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摘要：空间上相邻的基坑群工程无论从施工技术、工程风险、相互影响和对周边环境产生的危害来看，均比单一基坑要复杂，而且开挖顺序对基坑群有着显著的影响，因此对其进行研究具有非常重要的工程意义。以新郑国际机场地下空间与城际铁路隧道基坑群作为研究背景工程，运用MIDAS软件建立模拟施工过程的三维有限元模型，该模型主要对相邻基坑两种不同开挖顺序的施工过程进行了数值模拟计算。在数值模拟结果基础上探讨基坑群开挖顺序对各基坑围护墙体位移性状、位移量的影响。
关键词：基坑群；开挖顺序；围护结构；变形；数值模拟
Numerical Simulation of Retaining Structure Deformation in Different Excavation Sequence of Foundation Pit Group
Abstract: No matter from the construction technology, project risk and influence each other and the harm to surrounding environment, the adjacent foundation pits are more complex than single foundation pit, and excavation sequence has a significant influence on the deformation of the foundation pit group. So these complicated excavation group construction have become a very important research direction of engineering and technical personnel. Using the complex foundation group between underground space of Xinzheng international airport and the tunnel of inter-city railway as the background of this research project, and a three-dimensional finite model for simulation the process of construction was established by using the MIDAS software. And the construction process with two different excavation sequences of foundation pits were simulated mainly by the software. On the basis of the results of numerical simulation, the influence of foundation pits excavation sequence on the displacement trait and value of the foundation pit retaining wall were discussed.
Key words：foundation pits; excavation sequence; retaining structure；deformation; numerical simulation
1 引言
迄今为止国内外对复杂基坑群施工方法的综合研究也处在起步阶段。许多前辈学者在基坑变形及周围土体位移方面进行了大量的实践与研究，已经充分认识到施工对周围位移场的重要影响。但其研究工作多数是对单个基坑进行展开的，对群体基坑的开挖研究较少。孙钧院士[1]指出“相邻基坑同步（或工序交错）施工”是城市地下工程活动最突出问题之一。
近些年许多学者[2-12]从施工环境、施工方法等方面采用数值方法模拟群坑开挖对邻近建筑物或构筑物的影响以及群坑间的相互影响。本文以新郑国际机场地下空间与城际铁路隧道基坑群为背景展开研究，采用MIDAS有限元软件，建立模拟施工过程的三维有限元模型，研究开挖先后顺序对基坑水平位移、竖向位移及其坑底隆起的影响。
2工程背景
