宁波软土地区相连深基坑开挖施工时空效应实测分析

吴波，彭逸勇，蒙国往，濮松权

宁波软土地区相连深基坑开挖施工时空效应实测分析

吴波1, 2，彭逸勇1, 2，蒙国往1, 2，濮松权3

(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 教育部工程防灾与结构安全重点实验室，广西 南宁 530004；3. 中铁十局集团有限公司，山东 济南 250101)

软土深基坑施工期变形具有明显的时空效应，以宁波软土地区相连深基坑为工程背景，对软土地区相连深基坑开挖的时空效应开展研究。基于基坑施工过程中地表沉降、地连墙水平位移、支撑轴力的监测数据，分析施工工序、开挖深度等因素对不同位置处基坑结构与土体的变形影响，并通过有限元软件对2基坑同时开挖的情况进行计算讨论。研究结果表明：采用2个基坑单独开挖的顺序，在一个基坑开挖时，已完成的地连墙或已封顶的车站结构将对这一侧的地表沉降和地连墙水平位移有较好的约束作用；地表沉降与地连墙水平位移在基坑长边上的值大于端头部分，且这2个变形值具有明显的深度效应，即随着开挖深度的增加，变形值增加更快；支撑轴力的变化主要受开挖土体的位置影响，越近的土体开挖，支撑轴力增加越大；若采用2基坑同时开挖的方式，控制中间部分地连墙的变形将是重点，施工安全也面临较大挑战。

深基坑开挖；软土；时空效应；监测

在软土地层深基坑工程中，由于深基坑本身三维空间结构特征和软土土质的流变性，使得围护结构和土体的位移具有明显的时空效应[1-2]。许多学者对基坑开挖的时空效应进行了分析。在国外，Lee等[3-4]对监测数据进行分析，提出了影响基坑角部三要素，并进行了有限元计算，结果表明基坑开挖过程的基坑变形有明显的空间效应；Finno等[5]建立大量有限元模型对基坑长度与深度之比、基坑长度与基坑宽度之比等因素进行了分析总结；LONG[6]收集了全世界范围内大量的深基坑工程案例，研究了基坑开挖初始阶段对基坑变形的影响。在国内，最先应用时空效应理论的是上海地铁1号线，从而逐步推广到其他大型基坑工程中[7]。TAN等[8-9]整理了上海多个地铁基坑的监测数据，分析了基坑开挖的时空效应；付立彬等[10]通过建立有限元模型，分析了郑州某地铁基坑在不同施工工序和不同尺寸效应下的基坑变形；李镜培等[11]对上海某深基坑开挖过程中围护墙侧移、支撑轴力、立柱隆起、周围管线沉降的空间变化规律进行了分析；冯超元等[12]结合佛山地铁某狭长基坑地连墙变形的实测数据，对基坑的长边效应进行了研究。目前，随着地下空间工程向着复杂化和大型化发展，基坑结构和周边环境愈发复杂。非常规的深基坑工程在施工工序和基坑的变形规律上与普通深基坑工程存在差异，故对典型深基坑工程时空效应规律进行研究是有必要的。本文依托宁波轨道交通3号线明楼站相连深基坑工程，基于现场施工实况和监测数据，对此工程施工的时空效应进行分析，以期为相似工程的设计、施工、监测提供参考。

1 工程概述

1.1 工程概况

不同于常规的深基坑工程，宁波地铁3号线明楼站车站为2个相连的深基坑组成。如图1所示为基坑平面图。基坑A标准段深约17.76 m，基坑A南端头井深约19.51 m，北端头井深约19.20 m，地连墙深40 m；基坑B(1~9轴范围)深约15.48 m，地连墙深32 m；基坑B(9~18轴范围)深约17.76 m，地连墙深36 m。由于车站所处地层软弱，基坑进行了地基加固处理，另外为了增加结构抗浮验算，底板下方设置了抗拔桩。图2为明楼站深连基坑9~18轴剖面图。

