软土相邻基坑支护结构受力影响特征及机理研究

胡敏云，寿树德，袁 静2，张 勇，章圣众

(1.浙江工业大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310023；2.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310027)

随着我国城市化水平的推进，土地资源短缺的矛盾越发突出，地下空间开发利用也因进程的加快，出现越来越多的相邻基坑交叉施工相互作用的情况。但是由于相邻基坑交叉施工的相互影响规律尚未明确，工程设计仍缺乏科学指导，导致近几年相邻基坑施工引起的工程事故频发[1]。与独立基坑工程相比，相邻基坑的围护结构受力变形更为复杂[2-4]，因此对相邻基坑支护结构设计、基坑变形监测和控制措施等提出了新的要求[5]。基于上述工程实践需求，工程技术人员利用理论、工程实测与数值分析等手段开展了大量相邻基坑的研究。关于相邻基坑相互作用影响范围，陈小雨等[6]基于土体平面滑裂假定理论推导及有限元计算分析，确定相邻基坑相互影响范围大致为深基坑开挖深度的2倍；对于交叉施工的相邻基坑，较为常用的围护方式为桩、墙式挡土结构+多道水平支撑支护，但该类组合围护体系受力传递直接，对邻近基坑施工敏感且受力复杂多变。黄开勇[7]通过相邻基坑相邻区水平支护体系变形实测与数值分析发现：带支撑体系对邻近基坑卸载扰动敏感且直接，与独立基坑存在极大区别。赵永光[8]通过有限元模拟验证了基坑群交叉施工存在耦合效应，引起挡土结构受力变形增大，不利于基坑群整体稳定。丁智等[9-10]通过对杭州地区多个相邻基坑的实测分析发现：邻近基坑开挖会使得已有基坑水平支撑轴力出现短期骤减，这对相邻基坑开挖中如何通过支撑轴力判断基坑工作性状提出了新的问题。马平等[11]通过极限平衡法求解桩墙后主动土压力，结果发现：不论土体模型是否考虑土的黏聚力，其土压力均小于朗肯土的计算值，但王成华等[12]在有限土压力整合的综述中指出，有限土压力亦有可能大于朗肯土计算值。

由上述研究可知：相邻基坑交叉施工对支撑式围护结构的变形、支撑轴力及墙后土压力均有影响，但是三者变化关系还比较模糊，尚有一些问题需要澄清。主要问题包括：1) 相邻基坑施工引起基坑支护结构向坑内侧移变形是减小还是增加，这对合理评判基坑监测数据反映的基坑支护结构工作状态具有重要意义；2) 若支护结构的侧移变形减小(或增加)，则支护结构上作用的土压力值是降低还是增加，这对指导相邻基坑支护结构设计具有重要意义；3) 若支护结构的侧移变形减小(或增加)，带撑式支护体系中支撑轴力是降低还是增加，这对指导支撑体系的设计(包括钢支撑的预加力)有重要意义。为此，通过分析杭州地区某软土深基坑受其邻近的深窄隧道基坑交叉施工影响的监测数据，结合有限元数值模拟，研究相邻带支撑围护结构的受力变形及墙后土压力变化，以明确交叉施工对围护结构变形与受力的影响特点，为今后类似基坑工程的设计和施工监测提供参考。

1 相邻基坑开挖工程实例

1.1 工程概况

某基坑工程位于杭州市拱墅区，工程西临已建城市道路，交通比较繁忙；北侧为已建多层住宅，采用浅基础；东临待建地铁车站；南侧紧邻同期施工的快速路隧道明挖基坑。主体基坑大体呈矩形，南北长214 m，东西宽180 m。坑底最大挖深按承台垫层底计算为16.2 m，普遍挖深15 m。南侧同期开挖的快速路隧道基坑与主体基坑间距5～13 m，最大开挖深度为25 m。相邻基坑围护结构平面布置及相邻段支护剖面图如图1所示。

图1 基坑平面布置与支护结构剖面图Fig.1 Foundation pit layout and supporting structure section

主体基坑南侧采用双排钻孔灌注桩挡土，内排桩直径D=1.0 m，桩间距d=1.4 m，桩长L=40 m；外排桩D=0.8 m，桩间距d=0.6 m，桩长L=32 m；内外双排桩中心距1.025 m。主体基坑坑内四周设置3 道水平角砼支撑，并在长边中部架设支撑板带以增加支护体系的整体刚度，坑底被动区采用水泥搅拌桩进行加固。

