复杂填海地层相邻超大深基坑开挖相互影响稳定性分析

文仁学，周子寒 ，汪 波，刘锦超，喻 伟，陈子全

(1.中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518000；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

随着我国城镇化率不断提高，为满足人们对城市多功能的迫切需求，城市内土建工程密集分布，高层建筑、市政工程等基坑修筑朝着超深、超宽、超长、超近的方向发展。但城市可容纳的建筑物密度并非无限大，沿海城市通过填海造陆的方式开发土地的做法在上个世纪末就开始兴起，而在填海地层且多基坑近接环境下修筑超大基坑对围护结构的稳定性提出了更高的要求[1-4]。

国内外对临海环境修建基坑开展了丰富的研究，应宏伟[5]等对临海粉质黏土基坑在波浪作用下超孔压变化的情况进行了研究，着重探讨了振荡超孔压和累积超孔压的响应规律；杨建学[6]等通过某邻海深基坑工程冲孔咬合桩现场施工监测数据，研究了咬合桩在近海环境下结构受力等问题；唐军[7]分析了临海砂层基坑隔水帷幕实施效果，对水位变化时的隔水效果进行了探讨；杨迎晓[8]等选取钱塘江土海塘、砼海塘部分地质区段，研究了离江距离、围护结构嵌固深度等因素对基坑安全性的影响。在对超大基坑围护结构研究方面[9-10]，陈保国[11]等从深大基坑围护体系协调变形的角度出发，考虑多因素下支护体系调节规律。

同时在超大基坑近接既有结构物，或多基坑邻近等方面，LEE[12]等分析了基坑开挖长深比例、围护系统结构刚度、软土深度等因素与开挖空间效应的相关性；杨庆光[13]等基于叠加原理得出围护体系变形模式和计算公式，讨论了基坑围护体系侧向位移导致外部土体变形的规律；韩健勇[14]等研究了深基坑开挖与邻近浅基础建筑物相互力学响应规律。

以往大多数研究针对临海复杂地质环境或基坑近接建筑物的力学行为等单一方面开展，但对于填海软弱土层近接多个既有基坑环境下新建超大基坑相互力学影响效应的研究还鲜有报道。本文以深圳滨海大道综合改造工程为依托，通过地勘和设计资料建立近接基坑三维数值模型，分析了填海地层超大基坑分层开挖力学行为演变规律，重点探讨了双基坑近接距离、地连墙嵌固深度、开挖深度等因素对多基坑变形控制影响规律。研究结论可为类似工程提供重要的指导意义。

1 工程概要

滨海大道位于深圳特区西南面的深圳湾畔，现今这条交通大动脉已经出现流量瓶颈。滨海大道交通综合改造工程，如图1所示，西起沙河东路立交以西，东至滨海大道竹子林立交附近，其中主线下沉隧道采用明挖法施工，深基坑开挖长度达1 560 m，最大宽度达100 m，最大开挖深度约34.8 m，面积15万m2，属典型的超长、超宽深基坑工程。

图1 深圳滨海大道综合改造工程概况Figure 1 Overview of shenzhen binhai avenue comprehensive reconstruction project

1.1 工程地质条件

图2 地质剖面图Figure 2 Geological profile

1.2 近接基坑分布

深圳滨海大道下沉段明挖隧道基坑晚于旁侧基坑开挖，主要近接的在建超大基坑包括中信基坑和招商基坑(如图1所示)，其中中信基坑面积约5.9万m2，深度约17.5 m；招商基坑面积约3.4万m2，深度约28 m。滨海大道基坑与近接基坑间距由24～28 m不等。

1.3 围护结构概况

以最不利工况计算分析近接在建基坑分层开挖支护力学演变，选取间距最近的24 m断面开展研究，如图3所示。其中左侧近接基坑开挖深度28 m，围护结构采用(D1200@1400旋挖桩， 嵌固深度约4 m)+(5×7φ5@1.4 m预应力锚索，L=25 m， 锚固段20 m，预应力400 kN)；右侧滨海大道基坑开挖深度13 m，其中坑中坑7 m，最大开挖深度20 m，宽度方向约73 m，地下连续墙厚度800～1 000 m，嵌固深度为8～8.5 m，共有5道支撑结构，其中第1、2、3道为钢筋混凝土支撑(900 mm×900 mm)，竖向及纵向由钢筋混凝土梁或桩连接，第4、5道为钢支撑(φ800，t=20)。