单位：m

1.2 地质条件

本地铁车站地处于宁波断陷盆地，属滨海冲湖积型平原地貌类型，地形平坦，工程范围内淤泥质土层较厚，富水软弱，图3为明楼站基坑中间地质剖面。

图2 9~18轴剖面图

图3 中间地质纵剖面

2 施工工序与现场监测

2.1 现场监测布置

为全面分析该深基坑开挖施工过程中的变形性状，确定主要的监测项目有：地表沉降、地连墙水平位移(测斜孔)、支撑轴力。由于明楼站深连基坑分两个坑开挖，故基坑A开挖与基坑B开挖时的监测点布置不同，如图4和图5分别为基坑A和基坑B监测点布置。

2.2 施工工序与施工进度

本相连深基坑工程在2基坑所有围护结构、地基加固和钻孔桩施工完成后，开始基坑开挖施工。开挖分2个阶段，首先进行基坑A的开挖。基坑A分5层(端头井处为6层)开挖。附属基坑1~9轴分4层，其他段分成5层开挖。

图4 基坑A施工监测点布置图

图5 基坑B施工监测点布置图

现场布设的监测点每天更新数据，基坑A从2016年12月16日开始开挖至2017年6月2日封底，一共历时169 d。为了便于分析，将这169 d顺序编号为1至169，并对应施工步。如表1所示，收集这169 d的监测报告，整理成基坑A开挖进度表。基坑A开挖分块见图6。

基坑A封底之后进行基坑A回筑施工，基坑A回筑施工2017年6月3日开始，2017年10月30日基坑A封顶，一共历时150 d。

通过20 d的场地整理和施工准备后，基坑B开始开挖。开挖于2017年11月20日开始，2018年2月8日基坑B封底，一共历时81 d。同样的，将这81 d顺序编号为1至81，并对应施工步。如表2所示为基坑B开挖进度表。基坑B开挖分块见图7。基坑B采用2套挖土设备分别从南、北端头向中间同时分层放坡开挖。

表1 基坑A开挖进度

表2 基坑B开挖进度

单位：m

单位：m

基坑B封底后进行基坑B的回筑施工，至2018年5月31日明楼站相连深基坑全部封顶。

3 开挖过程的时空效应分析

3.1 地表沉降的时空效应分析

图8为基坑A和基坑B开挖至底时各测点地表沉降曲线。从图中可以看出：

1) 基坑长边沉降大于端头部分的测点，长边中间部分位移大于两侧。对比图8(a)和图8(b)发现西侧沉降曲线为“单凹”形，而东侧则为“双凹”形。

2) 基坑A开挖时东侧的位移整体都小于西侧，东侧最大沉降为-28.3 mm，仅为西侧最大沉降-62.2 mm的45.5%，说明已施工完的围护结构对这一侧的地表沉降能起到较好的限制作用。

3) 图8(d)中基坑B西侧的测点沉降较小，最大沉降-10.7 mm为东侧最大沉降的19.2%，仅为基坑A开挖至底时东侧测点的最大沉降的37.8%。显然这是由于基坑A已经封顶，钢筋混凝土结构的刚度远远大于土体，故地表能产生的沉降很小。

4) 图8的(b)与8(c)变形趋势相似，为“单凹”形，2图中的最大沉降相差只有10%，且这两侧沉降较大。这说明已建成地连墙和已建车站结构对这两侧的土体沉降影响不大。

(a) AD1~8位移曲线；(b) AD9~16位移曲线；(c) BD1~8位移曲线；(d) BD10~16位移曲线

为了分析地表沉降随明楼站基坑开挖施工的变化，选取AD5-3，AD13-3，AD1-3，BD5-3，BD13-3和BD1-3测点进行分析(图9和图10)。这些测点包括基坑各侧，且都距基坑17 m，是较大沉降位置处，具有代表性。从图9可以看出：

