软土基坑群工程环境影响效应研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0143-06软土基坑群工程环境影响效应研究软土基坑群工程环境影响效应研究沈健1，2胡耘1，2王惠生1，2（1.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海200011；2.华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海200011）【摘要】基坑群工程的分坑方式与开挖流程对基坑及周边环境的影响及其叠加效应较为复杂，采用规范规定的设计计算方法难以进行分析。以上海软土地区某基坑群工程为背景，建立多种概念模型，总结不同分坑方式对周边环境的影响规律，分析相邻基坑不同开挖顺序对周边环境影响的叠加效应，研究成果用以指导基坑群工程的总体分区与工况设计。监测数据表明，该基坑群工程按设计分区和工况实施对周边环境影响总体可控，尤其对运营地铁等敏感保护对象影响较小。分析结果与设计对策可供类似工程参考。【关键词】基坑群工程；环境影响；分区方式；叠加效应；数值分析【中图分类号】TU43 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.004Environmental Impact Effect of Soft Soil Foundation Pit Group EngineeringShen Jian1，2Hu Yun1，2Wang Huisheng1，2(1.Shanghai Engineering Research Center of Safety Control for Facilities Adjacent to Deep Excavations,Shanghai 200011,China；2.Shanghai Underground Space Engineering Design&Research Institute,East China Architecture Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China)【Abstract】The divided pit excavation and excavation process of foundation pit group engineering are complex,and the environ-mental impact superimposed effect is significant.The above problems cannot be analyzed by the standard design and calculation meth-od.Taking a project in a soft soil area of Shanghai as the background,a variety of conceptual models were established to analyze theimpact of different divided pit excavation of large-area foundation pits on the surrounding environment,and analyze the superimposedimpact of different excavation sequences of adjacent foundation pits on the environment,and guide the overall zoning and working con-dition design of foundation pit group projects.The monitoring data showed that the impact of the project implementation on the envir-onment is generally controllable,and the key strengthening areas have little impact on the sensitive protection objects such as the oper-ating subway.The relevant analysis results and design countermeasures can be used as a reference for similar projects.