南侧快速路隧道(下文称“隧道基坑”)明挖基坑采用地下连续墙支护，地连墙厚1.2 m，深 47.05 m，设置6 道水平支撑，钢筋混凝土支撑与钢支撑交替架设，开挖到底部后铺设3 m厚的C20混凝土垫层以抑制坑底隆起。为减小相邻基坑交叉施工相互干扰，相邻区域隧道基坑地连墙两侧加设钻孔灌注桩，直径D=0.8 m，桩长L=28 m，桩间距d=1.0 m。

1.2 场地工程地质与水文地质

基坑开挖影响范围内的主要土层为淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土，场地上部地下水类别为潜水，地下水位常年埋深0.72～1.26 m，最大变幅不超过1 m。典型场地土层和地下水分布如图2所示。各土层物理力学参数如表1所列。

图2 典型工程地质剖面图示意图Fig.2 Typical engineering geological section

编号土层名称土层厚度/m土重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)1-1素填土0.817.610.012.01-2杂填土2.317.610.012.02黏质粉土0.618.415.027.44-1淤泥质土25.417.410.111.26-1淤泥黏土2.516.912.012.07粉质黏土3.919.225.219.910-1风化灰岩10.020.220.216.5

1.3 相邻基坑交叉施工工况

主体基坑先行开挖，工期较长，南侧隧道基坑后开挖，工期短，两基坑基本上同时开挖至各自坑底，两基坑底板浇筑同时期完成。施工工况如表2所示。

表2 施工工况表Table 2 Construction schedule

1.4 监测内容与监测点的选择

为了认识相邻基坑在交叉施工过程中的相互影响，选取主体基坑南侧相邻段的墙体位移(CX26)、支撑轴力(ZL6)和土压力(TY5)监测点的监测数据进行分析，并与非相邻段的对应监测点(CX31、ZL1和TY3)进行对比分析。监测点布置如图1(a)所示。

2 相邻基坑交叉施工过程监测分析

2.1 主体基坑支护结构变形分析

主体基坑桩体位移监测点CX31(非相邻区)和CX26(相邻区)的实测数据如图3所示。其中CX26测点所在位置处两基坑间距S=11.3 m，S/(H1+H2)≈1/4(H1和H2分别指主体基坑与隧道基坑最大挖深)。根据文献[13]对相邻强弱影响范围与开挖深度关系的研究，CX26测点处相邻基坑间的有限土体处于影响区域。

图3 主体基坑桩体位移变化趋势Fig.3 Variation trend of pile displacement in main foundation pit

由图3可知：无论是相邻区还是非相邻区，基坑支护结构的侧移大体上均随开挖深度的增加而增大，但是对比相邻区和非相邻区基坑围护结构侧移可以发现：1) 相邻区基坑围护结构侧移在第2层土方开挖过程中出现明显回弹现象，这时南侧隧道基坑(同期施工)开挖深度已超过主体基坑深度，说明相邻基坑开挖会引起支护结构侧移减小；2) 从支护结构最大位移发生位置来看，非相邻段支护结构最大侧移点发生在靠近坑底部位，而相邻区支护结构受相邻基坑开挖影响，其最大侧移点在开挖过程中向基坑顶部移动，在挖到坑底时，最大侧移点回落到坑底。图4给出了相邻段(CX26)与非相邻段(CX31)桩体最大位移量随施工变化的情况。

图4 桩体最大位移—工期关系图Fig.4 Relationship between maximum displacement of pile and construction period

由图4可知：非相邻段桩体(CX31)最大位移随着工期推进始终向坑内增加，而相邻侧桩体(CX26)受到邻近基坑开挖卸载影响，桩体的最大位移随工期推进出现增大或者减小的“反复”现象，邻近基坑开挖卸载会引起主体基坑相邻段挡土结构最大位移量减小。