图3 最不利工况横断面示意图Figure 3 Schematic diagram of the most unfavorable working condition

2 数值模型及计算参数

2.1 三维数值模型

滨海大道基坑沿道路纵向约1 600 m，建立整个基坑模型讨论局部开挖力学问题显然是不必要的，因此仅建立局部精细模型进行分析。如图4所示，模型横向150 m，深50 m，沿道路纵向考虑2列支撑结构取16 m。在Flac 3D有限差分软件中按照围护结构及基坑尺寸建立好模型后，划分出189 852个较为精密的网格单元，其中土体及围护支撑结构采用实体单元建立，锚索通过结构单元Cable建立。需要说明的是，近接基坑沿横向约300 m，因此仅截取重点区域进行计算。

图4 三维数值模型图Figure 4 3D numerical model diagram

2.2 计算参数

滨海大道地层在原90年代海岸淤泥层的基础上通过填土形成，因此地层物理力学参数较普通基坑更为软弱，基于地勘资料对模型赋予地层物理力学参数如表1所示，各地层设置为Mohr-Coulomb塑性模型。

表1 地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of formation密度/(kg·m-3)变形模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比填土1 880 1512150.26填砂1 910240240.23淤泥1 6403.5930.42黏土1 9401718120.32全风化粗粒花岗岩1 8606530280.29土状强风化粗粒花岗岩1 90016038300.28钢筋混凝土2 50022 000 — —0.3钢支撑7 800200 000 — —0.3

3 分层开挖双基坑的相互影响

首先对旁侧近接基坑进行开挖支护，并求解出应力状态后实现位移清零，再进行滨海大道基坑的开挖支护计算。基于现场实际开挖支护方案，将滨海大道基坑分层开挖数值计算分为7个工序，见表2。

表2 开挖支撑方案Table 2 Excavation support scheme施工步序开挖深度/m支撑形式工序11.4第1道砼支撑工序24.5第2道砼支撑工序34第3道砼支撑工序43.1—工序5(坑中坑)2.4第4道钢支撑工序6(坑中坑)2.4第5道钢支撑工序7(坑中坑)2.2—

3.1 位移演变规律

由于篇幅限制，位移和应力云图仅给出工序7的结果。从位移云图上分析地层整体位移情况，如图5所示。左侧土体水平位移为正，右侧土体水平位移为负，地层整体呈现两侧朝中间水平移动的规律，同时坑角处位移量值较大。竖向位移在模型两侧随深度沉降量逐渐减小，同时能够明显观察到滨海基坑坑底一定范围内地层隆起。地层位移云图符合基坑开挖宏观规律，侧面验证了数值计算结果的可靠性。下面重点分析分层开挖基坑重点区域的位移演变规律。

3.1.1近接基坑侧移

由于滨海大道基坑晚于旁侧近接基坑施工，因此基坑开挖对旁侧基坑的稳定性影响必须控制在合理范围之内。图6为左侧近接基坑围护结构水平侧移随滨海基坑施工工序的变化情况，从图中可知，近接基坑围护结构呈现出上下两侧朝相反方向位移的情况。围护结构近地表段位移为负，朝坑内发生侧移；而距地表更深处位移逐渐为正并随深度增大，表明朝坑外发生侧移。这与典型的悬臂型变形方式所不同，表明右侧新建基坑的开挖使围护结构变形类型表现为反弯型。

(a) 水平方向位移云图

(b) 竖直方向位移云图

从位移数值上看，工序1到工序7，坑顶坑内侧移量由-18.1 mm逐渐降低至约-11 mm，变化幅度7.1 mm；坑底坑外侧移量由1.6 mm增大至8.8 mm，变化幅度7.2 mm。显而易见，近接基坑围护结构持续朝着开挖卸荷侧移动，这是由于新建基坑的开挖卸荷作用使右侧对围护结构提供的支撑反力减小，因此围护结构整体朝着坑外方向发展。图5中位移曲线在工序4与工序5之间有明显的分层现象，一方面随着坑中坑开始施作，围护结构继续朝着滨海基坑方向侧移，另一方面工序5、6、7位移曲线几乎重合，说明坑中坑继续开挖对近接基坑侧移的影响逐渐消失。