【Key words】foundation pit engineering group；environment impact；divided pit excavation；superimposed effect；numerical ana-lysis 0 引言城市地下空间的开发规模在逐渐扩大，多地块集群开发的基坑群工程规模较大，不同的基坑分区之间同步或先后实施等工况关系错综复杂，常规设计所采用的规范分析方法无法考虑基坑群复杂的受力变形模式，基坑周边的环境保护对象也会受到一定的叠加效应影响，尤其在土性强度低、抗扰动能力差的软土地区，基坑群工程的安全和环境控制问题更为突出。王文杰等1等基于相同深度相邻基坑的简化模型，推导了有限土压力的解析解。金亚兵等2基于库仑土压力理论，提出了相邻基坑间留土临界宽度的概念和土压力折减系数的计算公式。蔡剑韬3以临近地铁深大基坑工程为背景，系统地就基坑分区、围护体设计及伺服轴力等控制措施进行了论述，并结合实测数据分析了相应措施对地铁隧道的保护效果。刘 作者简介：沈健，男，1981 年生，汉族，江苏南通人，工学硕士，高级工程师，从事基坑工程、地基基础设计及研究工作。E-mail：通讯作者：王惠生，男，1994 年生，汉族，山东威海人，工学硕士，工程师，从事基坑工程、地基基础设计及研究工作。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024宝石4以相邻基坑开挖深度不一致的工程案例为研究对象，分析基坑支撑受力变形特点及施工工序原则，并结合实测情况印证其设计的合理性。曹权等5开展基坑群影响下地铁隧道自动化监测方案的研究，对于复杂条件下基坑群的信息化施工、确保隧道的安全运营具有重要的指导意义。冯世进等6研究了邻近地铁隧道的基坑群开挖对基坑本身和邻近地铁隧道的影响，以隧道变形为例初步分析了基坑开挖引起的位移叠加效应。耿进柱等7初步分析了建筑基坑群施工辐合效应形成的条件，并建立了简化模型，在采用平面有限元方法分析了群坑开挖条件下各基坑之间相互影响的规律后，提出了群坑施工条件下减小施工对周边环境影响的主要技术措施。赵琪8针对不同类型的复合群坑的施工策划与施工组织开展研究，探索了软土地基条件下针对多层次复合基坑群既高效施工又保证安全的技术路线。沈健9采用三维数值模型对基坑工程群的开挖进行模拟，提出合理的基坑开挖顺序及设计加强建议。根据已有研究成果，基坑群研究对象的基坑数量多为 23 个，研究以定性的风险分析和方法讨论为主，探讨了不同施工工况下施工组织的合理性。部分研究采用了简化的数值分析方法，主要集中于两个相邻基坑之间的相互影响的二维和简三维分析，分析要素过于单一，实测研究较少。以西岸传媒港与上海梦中心（以下简称西岸“九宫格”项目）基坑群工程为背景，通过建立三维有限元概念模型，针对基坑群分坑方式、开挖顺序等工况因素对周边环境影响进行数值模拟和参数敏感性分析，以指导背景工程的基坑总体分区方式及基坑分区开挖顺序等工况设计，结合工程实施效果验证了研究成果的合理性。1 工程概况 1.1 项目规模与环境概况西岸“九宫格”项目位于上海市黄浦江沿岸核心区域，项目为九个地块及内部规划道路组成的整体超大规模地下空间。基坑总面积约 15.7 万 m2，南北跨度约 400 m，东西跨度约 250440 m，基坑大面挖深16.016.7 m，局部区域挖深 8.012.5 m，整体基坑土方开挖量达 250 万 m3，是上海地区规模最大的建筑基坑之一。项目地块南北两侧均为待建地块，东西两侧邻近市政道路，其下分布有市政管线。其中西侧云锦路分布有地铁 11 号线龙耀路车站及区间隧道。地铁车站主体为地下 2 层，底板埋深约 17.2 m，出入口及风井底板埋深约 10.8 m，区间隧道盾构直径约 6.7 m，隧顶埋深约 10.3 m。基坑西侧全线邻近地铁，其边长近 500 m，拟建地下室外墙距地铁结构最近处约 9m。基坑东侧邻近龙腾大道，该侧边长接近 450 m。基坑周边环境见图 1。云锦路龙腾大道E 地块J 地块G地块N地块O 地块F地块L地块M 地块K 地块1厕2厕H 地块I 地块黄浦江龙腾大道监测剖面云锦路监测剖面 图 1 基坑周边环境平面图 1.2 工程地质与水文条件建设场地土层属典型的上海软土，场地开挖影响深度范围内地层均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，典型地质剖面及土层物理力学指标如图 2 所示。其中层、层为淤泥质土，饱和、流塑，抗剪强度低，灵敏度中高，具有触变性和流变性特点，对于基坑变形控制较为不利。