分區開挖順序對深基坑支護結構變形影響情況分析

梁科峰

（中鐵十八局集團第三工程有限公司, 河北 涿州 072750）

0 引言

深基坑工程的發展與支護結構息息相關，當出現新的支護結構時，會帶動新的深基坑施工技術的產生，并且在開挖深度逐漸增加的情況下，產生了不同的支護開挖技術。 現階段，支護開挖已經產生數十種技術，包括鋼筋混凝土樁、連續墻以及鋼板樁等，但由于深基坑開挖工程的不穩定性和復雜性，在施工過程中支護結構的強度和穩定性會發生變化，甚至會產生變形。 深基坑是充分利用土地資源的一種施工方式，我國深基坑開挖與支護具有多個特點，一方面基坑深度超過20 m，另一方面工程多位于填海和填湖地區，地質條件較為復雜。 深基坑開挖的過程就是對坑底土體卸載的過程，在開挖過程中局部水平邊界會發生改變，應力與應變狀態會發生較大變化，存在不穩定性與復雜性，因此有必要對其支護結構變形進行分析。

目前，已有大量學者進行了相關研究，林峰[1]利用ABAQUS 有限元軟件建立深基坑與近鄰地鐵隧道的三維數值模型，分析了深基坑施工對地表沉降、支撐軸力和地鐵隧道沉降的影響，并研究了加固區寬度、強度和水平間距對地鐵隧道水平位移的影響。 但該方法的研究對象為杭州文一西路提升改造工程，具有一定的局限性。 尤偉軍等[2]針對下覆盾構隧道在軟土地區大面積基坑開挖中的變形問題，采用Plaxis3D 數值軟件建立三維有限元數值計算模型進行研究。 但該方法未考慮多種影響因素，導致結果的準確性和可靠性較低。黃睿等[3]通過模擬軟土深基坑的支護結構位移變形，研究了不同攪拌樁直徑和型鋼型號對支護結構性能的影響。 結果表明，增大攪拌樁直徑和型鋼截面尺寸能夠提高支護結構的抵抗位移變形能力。 但該方法僅考慮了攪拌樁直徑和型鋼截面尺寸對支護結構位移變形能力的影響，缺乏對其他潛在因素的研究和分析，具有局限性，無法全面評估支護結構的穩定性。 趙鵬飛等[4]通過研究雙排樁支護結構的樁長、排距和樁徑等因素，分析了空間效應對支護結構變形的影響。 該研究旨在選擇更合理的支護結構，以減小坑壁側移變形。 但該方法忽略了土層性質、荷載條件等可能影響支護結構變形的因素，不能給出全面有效的結論。

為了解決上述問題主要關注了不同支護結構參數對其性能和變形影響的問題，本文分析了分區開挖順序對深基坑支護結構變形影響，構建了一個綜合的數值模擬框架，并通過數值模擬得出具體的位移和變形結果，提高了分析結果的準確性。

1 工程概況

為分析分區開挖順序對軟土區深基坑鋼筋混凝土支護結構變形的影響，以某省實際工程為研究對象，對其具體的基坑設計情況和地質情況進行分析。

1.1 基坑平面與支撐布置情況介紹

此次以軟土地區的實際工程作為研究背景，結合工程的具體地形和周邊環境，以及水文等條件，考慮深基坑的位置以及開挖方式。該項目位于某省某國際貿易中心，工程基坑總面積為40 200 m2，基坑外圍邊界呈現不規則形狀，但整體地勢較為平坦，具體情況見圖1。

圖1 基坑開挖工程施工布置詳情: (a)基坑平面; (b)支撐位置

根據圖1 所示，此次選擇的深基坑工程周圍一側有河流，長度為20.3 m，無護岸結構，因此土體常年水分含量較大，且基坑周圍的地下土體中含有眾多管線。 整個工程北側緊鄰地鐵隧道，其隧道外徑和內徑分別為6.4 m 和5.6 m，管道埋深為15.2 m。

該基坑采用三層支撐結構，每道支撐結構材料均為鋼筋混凝土，為配合支撐位置下放情況，整體采用分區開挖方式。 為具體分析不同開挖順序對軟土區深基坑支護結構變形的影響，對工程地質土層的情況進行描述和分析。