新郑国际机场的拟建预留捷运工程在T2航站楼东侧是为远期建设卫星厅预留的旅客运输系统，本工程为地下一层结构，包括一座地下捷运车站及一段地下捷运区间，全长649 m。车站基坑由地面算起约12 m，基坑宽度37 m，采用放坡和排桩两种围护形式。捷运车站及区间南侧与行李隧道相邻，两工程基坑间净距为8.3 m。行李隧道是下穿T2航站楼东侧的联络滑行道，为地下区间结构。本期实施行李隧道实施外包总长为701 m，其中暗埋段长561 m，为地下单层单孔箱涵结构，基坑总宽约17.5 m，暗埋段基坑深度6.1～12 m。结构敞开段长约140 m，为U型槽结构，敞开段基坑深度0～6.1 m。隧道采用明挖法施工，采用放坡和排桩两种围护形式。行李隧道南侧与城际铁路区间相邻，其平面距离由紧邻到22.3 m。城际铁路基坑较深，深度均大于22.5 m，采用灌注桩围护, 城际铁路先于本工程基坑实施。本期同时施工捷运车站区间和行李隧道，局部位置先施工捷运车站，再施工行李隧道工程。
3 基坑群施工过程的数值模拟
群坑开挖耦合效应的主要作用为群坑内部子基坑开挖的相互作用与对外影响的耦合叠加，这些作用难以用传统的计算方法获得，本文采用Midas GTS NX 软件对这一作用进行数值计算分析。为了计算由城际铁路基坑、行李隧道明挖基坑和捷运系统基坑共同作用下所产生的群坑效应，针对不同开挖顺序模拟了两种工况：工况1为在城际铁路施工完成的情况下先施工行李隧道明挖基坑后施工捷运系统基坑；工况2为在城际铁路施工完成的情况下先施工捷运系统基坑后施工行李隧道明挖基坑。
3.1模拟参数及本构模型
模拟中土体及其其他材料的参数如表1所示，其中厚度取值是根据多个地质柱状图厚度的平均值。数值模拟选用 Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。
图5为捷运系统基坑围护结构水平位移图，捷运系统基坑是三个基坑最后完成的部分，其围护结构的最终水平位移受到既有城铁基坑和行李隧道基坑的开挖以及自身基坑开挖的共同影响。由图5可知捷运车站和区间的围护结构水平位移分布规律基本一致，但由于靠近行李隧道基坑一侧受到另外两个基坑的影响更明显一些，导致两侧水平位移大小明显不同。
对于捷运区间的基坑围护结构水平位移分布和车站位置处的刚好相反，靠近行李隧道一侧的水平位移较远离行李隧道一侧的大，且方向也是与车站位置处的相反，而沿深度的变化规律一致。分析其原因主要是车站一侧的行李隧道基坑是放坡开挖的，只有护面喷射混凝土和底板浇筑混凝土的加固，而在靠近捷运区间一侧的行李隧道基坑两侧有围护结构及中间的内支撑，混凝土围护和中间的内撑很大程度的约束了土体变形，当捷运区间基坑开挖时，这种约束起了很大作用，导致作用在捷运区间基坑围护结构上的土压力变大，进而引起水平位移相对另一侧原状土体的水平位移大。
4.3 两种工况的对比分析
工况一和工况二的区别是行李隧道基坑和捷运系统基坑施工前后顺序，由此先后顺序不同会对既有城铁基坑产生不同的影响。因此二者的比较主要从城铁基坑围护结构的最大水平位移、坑底隆起和地表竖向位移三个方面进行，如图12、图13、图14所示。分析前需要说明的是工况一的1、2和3分别表示城铁基坑、行李隧道基坑和捷运系统基坑；工况二的1、2和3分别表示城铁基坑、捷运系统基坑和行李隧道基坑。
由图12可知，不管是围护结构的外侧还是内侧基本呈现出工况一的最大水平位移小于工况二的，其中内侧工序2点处有交叉出现。
同样，由图13、14可知城铁基坑坑底隆起和地表竖向位移都体现出工况一产生的结果更小，但二者相差较小。因此从数值计算的结果表明关于施工顺序选择建议采用工况一，但由于二者相差较小，具体施工工况设计时应考虑施工的其他方面综合确定最后的施工方案。
5 结论
通过数值模拟的方法研究了由多个近距基坑施工引起的“群坑效应”，主要研究了开挖顺序对围护结构水平变形、坑底隆起、两侧地表竖向变形的影响。其主要结论如下：
（1）基坑围护结构的水平位移受土体条件和临近基坑围护约束的影响，如捷运车站和捷运区间基坑围护结构的水平位移就发生明显相反的变化。
（2）由基坑开挖卸载引起的坑底隆起主要受卸载量的影响，而当群坑近距施工时影响较为明显，如由于后续捷运系统基坑开挖导致行李隧道基坑坑底隆起到13cm；群坑作用下地表的土体竖向变形有叠加效应，而对于远离基坑的地表竖向变形只受临近基坑开挖的影响。
（3）工况一计算的结果虽小，但与工况二相差较小，最终在施工工况设计时应综合考虑施工的其他方面确定最后的施工方案。
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论文作者:胡锦华
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/9/4
标签：基坑论文; 捷运论文; 隧道论文; 位移论文; 工况论文; 行李论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第9期论文;