建设场区水文地质条件比较复杂，场地潜水水位埋深约 1.5 m，深层承压含水层分布复杂，3-2层粉质黏土夹砂质粉土层，为微承压含水层，层砂土层，为第一承压含水层。场地处于古河道沉积区，层土层缺失，3-2层微承压水与层第一承压水直接连通，承压水水头埋深约 34 m。1.3 支护结构设计概况基坑采用地下连续墙+内支撑支护体系。根据设计计算，地下连续墙厚度取为 8001000 mm，竖向设置多道内支撑，地下结构均采用顺作法实施，其中近地铁侧典型围护剖面见图 3。基坑群由九个地块以及道路的地下空间组成，总体上按照地块或连同就近的市政道路分区实施，相邻基坑之间同步或先后开挖。基坑周边地铁及市政道路等保护对象将面临多个分区基坑施工带来的叠加影响。2 不同分坑方式的环境影响效应分析 2.1 计算模型采用 PLAXIS3D 软件建立三维有限元简化模型，144岩土工程技术2024 年第 2 期对基坑不同分坑方式进行参数敏感性分析，计算模型包括土体、地连墙及水平支撑。土体采用楔形体实体单元模拟，基坑地连墙采用板单元模拟，水平支撑采用梁单元模拟。普遍基底位置051015202535304045深度/m土层名称填土 松散淤泥质黏土 流塑粉质黏土 软塑砂质粉土 稍密粉质黏土软塑粉质黏土夹砂质粉土可塑砂质粉土夹粉质黏土密实1818.516.717.818.317.91818.415251910147141570401019.51218.529.5202030.5040 淤泥质粉质黏土流塑17.7121950重度c/kPa内摩擦角/()黏聚力113-13-21粉质黏土 可塑夹黏质粉土12/(kNm-3)图 2 典型工程地质剖面及土层物理力学指标图 地铁车站区间隧道区间隧道附属结构顶板地下一层地下二层地下三层第一砼在支撑1 杂填土1 粉质黏土 淤泥粉质黏土夹黏质粉土 淤泥质黏土1 粉质黏土2 砂质粉土3-1 粉质黏土3-2 粉质黏土夹 砂质粉土1 砂质粉土夹粉质黏土第二道钢支撑第三道钢支撑第四道钢支撑第五道钢支撑约 11 m约 16.5 m最深约 19 m 图 3 近地铁侧典型围护剖面 不同分坑方式的简化模型如图 4 所示，分别为单坑（M1）、环境保护侧划分长条形小坑且进行地基加固（M2）、垂直环境保护侧均分为两个基坑（M3）和非垂直环境保护侧均分为两个基坑（M4）。参考本项目地铁侧地块规模，以上模型模型尺寸均定为 110 m110 m，模型基坑挖深约 16 m，围护均采用 1000 mm厚地墙，除 M2 长条形小坑设首道混凝土支撑与下部 4 道钢支撑外，其余均考虑设置 4 道混凝土支撑。模型土层的重度、黏聚力 c 和内摩擦角 均按地勘报告取值（见图 3），其余参数参考上海软土地区小应变模型（HS-Small）经验10-15取值（见表 1）。环境保护侧环境保护侧环境保护侧环境保护侧(M1:单坑)(M2:大坑+长条形小坑)(M3:垂直保护侧两坑)(M4:非垂直保护侧两坑)加固 图 4 不同分坑方式分析模型示意 表 1 模型土层小应变参数表土层Erefoed/MPaEref50/MPaErefur/MPaGref0/MPamR12.52.112.650.50.80.754.23.521.263.60.80.753.32.719.458.20.80.752.52.116.842.10.80.7519.37.746.71100.80.7524.33.621.664.90.80.753-15.64.728.373.70.80.753-27.46.237.397.00.80.75112.312.337.0111.10.80.75ErefoedEref50ErefurGref0注：为固结试验的参考切线模量；为三轴固结排水剪切试验的参考割线模量；为三轴固结排水卸载再加载试验的参考卸载再加载模量；为小应变刚度试验的参考初始剪切模量；m为模量应力水平相关的幂指数；R 为破坏比。2.2 分析结果模型计算结果见表 2，可以看出，对环境保护侧的变形控制效果由高到低依次为 M2、M3、M4、M1。以整坑开挖模型 M1 为对比基准，M2、M3、M4三种分坑模型均一定程度上实现了减小环境保护对象一侧地墙变形和地表沉降量的作用。与 M4 相比，M3 垂直于环境保护一侧的分坑方式有利于减少该侧的基坑暴露长度以及增加该侧的围护刚度，其对环境保护侧的地墙位移与地表沉降的数值及影响范围的控制更加有效。几种模式中，M2 对环境保护对象一侧地墙水平位移以及坑外沉降的控制效果最佳，是沈健等：软土基坑群工程环境影响效应研究145上海地区邻近地铁等敏感保护环境时常用的作法，其可靠性已被工程实践验证，但这种分坑方式以及相应的支撑与土体加固等方式，导致其造价与方案相比有一定幅度的增加。