图6 近接基坑围护结构侧移图Figure 6 Side shift diagram of the adjacent foundation pit’s retaining structure

因此总结来看，旁侧近接基坑围护结构受新建基坑开挖影响的侧移发展是多方位的，坑顶发生朝向坑内的侧移，坑底由于卸荷效应朝坑外侧移，围护结构整体随开挖深度的增加朝开挖侧侧移。

3.1.2滨海基坑侧移

图7为滨海基坑不同工序下的侧壁位移图。总体而言，左、右两侧壁分布规律较为一致，呈现出中间大，两侧小的规律，为内凸式，这与第一道砼支撑位于坑顶位置有关，其对坑顶水平侧移起到了良好的限制作用。随开挖深度的增大，侧移量也逐渐增大，左侧壁水平位移整体为正，右侧壁水平位移整体为负，两侧壁均朝向坑内方向发生侧移。同时，两侧壁在前4个工序位移曲线间距较远，后4个工序位移曲线近乎重合，说明坑中坑的开挖对侧壁位移的影响不明显。

与此同时，两侧壁也表现出了明显的差异性。左侧壁坑内最大侧移发生在距地表-20 m位置处，为35.3 mm；右侧最大侧移在距地表-16 m位置处，为22.4 mm，左侧比右侧最大侧移量多出了约58%，这是由于近接基坑空间效应的影响，地层总的黏聚力降低，两基坑间隔内的土层不稳定性加剧。从图7(a)中可以发现，位移曲线在达到最大值后大幅度下降，该处距地表-20 m，与左侧壁嵌固深度刚好吻合；而在距地表-24～-28 m处位移曲线开始收敛，刚好约为左侧近接基坑的开挖深度。由此可知，近接基坑对滨海基坑侧壁影响范围等于自身开挖深度，其中在约0.86H范围内影响最为明显。

3.1.3地表位移

图8列出了左、右侧地表竖向位移分布。距基坑较近位置处地表存在隆起现象，这与第一道砼支撑有关，对比位移云图可知，滨海基坑两侧壁有整体向坑内倾斜的趋势，而内撑结构提供的反作用力正好反向朝上，因此在近基坑侧一定范围内造成隆起而非沉降现象。

(a) 基坑左侧侧移

(b) 基坑右侧侧移

(a) 基坑左侧地表位移

(b) 基坑右侧地表位移

左侧地表在距滨海基坑14 m处沉降量最大，靠近于深基坑，该距离正好约等于左侧壁开挖深度13 m，是近接基坑开挖深度28 m的一半。右侧壁地表沉降在距基坑20 m处达到最大值，该值与右侧开挖深度吻合。

3.2 应力状态演变规律

如图9所示，竖向应力状态基本符合受重力而层状分布的特点，受基坑开挖影响，在局部区域有一定的应力释放。σx应力云图由于内撑结构与地层单元差值较大，因此图9(b)仅给出地层单元应力状态。σx在坑角位置处有一定的起伏，并存在应力集中现象。

(a) σz应力云图

(b) σx应力云图

由于本文数值计算采用实体单元建立支撑结构，因此仅讨论σx的分布情况。表3列出了工序7各道支撑σx的最大值，应力分布如图10所示。第2、3道砼支撑是上部基坑的主要承载结构，第1道砼支撑受力较小，约为第2、3道的28%，这是由于第1道砼支撑距地表太近导致的其承载有限。由此可见，第1道支撑结构虽有效约束了坑顶侧移，但对荷载的分担比例较小。因此第1道支撑

表3 工序7各道支撑σx最大值Table 3 The maximumσxvalue of each process in step 7施工步序σx最大值/MPa第1道砼支撑-1.5第2道砼支撑-5.3第3道砼支撑-5.2第4道钢支撑-22.7第5道钢支撑-19.1

的合理布置可在约束位移的同时，更好发挥结构的承载能力。第4、5道钢支撑应力值较大，这与采用钢结构截面面积较小有关。

图10 滨海大道基坑内撑σx应力云图Figure 10 Inner bracing’s σxcloud diagram of Binhai Avenue foundation pit