1) AD1-3测点在开挖过程中沉降变化平稳，说明开挖对端头部分地表影响较小。

2) AD13-3测点在开挖前2层土时沉降较少，开挖至第71 d，即第1和2层土方开挖完时，沉降量仅为-18 mm，为最终沉降量的35.8%，而随着开挖深度的增大沉降速度增大，这是因为土层开挖越深应力卸荷越大，对周围土体的影响越强。而AD5-3测点，在开挖至第31 d时(第1层土方开挖完)，沉降就达到-16.5 mm，为最终沉降量的66.2%，随后沉降速度减小，说明随着开挖深度增加基坑B地连墙的约束作用加强。长边两侧不同的沉降变化，体现了开挖过程的空间效应。

3) 在基坑开挖天数36~55 d的这段时间内基坑A是暂停开挖的，从图9中可以看出在这段时间内3个测点的沉降基本没有增加，这说明基坑土体开挖是造成周边地表沉降的主要原因。

从图10可以看出：

1) 基坑B采用南、北端头向中间同时分层放坡开挖的方法加快了开挖速度，但基坑B开挖最大沉降为基坑A开挖最大沉降的85%，说明这种开挖方式并没有加大地表沉降。

图10 基坑B测点变化曲线

2) 在基坑B开挖47~60 d的这段时间里，BD5-3和BD13-3测点沉降陡增，BD5-3沉降了-19.4 mm，BD13-3沉降了-3.2 mm，分别占各自最终沉降的46%和44%。这段时间内是基坑中部底层E3，E4和D1至D4土方开挖，这说明开挖至基坑底层中部土方时，对沉降影响大，说明土方开挖位置对沉降的影响不同，具有空间效应。

3.2 地连墙水平位移的时空效应分析

图11为基坑A和B开挖至底时各测点的地连墙水平位移曲线。从图中可以看出：

1) 基坑长边上的地连墙水平位移大于端头部分地连墙的水平位移。除BCX-9~16测点外，其余测点变形曲线都为“中间鼓，两头小”的形状。各测点最大水平位移在(开挖深度)+5 m和-4 m 之间。

2) 基坑B开挖至底时BCX-9~16最大地连墙水平位移仅为1.6 mm，这是由于基坑B开挖时西侧的基坑A内部结构已施工完毕，故这一侧已经基本不受土压力的影响。

3) ACX-1~8最大地连墙水平位移为25.9 mm仅为ACX-9~16最大地连墙水平位移66.8 mm的39%，说明基坑A开挖时东侧已施工完的基坑B部分地连墙对这一侧的地连墙变形有较好的约束作用。

根据图11的变形曲线选取地连墙水平位移较大的16 m深度处测点得到地连墙水平位移随开挖天数的变化曲线(图12和图13)。从图中可以看出：

1) 开挖第98~118 d时为北端底3层土方开挖，ACX-9水平位移增量为11.1 mm，占最终水平位移的42%；开挖第119~131 d时为南端底2层土方开挖，ACX-1水平位移增量为14.1 mm，占最终水平位移的62%，BCX-1在开挖至第34 d(南端见底)时水平位移达到16.0 mm为最终水平位移的87%，这说明地连墙水平位移的变化不仅与开挖深度有关，还与开挖位置有关，体现了较强的空间效应。

(a) ACX-1~8变形曲线；(b) ACX-9~16变形曲线；(c) BCX-1~9变形曲线；(d) BCX-10~16变形曲线

图12 基坑A测点变化曲线(深度16 m)

图13 基坑B测点变化曲线(深度16 m)

2) 对于基坑长边上的测点，可以看出第1层土方开挖时各测点水平位移仅有最终水平位移的0.6%~10%。随着开挖深度的增加地连墙水平位移变形速度增大：基坑A第3层土开挖完时长边测点水平位移占最终水平位移的74%~76%；基坑B第4层土开挖完时长边测点水平位移占最终水平位移的84%~95%。而底层土方开挖时位移增加速度减小。

考虑到其他深度的测点位移变化，取测点ACX-6，ACX-12和BCX-6绘制整个深度地连墙水平位移随随时间变化图(图14)，可以看出在开挖进行至底层时，最大水平位移位置不再向下发展，整个深度的地连墙水平位移增加减缓。这是因为开挖底层时，人工开挖代替了机器开挖，对基坑的扰动大大减小，同时支撑基本设置完毕，且混凝土底板也开始浇筑，支撑刚度与底板的自重降低了开挖引起的水平位移。

