深厚软土区深大异形基坑开挖对临近建构筑物的影响

李 琳，李 彬，刘 东，韩 笑

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 城市规划与建筑院，武汉 430010； 2.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010)

1 研究背景

我国基础设施建设的不断深入，对城市地下空间的开发利用提出了更高的要求。一方面基坑工程呈现出规模大、开挖深、平面布置约束性强等特点；另一方面，在既有建构筑物密集的城市中安全、经济、高效地开展地下空间开发，是建设、设计和施工等各方面临的新难题。特别是进一步叠加深厚软基、地下水条件等复杂不利工程地质条件后，城市深大基坑施工对临近建构筑物的影响更要引起足够的重视。

从缓解城市空间资源压力的角度，金乐文等[1]调研和分析了软土地区深层地下空间开发现状及工程问题；王卫东等[2]从工程实践的角度，对软土地层深基坑开挖可能对临近隧道等结构的变形控制设计做了分析；秦会来等[3]着重从深基坑施工对外侧深厚淤泥地层的变形影响因素做了分析，为在该不利条件进行基坑支护设计提供参考；张立明等[4]主要结合现场监测成果，就软土地区深基坑对临近地铁结构影响的问题进行了分析，从施工分期和局部强化的角度对基坑设计方案提出优化方向。

鉴于城市基坑结构及周边环境的日趋复杂，为了准确评价基坑开挖对临近建构筑物的不利影响，国内许多学者采用有限元方法对基坑开挖过程进行了模拟分析。刘红岩等[5]采用数值模拟手段，按照初步设计开挖及支护方式，分析基坑施工过程土体位移及结构应力变形，验证了设计方案的合理性；邹伟彪等[6]、汪志强等[7]、郑刚等[8]利用综合有限元方法与变形监测数据，就基坑开挖对临近建构筑物的影响展开研究和验证，动态反馈施工过程中开挖卸荷对既有地铁隧道的影响；吴楠[9]以临近轨道交通高架结构的基坑群开挖为案例，结合模型试验和数值模拟，从变形控制的角度研究基坑群开挖对临近结构基础变形的影响及控制方法。

综上，在复杂软土区进行深大异形基坑开挖，由于支护结构-土层作用机制及其对周边既有建构筑物的影响较为复杂，难以完全参考技术规范进行设计，这也是诸多学者在相关研究中结合影响因素进行初判、综合技术分析、有限元动态过程模拟、施工期动态监测等的原因，多技术分析有助于对施工的安全性和可靠性作出综合研判。

本文以武汉市轨道交通8号线田田绿化广场地下空间开发利用项目深基坑开挖为案例，基于三维精细化有限元方法动态模拟施工过程，研究深厚软土层和高地下水位条件下深大异形基坑开挖对邻近京广线、城市高架桥和重要建筑物的影响，对关键部位提出专项加固优化方案，并在实际施工过程中对重点评价对象持续监测，验证支护方案及局部加固措施对临近既有建构筑物保护方案的有效性。

2 工程背景及地质条件

2.1 工程概况及周边环境

拟建工程位于田田绿化广场地下，与武汉市轨道交通8号线竹叶山车站形成贯通的地下商业空间，主体结构为地下二层框架结构，分布在竹叶山车站南北两侧，与车站连成整体。

工程基坑被地铁车站分隔成南北两区，其中北区面积7 500 m2，南区面积7 200 m2，从平面上看均呈不规则形态。

工程场址周边临近闹市区，重要建构筑物包括：距基坑北侧最近约22.9 m的重要铁路线——京广线；距基坑东侧最近仅3.4 m的竹叶山城市快速路立交桥桥墩；距基坑西南侧最近约35 m的武汉市社会主义学院2栋8层浅基础砖混结构房屋。

基坑平面位置及周边环境如图1所示。

图1 工程平面布置及周边环境简图Fig.1 Sketch of layout plan and surrounding environment

2.2 场区工程及水文地质条件

场区处于长江左岸(北岸)Ⅰ级阶地，地形平坦、开阔，场区范围内地面标高一般19.8～20.6 m。钻孔揭示主要地层自上而下依次为：杂填土(1-2)，黏土(3-1)，淤泥质黏土(3-4)，粉黏互层(3-5)，粉砂(4-1)，粉细砂(4-2)和砾岩(15)，各土层物理力学参数见表1。