4 双基坑变形影响因素分析

4.1 双基坑间距的影响

滨海大道下沉隧道基坑工程实际最短的两相邻基坑间距为24 m，是左侧近接基坑的0.9H，同时是右侧滨海基坑的1.8H，按照前一节的研究可知，超近双基坑开挖的力学扰动较普通情况更为复杂，因此双基坑近接问题的核心影响因素应当是间距的大小。以下通过更改双基坑间距工况，进一步讨论地表和围护结构位移变化规律。

依据各工况计算结果，均考虑工序7时的最大位移，统计结果见表4。为方便讨论，以下间距均以与滨海基坑开挖深度13 m的倍数关系表述。由表可知，间距为滨海基坑的约3H以上时，地表沉降量值较小，为-7.2～-7.7 mm。间距为3H～2H时，沉降量明显增大，增幅28.6%，因此两基坑间距小于浅基坑3H或深基坑1.3H，应适当加强围护结构强度。同时，间隔为12 m时(约1H)，地表不发生沉降而是整体受支撑结构压力作用发生隆起，地层不稳定性加剧。基于左侧基坑围护结构朝右侧新建基坑方向整体发生侧移的现象，表4中可以发现朝X方向的侧移量最大值随间距的减小而增大，间距1H时侧移量是间距3H的2.7倍。间距大于2H时，侧移量变化不大，而间距小于2H，侧移量有所减小。

表4 不同间距最大位移量Table 4 Maximum displacement at different pitches工况地表沉降/mm近接基坑侧移/mm滨海基坑侧移/mm左侧无基坑-7.7/25.1间距36 m /3 H-7.25.126间距24 m /2 H-9.97.725.7间距12 m /1 H21.513.724.3

4.2 滨海基坑地连墙嵌固深度的影响

新建基坑地连墙嵌固深度的取值同样对地层、围护结构受力、位移控制意义重大，通过设置滨海基坑左侧地连墙不同嵌固深度，分析该因素对整体位移影响。图11为5种不同嵌固深度工况下地表、侧壁最大位移量，图中地表沉降及近接基坑侧移对右侧基坑嵌固深度变化敏感程度较小，位移量几乎不变；同时，嵌固深度的改变对自身侧移影响较大，随着嵌固深度的增大而减小。嵌固深度为0.3H～0.5H,以及0.6H～0.8H时，是2个明显的位移量下降台阶，嵌固深度6 m时侧移控制效果与嵌固深度8 m时差异不大，考虑到设置一定的安全储备，原设计方案选择8 m的嵌固深度是合理的。

图11 不同嵌固深度最大位移量Figure 11 Maximum displacement at different embedding depths

4.3 滨海基坑开挖深度的影响

为研究滨海基坑不同开挖深度的影响，共设计了3种工况，计算结果如表5所示。开挖深度对地层位移的影响较大，随着开挖深度的增大，位移量持续增加。开挖深度由13 m增加至28 m时，位移增幅较大，而开挖深度由28 m继续增加至42 m时增幅有所放缓。考虑到左侧近接基坑开挖深度正好为28 m，也就是说当右侧滨海基坑开挖至与左侧近接基坑相同深度时对位移的影响最大，尤其是地表的增幅最为明显，达到74%。

表5 滨海基坑不同开挖深度最大位移量Table 5 Maximum displacement of Binhai foundation pit at different excavation depths工况地表沉降/mm增幅/%近接基坑侧移/mm增幅/%滨海基坑侧移/mm增幅/%开挖深度13 m-9.9/7.7/25.7/开挖深度28 m-17.27410.94234.635开挖深度42 m-22.33014.83641.219

5 结论

a.先建旁侧近接基坑受后建滨海基坑开挖扰动影响，围护结构呈现反弯型变形模式。同时超近间距下，受开挖卸荷影响，近接基坑侧壁出现整体朝新建滨海基坑的方向移动的趋势。

b.左侧近接基坑的存在对右侧基坑侧移的影响范围约等于其开挖深度，在0.86H范围内影响最为明显，之后侧移开始收敛。

c.2基坑间距小于浅基坑3H或深基坑1.3H时，地层位移量明显增大；新建基坑地连墙嵌固深度为0.3H～0.5H，0.6H～0.8H时，侧移量下降明显；新建基坑开挖至与旁侧基坑深度一致时，位移增幅最大。