狭小空间条件下基坑开挖对周边环境的影响分析

颜 超

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

在软土地层进行基坑开挖，对周边环境影响很大，因此对基坑的变形进行控制至关重要。随着基坑开挖过程的进行，周边土体有向土体卸载方向滑移的趋势，因而导致周边地表产生沉降、坑底产生隆起、坑壁产生水平变形。因此，为明确基坑开挖对周边工程环境的影响，需采用平面有限元的方法，结合设计、施工的工况，对基坑开挖过程进行模拟分析，以事先掌握周边环境随施工进展的变化趋势和发展规律，进而采取合理有效的控制措施[1-2]。

本文以上海市某住宅楼基坑工程为例，应用大型有限元软件Plaxis-2D分析了在基坑最不利剖面情况下，基坑开挖对周边环境的影响。

1 工程概况

某住宅楼工程位于上海市金山区枫泾镇，分为北地块和南地块2个部分。工程主要为19栋预制剪力墙结构的5层叠墅，10栋预制剪力墙结构的11～17层公寓、安置房及保障房，3层公建，1～2层地下室和变电站等建筑。

2 周边环境

场地南至枫兰路，与中冶·枫郡隔路相望；东至泾波路-泾竹路，距在建桃园名庭约50 m；西至陈家湾港，对岸为朱枫公路；北至枫沛路（图1）。杨家娄河从本工程南北2个地块中间穿过。陈家湾港、杨家娄河均为已整治河道。泾波路、枫兰路为城市次干道，下设有较多的城市管网。场地周边环境比较复杂，对环境保护要求比较高，因此需通过有限元模拟，对周边环境的附加变形进行预测分析。

图1 周边环境示意

3 工程地质条件

本场地为湖沼平原I1区地貌，土层主要由①1杂填土、①2素填土、①3浜底淤泥、②粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、③t砂质粉土、③3黏土等组成。其中：①3浜底淤泥（浜填土）呈流塑状态，易产生蠕变和剪切破坏；③t砂质粉土在动水作用下有发生流砂管涌的可能，对本工程基坑开挖不利。

场地浅部地下水属于潜水，低水位埋深在地表下1.5 m，高水位在地表下0.3 m。根据地勘资料，场地地下水与陈家湾港、杨家娄河无明显水力联系。

4 基坑概况

4.1 基坑工程特点

1）基坑面积大。本工程北地块基坑面积16 700 m2，南地块基坑面积47 700 m2。大面积、长时间敞开式开挖使围护结构变形增大，时空效应对环境影响显著。

2）围护用地空间小。围护可用场地宽仅约3.2 m，给围护施工带来一定限制。

3）市政管网密布。基坑南侧紧贴红线内外分布有大量井口，且其中部分为总管。

4）地质条件复杂。土层层面起伏变化较大，土质不均，局部填土较厚，浅层有暗浜、粉性土揭露，深层存在承压含水层。

4.2 围护结构选型

根据上述基坑工程的特点，并结合以往类似工程的设计经验，对2个地块分别选用了如下围护结构：

1）北地块地下1层基坑宽约139 m，普遍区域开挖深度5.5 m，采用“椅子式”水泥土重力式内插型钢围护；地下2层基坑宽约60 m，普遍区域开挖深度9.3 m，采用钻孔灌注桩结合2道钢筋混凝土水平支撑围护。

2）南地块地下1层基坑宽约240 m，普遍区域开挖深度5.0 m，采用“椅子式”水泥土重力式内插型钢（东部、南部2个区域内插双排桩）围护；地下2层基坑宽约103 m，普遍区域开挖深度8.8 m，采用钻孔灌注桩结合2道钢筋混凝土水平支撑围护。

5 有限元模型建立

5.1 土体本构

在对本项目进行有限元分析时，土体的本构采用适用于基坑开挖的Hardening-Soil（硬化土，简称HS）模型。HS模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型土体行为的模型，可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则[3-4]。

在参数方面，考虑了3种应变参数[5]：主偏量加载引起土体塑性应变的参考割线刚度模量、主压缩引起土体塑性应变的参考切线刚度模量以及弹性卸载/重加载的卸荷模量。

5.2 分析剖面

结合周边环境的情况及相关管理单位的保护要求，在进行有限元数值模拟时，应选取最不利剖面对周边环境进行分析。本项目对2个地块分别选取的剖面如下（图2）：北地块选取1个剖面，为基坑西侧靠近河道驳岸重力坝区域（A-A剖面）；南地块选取2个剖面，为基坑南侧靠近管道重力坝区域（B-B剖面）、基坑东侧地下2层靠近管道钻孔灌注桩区域（C-C剖面）。