(a) ACX-6测点水平位移变化；(b) ACX-12测点水平位移变化；(c) BCX-6测点水平位移变化

3.3 支撑轴力的时空效应分析

图15为基坑A测点不同开挖时间下的支撑轴力，图16为基坑B测点不同开挖时间下的支撑轴力。通过图15和图16可以看出：

1) 图15(a)和图16(a)分别为基坑A和基坑B第1层土方开挖完毕时的测点轴力，可以看出两基坑开挖顺序不同，但在轴力的分布上却都为砼支撑轴力大于钢支撑轴力，砼支撑轴力中间大，两侧小，第1层钢支撑轴力南侧略大于北侧。

2) 图15(b)中基坑A第2层钢支撑轴力除AZg1-3外，其余的为中间测点最大，两侧小。南端的AZg1-3轴力偏大，是因为此时基坑A南段土方开始开挖，而第3层钢支撑还未及时搭设，未受支撑的地连墙变形增大导致了轴力的偏大。

3) 图16(b)中基坑B第2层钢支撑轴力却是两侧大，中间小，这是由于基坑B是两边向中间放坡开挖的方式，基坑B开挖至第24 d第2层土方中间部分的土方还未开挖，故中间部位的钢支撑轴力较小，显然这体现了轴力变化的空间效应。

4) 图15(c)中基坑A第3层土已开挖完毕，第3层钢支撑轴力分布为中间大，两侧小。图16(c)中基坑B正在开挖第3层土的中间部分，第4层土的两侧已开挖部分，故在轴力分布上第2，3层钢支撑两侧轴力略大于中间。

5) 图15(d)中第4层钢支撑的轴力为北侧略大于南侧，这是因为此时基坑A北端开挖深度大于南端。而在图16(d)中基坑B土方已全部开挖完，可以发现基坑B北侧深度大于南侧，但北侧比南侧多设置一层支撑，故南北两侧的支撑轴力分布均匀。

综上，从图15和图16各测点的支撑轴力可以看出，土体开挖时，离土体开挖距离越近的支撑轴力所受影响越大。随着基坑的开挖每一层的支撑轴力都在趋向平均分布，这说明此相连深基坑的支撑布置是较为合理的。

(a) 开挖第32 d；(b) 开挖第72 d；(c) 开挖第97 d；(d) 开挖第135 d

(a) 开挖第10 d；(b) 开挖第24 d；(c) 开挖第38 d；(d) 开挖第70 d

4 2基坑同时开挖有限元计算

为了探究2个基坑同时开挖对相连深基坑变形的影响，利用岩土有限元软件PLAXIS，对明楼站

相连深基坑2个坑同时开挖的情况进行有限元模拟计算。计算模型选取明楼站相连深基坑1~9轴标准段剖面。有限元模型如图17所示。在有限元的开挖模拟过程中，分2基坑开挖速度相同与基坑A开挖速度大于基坑B 2种情况考虑。

图17 深基坑有限元模型

有限元计算结果中，同时开挖与2基坑单独开挖主要的不同之处在于地连墙的变形。图18为2基坑同时开挖至15 m深度时地连墙的水平位移，可以看出，两侧地连墙产生了较大的水平位移，而中间地连墙几乎未产生水平位移；图19为速度不同时基坑A开挖至15 m，基坑B开挖至13 m时地连墙水平位移，可以看出，当两侧的开挖速度不同步时，中间地连墙产生了18.8 mm的水平位移，且向基坑开挖深度深的一侧变形。

图18 相同开挖速度下地连墙的水平位移

图19 不同开挖速度下地连墙的水平位移

故通过有限元计算，对相连2基坑同时开挖的情况作出以下讨论：

1) 显然，相对于2基坑分别单独开挖，同时开挖能大大减少工期。

2) 2基坑同时开挖关键在于中间部分地连墙的变形控制，有限元计算中，可以做到2基坑每一步开挖深度都相同，从而保持中间地连墙受力平衡不产生变形。但在实际的施工情况下，基坑为空间形状，且基坑的开挖速度受各种因素的影响，要做到2基坑的开挖深度同步，对施工要求极高。若两侧开挖速度不同，中间地连墙就会产生变形，且有限元计算并未完全模拟施工现场各类因素的影响，中间地连墙的变形可能比计算值更大。