1.2 深基坑工程土層分布情況描述

根據工程要求，在深基坑工程中采用橫向框架支撐結構，由水平的橫梁和垂直的立柱組成，形成一個剛性支撐網格結構，能夠提供穩定的支撐力和較好的水平和豎向支撐性能，適用于不同深度的基坑。根據現場地質勘探結果，該工程項目的影響水位分為三類，包括潛水、微承壓水以及承壓水，其中潛水主要賦存于填土層中，微承壓水主要賦存于粉質土層中，承壓水主要在粉質土層以下。 基于工程項目地下水的影響情況，對地基土的構成和特征進行分析，將其自上而下進行描述，具體見表1。

表1 基坑土層構成與特征

從表1 中可知，此次深基坑工程地質層共計8 個，工程地質亞層共計10 個，分布較廣的為粉質黏土層。 受基坑工程的地質條件影響，本次分析過程需要將軟土地質作為影響因素之一，在深基坑開挖之前，對土層的基本物理力學指標進行分析。

1.3 土層基本物理力學性質指標分析

在實際深基坑開挖工程中，土體以分層的形式分布，由于此次選擇的施工工程地質條件較為復雜，需要對各層基層土的基本物理力學性能指標進行分析。 從工程項目的影響水位分布情況入手，首先對天然狀態下的基本物理性質指標進行分析，見表2。

表2 物理性質指標

如表2 所示，天然狀態下的物理性質指標包括水含量、重度以及孔隙比，其中含水量主要受地下水位影響。 正常情況下，潛水分布于填土層中，該層以黏性土為主，透水性不均勻；微承壓水分布的土層透水性較好，因此含水量會逐漸降低，呈現“弱透水”“中等透水”級。 在此基礎上，分析各土層力學性能指標，見表3。

表3 不同土層力學性質指標

如表3 所示，此次力學性能指標包含內聚力、內摩擦角、壓縮系數以及壓縮模量四組指標。 對于深基坑開挖時，土體的力學性能作用較為明顯，為降低土體附加應力對基坑和隧道的位移變形影響，此次采用分區開挖方式進行深基坑施工，按照單個小基坑形式進行開挖，并分析開挖順序對支護變形的影響。

2 分區開挖順序對支護變形影響的數值分析設計

由于實際工程中基坑的土體會呈現分層狀態， 且此次選擇的混凝土支護結構也為多道內支撐，因此需要確定開挖順序，并基于開挖順序建立幾何法分析模型，模擬分區開挖順序下軟土區深基坑支護變形的數值變化情況。

2.1 確定深基坑分區開挖順序

為減少土體的附加應力，采用分隔的形式對基坑進行劃分，設置北側為基坑A1，南側靠近軌道結構側為條形坑A2 和A3，三個分區均為30 m×30 m 的大小。 本次共設計三道支撐結構，其中基坑A1 區的第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道和第三道為鋼支撐，布置方式為對撐加斜撐形式。 在基坑鄰側的隧道A2 和A3 分區內，支撐的形式與上述情況一致，開挖深度設定為12.5 m。

根據基坑開挖深度和鋼筋混凝土支護布置形式，確定該工程基坑開挖方法，整體開挖過程必須遵循：“分層”“分段”“分塊”“對稱”“平衡”“限時”的原則，并利用空間效應原理，合理地進行基坑開挖，以此保證基坑隧道的穩定性。 以A1 區域為例，依次進行豎向開挖，具體順序如下：

1）第1 層：整理施工工程場地，利用挖掘機挖土。 從現有地面開挖至第一道支撐面，深度為-2.0 m，并布置第一道混凝土支撐。

2）第2 層：采用盆式挖土施工到區域內的第二道鋼筋支撐。 支撐底部標高為-3.5 m，開挖至區域內支撐后再去除護坡留土，完成剩余的第二道支撐。

3）第3 層：通過“分層”“分段”方式開挖至基坑的第三道鋼結構支撐。 此時底部標高為-7.2 m，并在支撐施工過程中預留護坡土層。

4）第4 層：直接挖至地下底板高程。 標高為-12.2 m，且護壁需要留土。

通過A1 分區的開挖順序設定，在A2、A3 區域內也需要按照上述原則進行施工。 該基坑的鋼筋混凝土支護結構按照自上而下的形式布置，對于軟土層深基坑的開挖過程，其中土體的卸荷作用較為明顯，因此對于開挖順序與支護變形的影響模擬中，需要設定邊界以及荷載條件。