2.2 主体基坑水平支撑轴力变化

主体基坑水平支撑轴力监测点ZL1和ZL6的监测结果如图5所示。其中ZL1为非相邻段，ZL6为相邻段，测点具体位置详见图1(a)。

图5 主体基坑支撑轴力变化Fig.5 Axial force variation of main foundation pit support

由图5(a)可知：非相邻区(ZL1)水平支撑的轴力随着工期推进大体呈增长趋势。图5(b)表明：相邻区(ZL6)的水平支撑轴力变化存在两个明显的“减小”段，可见相邻基坑交叉施工对水平支撑轴力发展亦会产生影响。支撑轴力的降低并非意味着安全，监测时应关注支撑轴力降低的量值，以免出现影响过大的情况。

2.3 墙后土压力分布

主体基坑土压力监测点TY3(非相邻区)和TY5(相邻区)的监测结果如图6所示，其中监测点位置及土压力盒的埋深见图1。由于监测数据在两相邻基坑底板浇筑完成后进行采集，未采集到开挖过程中土压力的变化。

图6 土压力分布Fig.6 Earth pressure distribution

由图6可知：在基坑开挖面往上，非相邻区(TY3)的主动土压力分布与朗肯土理论计算值比较接近，相邻区(TY5)受邻近基坑支撑和卸载的影响，土压力有所增加，依旧往主动方向发展。

3 相邻基坑交叉施工相互影响机理的有限元模拟分析

相邻基坑的监测数据表明：邻近基坑开挖与支撑架设虽然会引起主体基坑侧移量的减小、支撑轴力的减小和土压力的增加，但是其影响机理尚不明确，需要通过有限元数值模拟分析探求邻近施工影响下基坑支护结构受力变形之间的联系。

3.1 几何模型

根据工程概况及相应围护方案建立三维模型，并基于Plaxis 3D采用四面体结构单元进行有限元网格划分，建立模型如图7所示。模型X方向尺寸为650 m，Y方向尺寸为400 m，Z(深度)方向为70 m，模型边界按最大开挖深度的6倍取值，模型整体650 m×400 m×70 m，定义其足够大，忽略部分冗余静力小应变变形。模型共计33万网格数，地连墙插入土层强度大，设置水平位移约束，确保其不受误差影响。在模拟中主体基坑地连墙厚度可根据排桩间距与桩直径按等效刚度原则换算得到，但是考虑到实际工程中土、桩相互作用的影响，等效地连墙的有效抗弯刚度需折减，折减系数可取0.7～0.85[14-15]，本模型取0.7。

图7 网格划分图Fig.7 Mesh grid

主体基坑先行开挖，后主体基坑南侧与快速路隧道基坑同步开挖，主体基坑坑内分层分块开挖，南侧隧道分段开挖，主体基坑开挖至坑底且底板浇筑完成，隧道盾构才开始掘进，东侧地铁车站则与之先后开挖，具体开挖工况见表2(全工况模拟)。

3.2 土的本构模型与参数取值

基坑土层为杭州典型软土土层，开挖层主要为淤泥土层，选用HSS小应变硬化本构模型进行计算分析。土层模型参数取值见表3，部分参数取值参照HSS土体模型参数取值法及杭州软土参数取值经验[16-18]。

表3 HSS土层参数表Table 3 Parameters of HSS soil layer

支撑主要用梁单元模拟，混凝土支撑赋予混凝土C30强度特性，E=30 GPa，钢支撑赋予钢结构强度特性，E=210 GPa，主体基坑地下墙用板单元模拟，将灌注桩等效刚度转换取厚度为0.98 m，设为各向同性，坑内降水开挖。主体基坑西侧存在建筑物，用无重力楼板赋予浅基础属性模拟，老旧住宅则用建筑物筏板等效重度与面积模拟。

3.3 有限元计算结果分析

关于挡土墙变形，本研究仅给出主体基坑开挖至-12 m时相邻侧和非相邻测挡土结构位移的比较，结果如图8所示。此时隧道基坑开挖至-10 m，两基坑的支撑已经按工况架设，隧道基坑已经对主体基坑产生影响。由图8(b)可知：邻近隧道深基坑开挖会引起主体基坑相邻区挡土结构位移减小，这与实测所得影响规律相符合。

