧围护结构受有限土体的土压力作用，围护结构变形较小，外侧围护结构受无限土体土压力作用，变形较大。

③相邻基坑同期实施时，尽量在工序上错开施工，若因工期原因无法完全错开，浅层可同步开挖，深层采用错开工序施工。

④为确保同步施工相邻基坑的稳定性，建议基坑宽度小、围护刚度较大的基坑先施工。

⑤采用多道混凝土支撑能增加基坑的整体刚度，减小相邻基坑施工过程中的偏载效应。