表 2 不同分坑方式模型计算结果计算模型环境保护侧位移/mm另一侧位移/mm地表沉降地墙位移地表沉降地墙位移M1单坑27.947.227.947.2M2大坑+长条形小坑16.82025.846M3垂直环境保护侧均分两坑22.240.322.240.3M4垂直非环境保护侧均分两坑23433053 3 多坑不同开挖顺序的环境影响分析 3.1 计算模型为研究分区基坑不同开挖顺序对环境影响的差异性，建立了相邻基坑的简化模型，分别进行不同分坑开挖时序的数值模拟计算。相邻基坑简化模型如图 5 所示，基坑划分为北坑、中坑、南坑三个分区，基坑开挖工况共计四类（6 种），如表 3 所示。中坑北坑南 坑 图 5 相邻基坑开挖顺序分析模型 表 3 分析工况列表序号工况类型基坑数量基坑间距/m1C1-a：中坑单坑开挖至基底单坑开挖12C1-b：北坑单坑开挖至基底13C1-c：南坑单坑开挖至基底14C2：先开挖中坑基坑后同步开挖南北两侧基坑群坑开挖3105C3：由北往南依次开挖3106C4：三坑同步开挖310 3.2 分析结果以坑外土体水平位移或地表沉降作为指标划定基坑环境影响范围，以 5 mm 变形等值线的距离作为开挖最大影响距离，以 10 mm 变形等值线所围区域作为基坑开挖一般影响范围，以 20 mm 变形等值线所围区域作为基坑开挖急剧影响范围。以坑外土体水平位移为指标，不同基坑开挖工况的环境影响范围比较情况见图 6。其中计算工况C1 开挖至基底最大影响距离约 64 m（约 4 倍基坑开挖深度），其影响范围面积约 41893 m2，急剧影响范围约 10859 m2。如图 7 所示，相比于单个基坑独立开挖，考虑基坑开挖对周边环境的叠加影响后，群坑开挖的最大影响间距增幅为 11%19%，影响范围的增幅为 20%24%，急剧影响范围的增幅约为 13%15%。C1C2C3C464 mC1C2C3C4(a)5 mm 影响范围(b)20 mm 影响范围 图 6 以土体水平位移为指标的基坑开挖影响范围 开挖最大影响间距5 mm 影响范围-面积20 mm 影响范围-面积先中间后南北 C2由北向南依次开挖 C3三坑同步开挖 C4变化比例/%30282624222018161412 图 7 基于基底水平向变形指标的基坑开挖影响范围增幅 以坑外地表沉降为指标，不同基坑开挖工况的环境影响范围比较情况见图 8。其中计算工况 C1 开挖最大影响距离约 71 m（约 4.4 倍基坑开挖深度），影响范围面积约 37900 m2，急剧影响范围约 7400 m2，群坑开挖的影响范围较单个基坑开挖有一定的增加。如图 9 所示，群坑开挖的最大影响间距增幅为13%15%，影响范围的增幅约为 15%17%。总体来看，三坑同步开挖（C4）影响范围最大，尤其是坑外地表沉降增幅；三坑依次开挖（C3）最小；先146岩土工程技术2024 年第 2 期挖中间后同步实施南北侧基坑（C2）介于两者之间。因此应尽量避免出现相邻基坑同步实施的情况，优先间隔跳开或依次开挖。71.371.271.380.766C1bC1a C1c C3-Step6C3-Step1281.677.3C3-Step18C3-Step12C3-Step6C1a 71.471.3C1c C1b8271.3C4C1bC1a C1c(a)C1 与 C2 工况比较(b)C1 与 C3 工况比较(c)C1 与 C4 工况比较71.2 图 8 以地表沉降为指标的基坑开挖影响范围（单位：m）影响范围-面积影响范围-距离先中间后南北C2由北向南依次开挖 C3三坑同步开挖 C4变化比例/%18161412 图 9 基于地表沉降为指标的基坑开挖影响范围增幅 4 基坑群工程分区与工况总体设计根据前文分析结果，对背景工程基坑分区及施工流程做如下设计。（1）西侧邻近极为敏感的运营地铁一侧，涉及的E、F、G 三个地块均严格执行了分大小窄条基坑的分坑方式，同时采取了支撑加密与土体加固；（2）E、F、G 三个地块的大坑分 3 个阶段先后开挖，先进行 F 地块大坑的开挖，待其地下结构完成后依次进行 E 地块和 G 地块大坑的开挖；（3）对于龙腾大道一侧基坑面积最大的 K 地块，进行了垂直于道路的分坑，并且与邻近的 M 地块进行跳仓间隔开挖。而 M 地块与 O 地块由于工期原因，未作进一步细分。图 10 为背景工程最终采用的基坑分区及实施工况示意。从总体的实施效果来看，西侧邻运营地铁一侧由于实行了严格的单地块大小坑分坑方式，以及相邻群坑的间隔跳挖，该侧的环境影响控制效果明显优于东侧。西侧云锦路地面沉降曲线如图 11 所示，地面最大沉降约 31 mm。