图2 分析剖面位置示意

5.3 模型建立

为了避免模型边界对计算结果的影响，相关剖面外的计算宽度取值不小于基坑开挖深度的7倍（图3），即：A-A剖面外计算宽度约45 m，计算深度取坑底以下55 m；B-B剖面外计算宽度约45 m，计算深度取坑底以下50 m；C-C剖面外计算宽度约60 m，计算深度取坑底以下60 m。坑外地表超载均为20 kPa。

图3 各剖面有限元模型示意

土体及水泥土搅拌桩采用平面应变15节点二维等参单元，型钢、钻孔灌注桩及周边构筑物采用板单元模拟，支撑采用锚定杆单元来模拟。

其中：A-A剖面重力坝深度为12 m，采用700 mm×300 mm的H型钢，长为11.5 m；B-B剖面重力坝深度为11 m，双排桩采用桩长为12 m的φ700 mm@2 000 mm钻孔灌注桩，中间采用700 mm×600 mm的钢筋混凝土连梁；C-C剖面采用桩长为18.5 m的φ800 mm@1 000 mm钻孔灌注桩，第1道C30支撑截面尺寸为1 000 mm×700 mm，第2道C35支撑截面尺寸为1 200 mm×800 mm。模型边界条件采用标准边界，即模型底部限制水平和竖向位移，两侧限制水平位移。

6 有限元模型分析

6.1 基坑开挖过程工况

Plaxis-2D软件通过“单元杀死”来模拟施工工况，从而实现基坑开挖的全过程。各剖面的基坑开挖全过程分别为：A-A剖面工况1激活周边荷载，工况2施工重力坝、插入型钢，工况3基坑开挖至底；B-B剖面工况1激活周边荷载，工况2激活管线、“杀死”管内土体，工况3施工重力坝，工况4施工双排桩，工况5基坑开挖至底；C-C剖面工况1激活周边荷载，工况2激活管线、“杀死”管内土体，工况3施工钻孔灌注桩，工况4基坑开挖至第1道支撑底并设置第1道支撑，工况5基坑开挖至第2道支撑底并设置第2道支撑，工况6基坑开挖至底。

6.2 基坑开挖结果分析

一般情况下，当基坑开挖至设计标高时，坑内土体的卸荷量以及临空面达到最大，此时围护结构体系将承受周边附加荷载以及水土压力所产生的最大侧向荷载作用，因此在最不利工况下对围护结构进行分析至关重要。

通过有限元分析，可以得到各剖面在最不利状态下围护结构的水平位移和坑内土体的垂直位移。各剖面的位移极值如表1所示。

表1 各剖面最不利工况下位移极值汇总

通过有限元分析可得到以下结论：

1）“椅子式”水泥土重力式内插型钢围护和内插双排桩围护，围护结构水平位移最大处在顶部，并且随着开挖深度逐渐减小。

2）钻孔灌注桩结合2道钢筋混凝土水平支撑围护，围护结构水平位移最大处在坑底附近，并向桩两侧逐渐减小，形似“正态分布曲线”。

3）“椅子式”水泥土重力式围护比水泥土重力式围护更能够有效地控制围护结构的侧向位移，减小围护结构的用地空间。

4）坑底土体隆起较大，在实际施工的过程中要控制坑底变形，以便保证基坑的安全。

总体上来说，3种围护结构的最大侧移均在基坑设计规范要求的变形范围内，说明能够有效地控制基坑变形。

6.3 周边构筑物结果分析

通过进行有限元模型分析，不仅能够有效地反映围护结构的变形及受力情况，而且能够反映基坑开挖对周边建（构）筑物的影响。各剖面周边构筑物的位移极值如表2所示。

表2 各剖面最不利工况下周边构筑物位移极值

通过有限元分析，3种围护结构在基坑开挖的过程中对周边的建（构）筑物影响均较小，满足规范规定的环境保护要求；河道驳岸和管线在基坑土体卸载的情况下，均往基坑内侧的方向发生位移，进一步反映了本模型分析的合理性。

7 结语

本文依据上海市某住宅楼项目，结合大型有限元软件Plaxis-2D数值模拟基坑开挖对周边环境的影响，得出如下结论：

1）Plaxis-2D采用HS本构模型能够很好地反映土体的实际状况，并且可得到合乎规范要求的理想结果。

2）在狭小施工空间和复杂的周边环境条件下，采用“椅子式”水泥土重力式围护比常规的水泥土重力式围护更能有效节约围护结构的施工空间，从而满足红线要求。

3）在“椅子式”水泥土重力式围护中插入型钢或者双排桩，能够降低基坑开挖对周边环境的影响，从而起到保护作用。