图8 数值模拟工程规律验证Fig.8 Verification of engineering law of numerical simulation

为了进一步明确相邻区挡土结构变形减小、水平支撑轴力减小的机理，需要考察土体位移场及支护结构上土压力的变化规律。

图9给出了相邻区和非相邻区墙后土体的位移场，位移场云图剖面选取位置详见图7标注。由图9(a)可知：独立的主体基坑开挖时，开挖面以上坑壁土体有向坑内滑落移动的趋势；对比图9(b)可知：受邻近隧道基坑开挖卸载影响，坑壁土体向主体基坑内移动的趋势减弱，且主要滑移区向基坑上部移动；而图9(c)则表明：随着邻近隧道基坑挖深的增加，当隧道基坑的挖深超过主体基坑以后，邻近区域有限土体位移出现向更深一侧基坑滑动的趋势，且主要滑移区集中在先开挖的主体基坑侧。

图9 有限土体位移场变化趋势Fig.9 Variation trend of finite soil displacement field

图10给出了相邻区域有限土体中不同深度(-4，-8，-12 m)测点土压力在相邻基坑交叉施工过程中的变化情况，计算面位置见图7(TY5)标注。由图10可知：有限土体间的土压力并不是单调变化的。受邻近基坑卸载影响，土压力会出现降低的现象，但这并不是墙体位移向主动侧发展引起的；开挖到坑底以后，有限土体土压力会上升，超过朗肯土压力，而这时两侧墙体都是向背离土体的方向移动的。因此，有限土体土压力随挡墙位移的变化规律与经典土压力理论是不符合的。图10中矩形区域表示相邻隧道基坑大幅度开挖卸土段。

图10 等深度有限土体土压力随挖深变化Fig.10 Variation of soil pressure with excavation depth in finite soil with equal depth

4 相邻基坑交叉施工相互影响特征与机理讨论

通过分析主体基坑与相邻隧道基坑在交叉施工工况下挡土结构位移的有限元可以发现：有限土体的位移场存在叠加影响区，位于基坑开挖面以上，结果如图11所示。

图11 相邻基坑水平支撑体系受力变形机理分析Fig.11 Analysis of deformation mechanism of horizontal bracing system of adjacent foundation pit

在叠加影响区内的土体滑移方向受两基坑开挖深度关系和开挖顺序而发生改变，因此叠加影响区的土体会受到严重扰动，甚至可在较小的位移下发生破坏，其对相邻支护结构受力与变形的影响表现如下：

1) 邻近基坑卸载会引起先开挖基坑支护结构的侧移向坑外回弹，同时挡墙最大位移点向基坑顶部移动，说明相邻基坑开挖会影响支护结构变形模式的转变。若变形模式改变，则支护结构侧移减小并不代表着支护结构受力向安全方向发展。

2) 邻近基坑开挖深度较小时，有限土体土压力因邻近基坑卸载而减小，相应的挡墙位移发生回弹；邻近基坑开挖深度超过已建基坑后，有限土体土压力会增加，挡墙背离土体的位移也增加。有限土体土压力与挡墙位移之间的变化关系与经典土压力理论不一致。

3) 相邻基坑卸载在引起挡墙位移回弹的同时也会引起支撑轴力的降低，而支撑轴力的下降并不代表支护结构的受力向安全方向发展，因此在存在相邻基坑情况下，支撑轴力的变化值得关注，当发现钢支撑轴力下降时，单纯补偿一侧基坑支撑轴力可能会引起相邻基坑的受力向不安全方向发展。

5 结 论

通过分析杭州市软土地区相邻深、大基坑交叉施工监测数据，揭示了基坑支护结构变形、支撑轴力和墙后土压力受邻近基坑开挖影响的变化特点，结合有限元模拟对相邻基坑相互影响机理进行探讨，得到的主要结论如下：1) 邻近基坑交叉施工会引起已建基坑支护结构侧移的反复变化，当支护结构侧移量减小时并不代表支护结构受力向安全方向发展，因此对基坑安全性的评价需结合邻近基坑相邻部位和本基坑非相邻段的监测情况作出综合判断；2) 相邻基坑卸载会引起已建基坑支撑轴力的降低，支撑轴力下降是否会引起基坑安全性的降低值得关注，因此对相邻基坑的支撑轴力监测不能单以最大值作为报警值；3) 有限土体土压力与挡墙位移之间的变化关系与经典土压力理论不一致，值得作进一步理论分析。

致谢：本课题研究得到浙江省建筑设计研究院、江苏南通三建集团第三建筑安装工程有限公司以及北京英蓝置业有限公司大力支持，在此一并表示感谢。