西侧运营地铁车站本体实测变形不足 5 mm，区间隧道最大沉降约 9 mm。车站附属结构由于刚度较弱最大附加变形约 27 mm，运营地铁均处于安全可控状态。K 地块垂直道路均分两坑-1-2-1-2F地块E地块G地块龙腾大道K地块M 地块O地块地铁侧窄条小坑分坑线地铁侧 3 大坑先后开挖 图 10 基坑总体分区与开挖顺序示意 DB150510152025303540DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB82017-05-012017-05-222017-03-30沉降/mm2017-06-062017-06-262017-08-222017-09-132017-10-062017-10-20 图 11 西侧云锦路面沉降曲线 东侧龙腾大道路地面沉降曲线如图 12 所示，龙腾大道由于 M 地块与 O 地块基坑面积较大且受同步开挖以及施工超载等综合因素影响，最大路面沉降接近 120 mm，而进行垂直道路分坑实施的 K 变形仅约 25 mm，明显小于其余区域。由于东侧环境保护要求相对较低，龙腾大道总体也处于安全可控的状态。130110907050301010M 地块K 地块与道路道路O 地块2015-05-262015-06-092015-06-212015-07-062015-07-222015-08-062015-09-072015-10-012016-02-032016-01-152016-01-022015-12-012015-11-072015-09-122015-08-122015-12-152015-11-212015-10-14沉降/mm 图 12 东侧龙腾大道路面沉降曲线 表 4 为基坑实施期间周边环境的实测数据，本工程基坑群实施期间，基坑群变形控制较好，周边环境保护对象均在安全可控范围之内。沈健等：软土基坑群工程环境影响效应研究147表 4 周边环境实测最大变形环境对象距基坑最近距离/m实测变形/mm地铁车站本体105地铁车站附属结构9水平1927沉降912区间隧道229西侧云锦路地面沉降731东侧龙腾大道地面沉降K地块525M地块595O地块5120 5 结论以西岸“九宫格”项目超大规模基坑群工程为背景，建立了一系列概念模型，分别就分坑方式及施工流程对周边环境的影响效应进行了数值模拟和参数敏感性分析，并将分析结论应用于背景工程，得出如下结论：（1）以整坑开挖为对比基准，基坑分坑开挖有利于减小对周边环境的影响。邻近保护对象一侧划分窄条基坑对于控制坑外地表沉降和围护体水平变形效果最佳，但是相对造价成本较高，在预算有限情况下，垂直保护对象一侧增加临时隔断进行基坑分区，有利于减少该侧的基坑暴露长度以及增加该侧的围护刚度，可以有效控制该侧的围护体变形和坑外沉降。（2）软土地区基坑单坑开挖对周边环境的最大影响距离约 4 倍基坑开挖深度。相比于单个基坑独立开挖，考虑基坑开挖对周边环境的叠加影响后，群坑开挖的最大影响间距增幅为 11%19%，影响范围的增幅约 20%24%。相邻基坑同步影响范围会叠加，尤其是坑外地表沉降增幅明显。因此应尽量避免出现相邻基坑同步实施的情况，优先间隔跳挖或依次开挖。（3）根据背景工程基坑的保护要求及特点，对基坑分区及施工流程进了针对性设计。邻近运营地铁一侧的基坑严格执行了分大小窄条基坑的分坑方式，同时采取了支撑加密与土体加固等加强措施；基坑群相邻基坑交替依次跳仓间隔开挖。基坑监测数据表明，工程实施对环境影响总体可控，特别是对运营的地铁车站与区间隧道等敏感保护对象影响较小，分析结果与设计对策可供类似工程参考。参考文献 王文杰，曾进群，陈小丹.深基坑开挖中有限土体土压力计算方法探讨J.矿产勘查，2005，8（3）：30-31.1 金亚兵，刘吉波.相邻基坑土条土压力计算方法探讨J.岩土力学，2009，30（12）：3759-3764.2 蔡剑韬.软土地区邻近地铁深大基坑开挖的设计实践J.岩土工程技术，2015，29（4）：163-168,181.3 刘宝石.软土地区紧邻浅基坑的深基坑工程实践研究J.岩土工程技术，2019，33（5）：284-287.4 曹权，李清明，项伟，等.基坑群开挖对邻近既有地铁隧道影响的自动化监测研究J.岩土工程学报，2012，（S1）：552-556.5 冯世进,高广运,艾鸿涛,等.邻近地铁隧道的基坑群开挖变形分析J,岩土工程学报,2008,(S1):112-117.6 耿进柱，张海荣，赵永光.建筑基坑群坑施工耦合效应及其控制技术J.建筑施工，2009，31（9）：746-747.7 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