相邻基坑开挖的相互影响分析.pdf

CM&M 2023.0481为不规则长方形，长度约 120m，宽度约 50m，开挖深度15m。基坑围护结构为间距 1400mm 钻孔灌注桩，桩底深度 23m。基坑内支撑采用第一道直径 609mm 壁厚 16mm 钢管支撑，第二道和第三道直径800mm壁厚16mm钢管支撑，竖向共设置 3 道支撑，基坑中设置临时立柱。地铁明挖区间基坑与安置房基坑位置关系如图 1 所示。2 基坑数值模拟2.1 模型概况为了研究相邻基坑因施工工序和基坑间距的相互影响问题，采用 MIDAS/GTS NX 有限元软件建立二维平面应变数值模型，基坑尺寸及围护结构采用其实际尺寸进行建模。为简化计算模型，将安置房基坑近似看为矩形。为了尽可能减小边界效应对计算模型的影响，将整个模型在水平和竖向进行拓展，整体模型尺寸为 347m107m，单元总数量 9312，通过“钝化”和“激活”模拟基坑开挖与围护结构的施作，模型网格划分如图 2 所示。相邻基坑开挖的相互影响分析贾龙飞1 汪晨晓1 王文慧2 车睿杰1摘要：以地铁线路明挖区间基坑邻近安置房基坑为背景，采用 MIDAS/GTS 软件建立二维有限元模型，通过对比单侧基坑开挖和双侧基坑开挖的施工工序及相邻基坑间距等因素，分析相邻基坑开挖时对各自本体基坑支护结构变形的影响，提出符合实际工程环境的开挖方案，为后续类似工程问题提供理论依据。关键词：相邻基坑；施工工序；基坑间距；相互影响（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京1000822.北京致远工程建设监理有限责任公司，北京100082）图1 基坑围护结构竖向布置0 引言近年来，在市政工程、轨道交通地下空间开发利用方面，由于规划条件、施工工期等因素引起的相邻基坑施工问题越来越多。相对于单个基坑开挖的情况，两个相邻基坑施工时的相互影响变得复杂很多。在不同的基坑深度、施工工期和开挖工序条件下，基坑开挖不仅对自身基坑围护结构产生影响，在相邻基坑的相互影响之下，基坑围护结构的变形情况也更为复杂，给基坑工程设计工作带来一定困难。目前，国内已有不少针对相邻基坑同期施工问题的研究工作。徐芳超对比了不同基坑间距、施工工期等因素对围护结构变形分析。陶东军等研究了软土地区相邻基坑开挖对基坑围护结构侧移、地表沉降及支撑轴力的影响规律。张竹庭采用二维模型，计算分析了相邻基坑铰接区域土体的稳定性。叶建峰等探讨了两个相邻基坑开挖破坏模式和失效机理。本文以地铁线路明挖区间基坑邻近安置房基坑为背景，应用二维有限元模型，对比分析不同的开挖工序及不同基坑间距下基坑围护结构的变形规律，提出符合实际工程环境的开挖方案。1 工程概况某地铁明挖区间基坑开挖深度 26m，开挖宽度 42m，围护结构采用 800mm 地下连续墙，地下连续墙墙底深度 37.5m。基坑内支撑采用直径 800mm 壁厚 20mm 钢管支撑，竖向共设置 5 道支撑，沿基坑宽度方向设置 2 排临时立柱。地铁明挖区间基坑北侧为安置房项目基坑。该基坑82工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工2.2 材料参数为方便计算分析，土层本构模型为“摩尔-库伦”，地层参数根据勘察报告选取，为简化模型，将性质相近的地层合并处理，土层参数如表 1 所示。对于地下连续墙采用板单元模拟，围护桩按照抗压等效和抗弯等效采用板单元模拟，冠梁、钢支撑、立柱桩及格构柱采用梁单元模拟。基坑围护结构的各个构件均采用理想线弹性本构模型，钢管泊松比取 0.3，混凝土泊松比取 0.2，各构件参数如表 2 所示。表 2 中表示钢支撑外径，t表示钢板厚度。3 计算结果与分析3.1 不同施工工序的影响图 3 所示为地铁区间明挖基坑与安置房基坑 3 种不同的施工工序。为简化计算，两个基坑均采用 3 段区域开挖作业，在合理范围内，适当将开挖步进行合并处理，如地铁区间基坑分 3 次开挖至坑底，安置房基坑分 2 次开挖至坑底。两个基坑的开挖作业均严格按照施工工序进行，即开挖至支撑下0.5m时，及时架设钢支撑并施加预加轴力，然后进行下一步的开挖作业。模型计算考虑“增量法”的施工过程，即每一步的变形和内力计算均在上一步的基础上进行叠加。在实际开挖工况、对比工况1及对比工况2条件下，监测点 1 和监测点 2 处的围护结构水平位移沿深度的分布曲线如图 4 所示。