表1 场区土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

工程主体结构底板置于粉黏互层(3-5)，地下连续墙底部嵌入砾岩(15)，对工程可能产生潜在不利影响的主要是淤泥质黏土(3-4)，在基坑开挖范围该层揭露最大厚度8 m，其呈流塑-软塑状，具高压缩性和低抗剪强度特性。

从水文地质条件看，场地距长江直线距离约3.7 km，除赋存于人工填土层中的不连续滞水外，主要地下水为承压水，赋存于粉黏互层(3-5)、粉砂(4-1)和粉细砂(4-2)，含水层厚度28.7～32.6 m，埋深浅。

据工程及水文地质条件可知，工程基坑施工面临主要难题为深厚软土层和高地下水位。

3 基坑支护初步方案简介

考虑到基坑揭露的不利地质条件及周边建构筑物的重要性，其安全等级按一级设计。

基坑开挖深度14.4～15.9 m，整体采用落底式地下连续墙+三道混凝土内支撑体系，基坑支护平面布置和内支撑典型剖面见图2，具体来看：

图2 基坑内支撑系统典型剖面Fig.2 Typical profile of supporting system in foundation pit

(1)地连墙厚度取0.8 m，采用C40混凝土，槽段长度6.0 m，接缝处采用3根Φ1000@800高压旋喷桩进行处理，受力段长26 m，以应对深厚软土层和高地下水位。

(2)竖向设三道钢筋混凝土水平内支撑，分别与竹叶山车站基坑的水平内支撑对齐，三道钢筋混凝土内支撑截面尺寸见表2；从平面上看，北区和南区基坑均呈不规则状，内支撑系统均采用主体圆环支撑+对撑桁架+角撑的布置形式，将外侧土压力均匀稳定地传递至圆环系统形成轴力，南北侧主体圆环支撑直径均为66 m，中部形成开阔施工作业空间。

表2 内支撑体系截面尺寸Table 2 Sectional dimensions of internal support system

4 基坑开挖过程三维数值模拟分析

4.1 三维有限元模型的建立

本研究采用MIDAS GTS NX软件进行数值模拟，该软件为针对岩土领域的有限元分析软件，支持静力分析、动力分析、渗流分析、固结分析、边坡稳定分析等多种分析类型。

通过试算，确定数值模型建模范围为：水平边界取自基坑地下连续墙外侧≥2.5倍挖深，且距离周边建筑、铁道、桥墩外侧≥10 m；竖向边界从坑外地表向下取约2倍车站挖深，计算域厚度为55 m。综上本次计算模型大小为329.36 m(长)×334.56 m(宽)×55 m(厚)。按此范围建模能兼顾计算精度和效率。

三维有限元网格剖分如图3，模型包括435 773个单元，354 562个节点。模型四周及底部均设置垂直于边界表面的位移约束，上部为自由面。

图3 三维有限元数值模型网格划分Fig.3 Meshes of 3D numerical model

计算中，土体单元均采用摩尔-库伦弹塑性本构模型模拟，与工程设计一致，相应参数按表1选取。

各类支护结构模拟方式及参数选取简述如下：钢筋混凝土地下连续墙采用线弹性板单元模拟，参数按C40混凝土选取；内支撑体系采用线弹性梁单元模拟，参数按C35混凝土选取。

4.2 数值计算过程及模拟方法

数值计算动态过程与施工过程完全一致，主要流程为：初始渗流场及应力场(位移清零)→地下连续墙和立柱施工→基坑降水至第一层开挖深度的应力与变形→基坑第一层土体开挖、基坑第一道内支撑施作→重复以上过程完成第二、三、四层基坑的抽水、开挖和支护过程→基坑底板施作→拆基坑第三道支撑→施工主体结构中板→拆基坑第二道支撑→施工主体结构顶板→拆基坑第一道支撑。