2.2 設定支護結構受力邊界及荷載條件

一般情況下，大型的深基坑均采用多道支撐支護體系，在面對多道支護結構時，以分層開挖形式進行施工。為獲取不同開挖順序，深基坑開挖時支護結構變形的情況，需要對其受力模式進行分析[5]，設置分段開挖時支護結構受力邊界，見圖2。

圖2 基坑分區分段開挖支護受力情況: (a)橫向受力; (b)豎向受力

如圖2 所示，在基坑開挖過程中支護結構在橫向和豎向均會產生受力情況，橫向受力會產生新的內力，在不同土層和支護中發生變化[6]。 當支護結構受到橫向受力時會產生橫向變形，且其會引起周圍土體的豎向變形，繼而引發周圍管線的不均勻沉降。 因此，在深基坑開挖過程中，地面沉降與支護結構的變形關系是成正比的，則其荷載條件即支護結構所受到的外部載荷或力的情況、描述支撐結構在深基坑開挖過程中承受的荷載，可設置為：

其中：q為存在孔隙水壓力時的荷載條件；t為孔隙水壓力消散后的荷載條件；we和we"為兩種條件下的周圍土體荷載[7]；wr和wr"為支護結構的橫向受力；u為地面沉降量；p為影響距離；a為基坑開挖深度；i為支護橫向受力體積。

為通過對支護結構的受力情況以及荷載條件下其可能產生的變形進行分析，實現多角度同步的數值模擬，需要建立一個有效的幾何分析模型。

2.3 建立變形模擬幾何分析模型

上文中給出了影響支護變形的受力條件以及荷載條件，根據深基坑開挖的實際尺寸，以軸對稱平面應變為前提，對位移邊界作出假設：先假定在基坑左右邊界的水平方向位移為零，豎直方向容許發生變形；下邊界任意方向的變形為零[8-10]。采用《工程地質手冊》經驗值，分別對模擬的滲透系數和泊松比進行參數取值，具體見表4。

表4 給出可數值模擬的具體參數，通過給定的初始條件，按照四個開挖階段設置幾何模型的網格劃分模式，建立此次分區開挖過程的數值模擬幾何模型，見圖3[11]。

圖3 數值模擬幾何模型

如圖3 所示，在模型建立之后按照設定的分區開挖順序進行驗證，對于每一個支護模塊均可以看作為一個獨立方程，并將其承受的邊界條件記為矩陣形式，如下：

其中：h（0）為支護頂部位移；s（df）為支護頂部受力；df為變形彎矩[12]；g（df）為支護底部受力；j 為柔性矩陣。將支護結構承受力構建為一組非線性方程k，對其求解實現數值模擬。至此，完成分區開挖的深基坑支護結構變形模擬分析方法設計。

3 實測數據與模擬數據對比分析

受軟土區復雜環境影響，在進行深基坑施工開挖過程中會面臨多種不確定因素，造成基坑工程對周邊建筑的嚴重變形影響。 因此，在實際施工過程中需要對周邊環境和結構進行監測，本次設計了一個數值模擬分析模型，對分段開挖過程中的混凝土鋼筋支護結構變形情況進行跟蹤。 為驗證其模擬結果能夠作為應用數據，對此次選擇的工程數據進行實測，將兩組數據進行對比，以此驗證其模擬真實度。

基坑的施工作業在實施時需要每天進行監測，以此保證工程的安全性，根據此次工程的施工特點，由于基坑的不規則形狀影響，在劃定的A1、A2、A3 區域中，A3 區域最靠近隧道，在該區域內的支護結構對隧道影響最大，因此選擇該區域支護結構為本次監測對象。 具體情況如下：

（1）水平位移：深層水平位移為監測重點，共設置20 組點位，間距布置為12 m，工具采用斜測儀，自上而下提取支護結構的水平位移，并保存數據。

（2）豎向位移：監測點布置在支護結構外側，可以構成監測控制面，按照6.5 m 間距布置，統計各測量點前后標高即可。

使用Plaxis 作為實驗平臺，使用Plaxis 3D 建立模型和進行數值模擬分析。 按照2.3 小節中的設定進行網格劃分和邊界條件設置，根據表4 設置土體和支撐結構的材料參數，根據公式（1-3）設置相關的荷載條件。按照2.1 小節中的分區開挖順序，在實驗平臺中逐步進行開挖，并模擬支護結構的變形過程。觀察并記錄每個階段的位移、應力等數據。