图2 整体模型网格图图3 3种不同开挖工序示意图表1 土层参数土层名称重度/（kNm-3）粘聚力c/kPa内 摩 擦 角/弹性模量E/MPa泊松比2素填土18.7108.0110.31黏质粉土20.01826.6150.251粉质黏土19.8195.2250.26粉质黏土19.1156.9260.271粉质黏土19.7247.1270.263细砂20.5032.0520.232黏质粉土20.41825.5200.25细中砂20.5033.0610.23表2 围护结构构件参数表项目构件名称材料弹性模量/GPa规格尺寸明挖区间基坑地下连续墙C3030.0厚 800mm冠梁C3030.0800mm1000mm第 14 道支撑Q235210.0800mm，t=20mm立柱桩C3030.0直径 1000mm格构柱Q235210.0460mm460mmt=14mm安置房基坑围护桩C3030.0直径 800mm冠梁C3030.0800mm800mm第 1 道支撑Q235210.0609，t=16mm第 23 道支撑Q235210.0800mm，t=16mm立柱桩C3030.0直径 1000mm格构柱Q235210.0460mm460mmt=14mm监测点1监测点2安置房基坑地铁明挖区间基坑夹层土110 交错开挖-实际开挖工况 对比工况1-平行开挖留夹层土(1)(9)对比工况1-平行开挖留夹层土监测点3图4 不同开挖工序下围护结构监测点水平位移沿深度分布b 监测点2a 监测点1CM&M 2023.0483由图 4a 可以看出，实际工况与对比工况 1 的曲线重合度比较高，表明存在夹层土的条件下，两个相邻基坑同时开挖或交错开挖时，对后开挖的地铁基坑远端围护结构影响较为接近。而在不预留夹层土时，后开挖的地铁基坑远端围护结构变形较大。由图 4b 可以看出，夹层土开挖后，由于土压力的显著减小，对比工况 2 围护结构最大位移远小于其他两种工况。3.2 不同基坑间距的影响为研究相邻基坑不同间距产生的影响，分别取两个基坑间距为 5m，15m，25m，在保持相同的开挖工序前提下，如地铁区间基坑分7步开挖，安置房基坑分4步开挖。根据工程实际工筹情况，先施工安置房基坑，然后开挖地铁区间基坑，每次开挖后均及时架设钢支撑。图 5a 为相邻基坑不同间距时，地铁区间基坑监测点1 处的围护结构水平位移沿深度的分布曲线。由图 5a 可知，两个基坑的间距越小，围护结构的水平位移越大。如单个基坑开挖时，围护结构最大水平位移为 26.5mm；基坑间距为 5m 时，围护结构最大水平位移 36.5mm。而当基坑间距增大至 25m 时，和单个基坑围护结构变形曲线重合度较高，最大水平位移 27.5mm。这说明，后开挖地铁区间基坑的远端围护结构水平位移随着两个基坑间距的增大而减小。特别当基坑间距为 1 倍的基坑深度时，围护结构最大水平位移基本和单个基坑开挖情况一致。在实际工程中，此结论有一定的指导意义，即当两个基坑间距大于基坑深度时，可以不用考虑先期开挖基坑对后期开挖基坑远端围护结构的影响。图 5b 为相邻基坑不同间距时，地铁区间基坑监测点3 处的围护结构水平位移沿深度的分布曲线。由图 5b 可以看出，基坑间距越小，后开挖地铁区间基坑围护结构下部向坑内的位移越小，而上部向坑外位移较大。这说明，先期开挖的安置房基坑将土体卸载后，导致作用在地铁区间基坑围护结构上的土压力减小，甚至在上部还产生了偏向安置房基坑的位移。4 结束语本文以地铁线路明挖区间基坑邻近安置房基坑为背景，采用 MIDAS/GTS 软件建立二维有限元模型，通过对比单侧基坑开挖和双侧基坑开挖的施工工序及相邻基坑间距等因素，分析相邻基坑开挖时对各自本体基坑支护结构变形的影响，提出符合实际工程环境的开挖方案。得到结论如下：两个相邻基坑施工时，无论是交错施工或者平行施工，在预留夹层土的条件下，对于后开挖基坑围护结构水平位移影响不大；但是，当夹层土开挖以后，相邻基坑的先后施工顺序对后开挖基坑的近端围护结构变形影响较大，先期开挖基坑对后期开挖基坑的远端围护结构变形影响偏小。当相邻基坑间距较小时，先期开挖基坑对后期开挖基坑的近端和远端围护结构变形影响均较大。但随着基坑间距的增大，这种影响会逐渐削弱。特别的，在实际工程中，当两基坑间距大于基坑深度时，可以不用考虑先期开挖对后期开挖基坑围护结构的影响。参考文献1 徐芳超.相邻深基坑同期开挖相互影响变形性状研究D泉州:华侨大学,2015.2 陶东军,张浩文,孔德骏.软土地区相邻基坑开挖的相互影响分析 J 水力与建筑工程学报,2020,18(6):57-62.3 张竹庭.相邻大型基坑同步开挖的支护设计与实践 J 建筑施工,2019,41(11):1973-1975.4 叶建峰,林海,颜桂云.相邻双基坑开挖失效机理及破坏模式分析 J 工业建筑,2017,47(2):105-112.图5 不同基坑间距下围护结构监测点水平位移沿深度分布b 监测点2a 监测点1