结合三层内支撑体系的布置高程，基坑4层开挖厚度分别为1.3、5.8、5.0、2.1 m；土体开挖过程采用钝化土体单元进行模拟，内支撑施加过程采用激活支撑梁单元进行模拟；动态开挖支护过程对地下水的水压变化及渗流状况进行模拟，按每层土体之后的总体降水效果进行适当简化计算。

4.3 数值计算成果分析

主要从对基坑外围重点建构筑物影响的角度进行成果分析。

4.3.1 对京广线的影响分析

京广线距基坑外侧最近处约22.9 m，小于2倍基坑深度，安全风险较高。

据数值计算结果：基坑开挖引起的铁路用地范围地表最大沉降为12.703 mm，发生在距离北区基坑最近的轨道处(见图4)。

图4 基坑开挖周边位移Fig.4 Displacement around foundation pit excavation

地表沉降变化趋势为：随基坑开挖深度的增加，地表沉降量逐步增加，到开挖至基坑第三层土体后沉降量达到最大值；在后续土方开挖至坑底及主体结构施工/拆换撑过程中，地表沉降趋于稳定。

据现行相关规范要求[10]，无砟轨道沉降不应>15 mm，计算所得的沉降与规范限值较接近，鉴于京广线为武汉市客运、货运最为繁忙的铁路线路，从确保安全的角度，有必要对本区域采取进一步专项加固。

4.3.2 对快速路高架桥墩的影响分析

基坑东侧与多个立交桥桥墩近接，且最近仅距3.4 m，小于1倍基坑深度，安全风险很高。

据数值计算结果：基坑开挖导致的桥墩最大沉降为8.539 mm，最大水平位移为5.927 mm，发生在距离南侧基坑最近处桥墩，同时其余临近基坑的桥墩沉降和水平位移与以上量值差异较小，变形规律基本一致。

其变形趋势为：前期随基坑开挖深度的增加而逐步增大，后期开挖至坑底后变形逐步趋于稳定。

根据相关文献资料[11]，基坑开挖导致桥墩的沉降建议控制在10 mm以内，相邻桥墩水平位移差控制在5 mm以内。计算所得最大沉降接近安全控制指标，同时鉴于竹叶山立交桥是武汉市二环线重要的交通枢纽，拟对立交桥桥墩附近采取专项加固保护措施。

4.3.3 对浅基础建筑物的影响分析

距南区基坑西侧约35 m的2栋浅基础房屋，与基坑边缘相距略>2倍基坑深度，也应视为安全风险源。

据数值计算成果：基坑开挖导致的建筑物最大水平位移为6.104 mm，最大沉降为4.258 mm，倾斜率为0.27‰。

据现行相关规范要求[12]，建筑物主要控制倾斜率限值为0.004～0.002；2栋房屋的倾斜率满足规范要求，且水平位移和沉降均较小，主要采取了基坑开挖前对2栋房屋进行安全鉴定，同时在基坑开挖过程中进行重点监测的方案。

5 建构筑物专项加固方案说明

据4.3节分析，在基坑开挖支护初步设计方案基础上，需对距离京广线和城市快速路高架桥基础附近范围做基坑支护结构的局部强化。

5.1 保护方案选取

查阅相关文献资料[13]，围护桩桩长、板厚、坑外土体黏聚力和内摩擦角对临近建筑物的沉降和变形影响显著，单独采取上述加固措施均可将建筑物变形减少30%左右。据此针对京广线和立交桥桥墩附近，拟采取以下专项保护方案：

(1)靠近京广线和立交桥桥墩侧的地下连续墙受力段长度由原方案的26 m分别加长至28 m和27 m。

(2)采用Φ850@600三轴搅拌桩对基坑外侧土体进行加固，其中京广线侧加固范围为：长度19 m，宽度3.25 m，深度16 m；立交桥桥墩侧加固范围：长度190 m，宽度2.05 m，深度15 m。

5.2 保护效果验证

在第4节有限元数值计算的基础上，增加上述局部强化保护方案措施，遵循相同的计算过程和计算工况重新计算结果如下：京广线地表最大沉降减小至8.124 mm，减小了36%；立交桥桥墩最大沉降减小至4.601 mm，最大水平位移减小至3.511 mm，减小幅度分别为46%和40%。