根據監測點設計情況，對基坑A3 支護結構開挖階段的水平位移和豎直位移數據進行統計，并與模擬值進行對比。 水平位移的監測為最后開挖階段，豎直位移的監測為基坑A3 開挖結束，見圖4。

圖4 鋼筋混凝土支護結構監測點變形示意: (a)水平位移; (b)豎直位移

如圖4 所示，在分段開挖中支護結構的水平位置呈現先增大后遞減的情況，整體上為“內凹”變形，最大水平位移發生在地下約11.5 m 處，接近于基坑底部，且模擬數據略小于實際數據。在豎向位移監測中，支護結構變化規律為“凹槽”變形，其表現為先增加后降低的趨勢，同樣實測值大于模擬值，但兩者變化規律是一致的。 這是因為在分段開挖過程中，當一側土體被開挖時，未開挖一側的土體會受到側向壓力的影響，向開挖區域移動，導致支護結構所在位置的土體發生側向位移，并且隨著開挖深度的增加，側向位移增大，導致水平位移也隨之增大。 基坑開挖會引起周圍土體的重新分配應力和變形。 土體之間存在相互作用和耦合效應，隨著開挖深度的增加，原本受到較大側向壓力的土體在支撐結構作用下產生一定的位移釋放，從而導致局部土體的水平位移逐漸減小。

通過上述兩組結果可知：本次設計的幾何模型給出的水平位移模擬值和豎向位移模擬值，均在規范容許范圍內，且與實測值的變化趨勢具有相同性，說明本次基坑開挖施工工程可以通過數值模擬進行驗證和預測，具有應用價值。

為了研究不同開挖順序對深基坑鋼筋混凝土支護結構變形的影響。 分別監測按深度順序開挖、從中間向兩側逐步開挖和先挖內側再挖外側情況下的支護結構的水平位移和豎直位移，評估并確定最優的開挖順序，以減小支護結構變形的程度。 不同開挖順序下的支護結構水平位移和豎直位移的實驗結果如表5 所示。

表5 不同開挖順序下的支護結構位移

由表5 可知，在按深度順序開挖順序下，支護結構的水平位移和豎直位移逐漸增大。 隨著開挖深度的增加，水平位移從0 增至13 mm，豎直位移從0 增至7 mm。 說明按深度順序開挖會導致較大的位移和變形。從中間向兩側逐步開挖順序下，支護結構的水平位移和豎直位移相對較小。水平位移從0 增至3 mm，豎直位移從0 增至5 mm，比按深度順序開挖時的變形量明顯減小。 說明采用從中間向兩側逐步開挖的方式可以減少支護結構的變形程度。 先挖內側再挖外側順序下，支護結構的水平位移和豎直位移最小。 水平位移保持在0～1 mm 范圍內，豎直位移維持在0～3 mm 之間。 說明先挖內側再挖外側的開挖順序在減小支護結構的變形量的方面效果最佳。

根據以上實驗結果，總結出關于分區開挖順序對深基坑支護結構變形的影響：

（1）按深度順序開挖，支護結構的水平位移和豎直位移逐漸增大。 開挖深度的增加會導致較大的位移和變形。

（2）從中間向兩側逐步開挖，支護結構的水平位移和豎直位移相對較小，可以減少支護結構的變形程度。

（3）先挖內側再挖外側，能夠最有效地減小支護結構的變形量。

4 結論

以軟土地質條件為研究基礎，以分區開挖順序作為施工條件，選擇大型深基坑通用的多道支撐支護體系，對深基坑的混凝土支護結構變形情況進行分析。 通過實驗得出以下結論：

（1）不同開挖順序對支護結構的水平位移和豎直位移有顯著影響。 按深度順序開挖會導致較大的位移和變形，而從中間向兩側逐步開挖的方式可以減小支護結構的位移和變形。

（2）先挖內側再挖外側的開挖順序能夠最有效地減小支護結構的變形，支護結構的水平位移和豎直位移最小，變形量相對較小。

（3）分區開挖順序直接影響著支護結構的變形程度。 選擇合理的開挖順序可以有效減小支護結構的變形，降低與周邊建筑、地下結構之間的相互作用。