3) 在实际施工中若进行2基坑同时开挖，则会面临许多挑战，如2基坑内开挖机械的交叉作业、现场施工场地的布置、钢支撑的吊装、投入的人力与物力增加等。

5 结论

1) 在宁波软土地层地质条件差的情况下，明楼站基坑采用的分层、分块开挖方式使基坑变形得到了较好的控制。基坑B采用的两端向中间放坡开挖的方式，在控制变形的情况下，还提高了开挖速度。说明此相连深基坑所采用的施工工序、施工工艺对同类型深基坑有较好的参考价值。

2) 相连深基坑工程不同于一般的深基坑工程：2个相连的深基坑分别开挖，需要检测的点不同，要进行2次监测点的布设；基坑开挖时已建成的地连墙或已封顶的结构这一侧的地表沉降和地连墙变形都比较小，说明已建成的地连墙和基坑结构对基坑变形有较好的约束作用。

3) 相连深基坑开挖过程时空效应明显。地表沉降、地连墙水平位移、支撑轴力随着开挖深度的增加而增加，深层土方开挖时增加速度大于浅层土方开挖，并且土方开挖对相应位置的基坑变形影响最大。基坑地表沉降与地连墙水平位移空间分布为长边大，端头小。支撑轴力的空间分布与基坑土方开挖顺序有关，但随基坑开挖至底支撑轴力分布趋向均匀。

4)采用有限元软件对相连深基坑同时开挖的情况进行了计算模拟，2基坑同时开挖的情况下，中间部位地连墙的变形控制是重点，这对施工工艺、施工组织的要求较高，本文在此部分仅对计算结果进行了简单讨论，未进行更加深入的探究。后续研究可围绕如何对相连深基坑的施工进行优化展开。

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Analysis on time-space effect of excavation construction of adjacent deep foundation pit in Ningbo soft soil area

WU Bo1, 2, PENG Yiyong1, 2, MENG Guowang1, 2, PU Songquan3

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education, Guangxi University, Nanning 530004, China;3. China Railway No.10 Engineering Group Co., Ltd, Jinan 250101, China)

The deformation during the construction period of the soft-soil deep foundation pit has obvious space-time effect. In the engineering background of the adjacent deep foundation in Ningbo soft soil area, the study about the time-space effect of deep foundation pit excavation in soft soil area was conducted. Based on the monitoring data of the surface settlement, horizontal displacement of diaphragm wall and the supporting axial force during the construction period of the foundation pit, an analysis was conducted on the influences of some factors such as construction process and excavation depth on the foundation pit structure and soil at different locations. The results show that the finished diaphragm wall or the capped station structure will constrain the ground settlement and the horizontal displacement of the diaphragm wall. The surface settlement and the horizontal displacement of diaphragm wall of the long side of the foundation pit is larger than that at the end. These two deformation values have obvious depth effect, that is, the value of deformation increases faster with the excavation depth increases. The changes in the support axial force is mainly affected by the position of the excavated soil. The closer the soil excavation is, the greater the axial force of the support is. If two foundation pits are excavated at the same time, controlling the deformation of the middle part of the connecting wall will be the key point, and the construction safety will also face great challenges.

deep foundation excavation; soft soil; time-space effect; monitoring

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190221

TU470

A

1672 - 7029(2020)01 - 0082 - 13

2019-03-25

国家自然科学基金资助项目(51678164)；广西自然科学基金资助项目(2018GXNSFDA138009)；广西科技计划项目(桂科AD18126011)；广西特聘专家专项资金资助项目(20161103)

吴波(1971-)，男，四川阆中人，教授，博士，从事隧道及地下工程方向的教学与研究工作；E-mail：840779322@qq.com

(编辑 涂鹏)