据此可知，上述专项保护方案的实施可有效减少京广线和立交桥桥墩的变形，且在满足相关规范、文献限值要求的前提下，具有较高的安全余度。

6 监测成果分析

为检验优化后基坑支护化方案的实际效果，通过布置监测点，对基坑开挖及支护全过程开展了系统的监测。

6.1 监测点布置

对京广线、立交桥桥墩和砖混房屋等重点关注部位进行了严密监测，其中：在京广线临近基坑附近共布置8个沉降观测点；在基坑东侧立交桥桥墩重要部位共布置10个沉降观测点和7个水平位移观测点；在基坑西侧砖混房屋外侧四角共布置8个沉降观测点和4个水平位移观测点。

6.2 监测数据整理

对自监测点获取的建构筑物监测数据进行整理分析，及时判断京广线、立交桥桥墩和砖混房屋的安全状态，以确保一旦出现异常可及时采取应对措施。图5为京广线、立交桥桥墩和砖混房屋监测点获取的变形-时间曲线关系。

图5 变形-时间曲线Fig.5 Curves of deformation versus time

6.3 实测值与计算值对比

将上述实测值与有限元分析计算值进行了对比分析，对比统计情况见表3。分析可知：各监测部位实测位移和计算位移的偏差均较小，且能够很好地满足相应规范及文献对于变形控制的限值，验证了有限元模拟成果的准确性和可靠性，同时也验证了局部加固方案的正确性和合理性。

表3 建构筑物变形实测值和理论值对比Table 3 Comparison between measured and theoretical values of structural deformation mm

总体而言，建构筑物在采取保护措施后，其变形明显减小，有效保障了基坑施工的顺利进行。同时可以看出，深基础建筑物变形小于浅基础建筑物，距基坑远的建筑物变形小于距基坑近的建筑物，符合深基坑开挖影响一般变形规律。

从监测数据可看出，京广线、立交桥桥墩和砖混房屋的变形在施工50～60 d期间达到最大值，且变形速率较快；施工60 d之后建构筑物的变形逐渐趋于稳定，各测点变形规律较为一致。经查阅施工记录，施工时间60 d对应基坑第三层土体开挖结束，表明在基坑开挖第三层土体时，临近建构筑物变形达到最大值。分析原因有两点：

(1)随着开挖深度的逐步增大，土体卸荷明显，变形速率加快，变形达到最大值；之后土体应力损失与围护结构的支撑能力达到平衡状态，土体变形趋于稳定。

(2)第二、三层土体中广泛分布有淤泥质黏土(3-4)，其土体抗剪强度较低，从而加快了临近建构筑物的变形速率。

7 结 论

本文借助三维精细化有限元技术手段，分析探讨了深厚软土条件下大型不规则深基坑施工对临近建构筑物的不利影响，据此对重点关注部位采取了相应的专项保护措施，并通过对基坑施工全过程的安全监测进行了有效性验证，可得出以下结论：

(1)采用三维精细化有限元数值模拟可有效克服依赖规范法进行设计的局限性，能够较好地反映基坑施工全过程对临近建构筑物的变形情况的影响及规律。

(2)基于对基坑初步设计方案数值模拟成果的分析和对关键保护部位加固强化的设计理念，很好地达到了优化设计的目的，有效减小了重点保护建构筑物的沉降和水平位移，降低基坑施工的不利影响，通过对基坑开挖支护全过程监测成果的分析验证了该深大异形基坑开挖支护设计方案的有效性和可靠性。

(3)本工程基坑开挖深度范围内分布的厚层软土工程地质特性较差，加快了基坑开挖前期临近建构筑物的变形速率，对临近建构筑物变形的影响在基坑土体开挖至底部区域时快速达到最大值，在之后的施工过程中其变形较小，且趋于稳定。一方面进一步验证了本文基坑开挖支护优化方案的合理性；另一方面，在确保支护结构达到支护强度的前提下，尽可能缩短基坑封底前的作业时间，对于进一步减小对临近建构筑物的影响也具有一定的实际意义。