坑中坑基坑施工的空间效应研究

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0 引言

基坑的空间效应是指由于空间的结构形式和受力特点，各部分支护结构的受力和变形相互影响而发生变化的性质。

坑中坑基坑的空间效应本文定义为：由于内、外坑相对空间位置关系，导致内坑开挖引起的外坑各部分支护结构在空间上不同的受力和变形性质。

目前已有许多科研工作者对常规基坑空间效应进行了研究。如杨雪强[1]等探讨了两坑壁端部对坑壁支护结构上土压力的整体屏蔽作用，提出了考虑空间效应的土压力计算公式。王美华［2］通过紧邻地铁超深基坑工程施工的实例分析，介绍了空间效应原理在软土深基坑工程中的应用，取得了很好的变形控制效果，保证了邻近运营地铁的安全，对类似软土深基坑工程具有一定的指导意义。

雷明锋[3]等提出了黏性土条件下长大深基坑施工空间效应的简化计算方法。刘念武[4]等研究了沿基坑纵向方向上的距离、开挖深度等因素对空间效应的影响。李大鹏[5]等分析深基坑工程空间效应的形成机理，推导考虑空间效应的支护结构土正应力计算公式。

以上成果从理论分析、有限元模拟及施工总结等方面对常规基坑空间效应进行了研究。但针对坑中坑基坑空间效应的研究尚没有成果出现，因此本文以坑中坑基坑空间为研究对象，通过建立6种坑中坑基坑三维有限元模型，分析内外坑相对位置不同时内坑施工对外坑围护结构不同方向上的水平变形以及土压力变化规律。从而确定内坑的施工在外坑水平方向上形成的危险区域，力求为基坑设计、施工提供理论参考。

1 坑中坑基坑空间形式分类

为研究方便，参考实际工程中坑中坑基坑常见形式，根据内外坑平面相对位置关系可将坑中坑基坑分为5大类。第1类：中心内坑基坑，指内坑与外坑各边都不接触；第2类：墙边内坑基坑，指内坑与外坑围护边接触；第3类：角部内坑基坑，指内坑与外坑在角部双边接触；第4类：三边内坑基坑，指内坑与外坑三边接触；第5类：夹心内坑基坑，指内坑与外坑在中间两边接触[6]。

2 有限元模型

坑中坑基坑三维有限元模型整体模型尺寸为：长×宽×高=90 m×60 m×50 m，其中外坑尺寸为：长×宽×深=30 m×20 m×7 m，在地表及地表以下4 m处各设有1道支撑。中心内坑、短边内坑、长边内坑、角部内坑尺寸均为：长×宽×深=10 m×10 m×4 m；三边内坑的尺寸为：长×宽×深=15 m×20 m×4 m；夹心内坑的尺寸为：长×宽×深=10 m×20 m×4 m。内坑设置1道支撑，位置与内坑围护结构顶标高相同。

模型地质参数取上海市深度30 m范围内地质参数加权平均值，土体本构模型选取D-P模型。通过ANSYS建立坑中坑基坑三维数值模型如图1所示。

3 坑中坑基坑空间效应分析

取标高-9 m处（内坑开挖面以上2 m，外坑坑底以下2 m）外坑围护结构水平截面为研究位置。提取截面上各点的位移值、土压力值与内坑开挖前数据相减，其差值结果作为内坑开挖对外坑在空间上的影响值。

在图2～图6中，灰色填充线框代表围护结构；虚线代表内坑开挖前后围护结构位移变化趋势，若虚线位于围护结构以内，代表该位置处外坑围护结构朝向坑内运动，若虚线位于围护结构以外，代表该位置处外坑围护结构朝向坑外运动；直线填充区域代表内坑开挖前后围护结构土压力变化值，围护结构以外区域代表内坑开挖后土压力减小，围护结构以内区域代表内坑开挖后土压力增大。图中有2套坐标系统，坐标原点都位于图形4个角部，一套坐标系统显示土压力值变化和大小，以kPa为单位。另一套坐标系统显示位移变化，以mm为单位。

1）中心内坑空间效应如图2所示。从图2可以看出，当内坑恰好处于外坑几何中心时，外坑也呈对称变化。每条边中心部位是位移和土压力变化最为明显的位置，且长边的变化值要大于短边的变化值，如长边内坑位移变化最大值接近1 mm，而短边内坑位移变化最大值还不到0.4 mm。4个角部位移变化最小，几乎为零。位移变化与土压力变化相对应，位移变化显著的位置，土压力变化同样显著。

图1 坑中坑基坑三维数值模型

图2 中心内坑空间效应

2）墙边内坑空间效应如图3所示。从图3可以看出，墙边内坑开挖后，外坑位移最大变化出现在与内坑紧邻的围护边，变化值约为-4 mm，变化范围约为左右1倍内坑边长。外坑左右相邻两边呈现非对称变化趋势，变化最大值点在近内坑边1/3距离处，变化值约为0.6 mm。远离内坑边位移变化量最小，约为0.2 mm。

3）角部内坑空间效应如图4所示。从图4可以看出，角部内坑开挖后，外坑位移、土压力变化主要集中在角部。位移变化最大值为-4 mm，出现在外坑围护边较长一侧。其余边土压力及位移变化较小，可以忽略。

图3 墙边（长边）内坑空间效应

图4 角部内坑空间效应

4）三边内坑空间效应如图5所示。三边内坑相对于外坑来讲所占面积通常较大，因此开挖后外坑土压力及位移变化值较大。从图5可以看出，三边内坑开挖后，外坑围护结构位移最大变化值为9 mm，土压力最大变化值为30 kPa。

5）夹心内坑空间效应如图6所示。从图6中可以看出，夹心内坑开挖后，外坑围护位移变化值最大点出现在内外坑交界处，最大位移值为2 mm，土压力变化最大值为30 kPa。相邻两边土压力变化值也同时大幅度减小，减小量约为2 kPa。

图5 三边内坑空间效应

图6 夹心内坑空间效应

4 结语

1）外坑位移最大值点都出现在内外坑接触边界位置。内坑对外坑空间上的影响程度由内外坑距离、外坑围护结构刚度两者共同决定。

2）内坑对外坑角部影响最小，在同样距离的情况下对外坑短边的影响程度要弱于对长边的影响。

3）当内坑与外坑交界时，两边影响区主要发生在1倍交界长度内。主要影响区域的位移及土压力变化可以达到其余边界的10倍左右。

综上所述，在坑中坑基坑工程中，内坑面积越大，离外坑围护距离越近，对外坑的影响也就越大。在施工过程中要特别注意监测外坑围护长边中点、内外坑搭界1倍边长范围内的外坑位移及土压力变化。在设计时要加强该范围内的外坑围护结构厚度及配筋。