摘 "要：為研究軟土區(qū)不同端頭形式管廊基坑的變形規(guī)律，以典型軟土區(qū)中山科學(xué)城管廊深基坑工程為背景，分析基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降的變化規(guī)律。研究表明：圍護結(jié)構(gòu)的水平位移自坑角起逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定?；又車嬖谝姿輩^(qū)域，地表沉降自坑角起先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。90o對稱端頭、120o非對稱端頭和150°非對稱端頭形式管廊基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移均自坑角起逐漸增大，分別在距坑角5.4He（He為基坑開挖深度）、8He、5.3He處趨于穩(wěn)定，地表沉降分別在距坑角6He、8.3He、5.7He處趨于穩(wěn)定，易塌陷區(qū)域分別為距坑角1.0He～6.0He、3.57He～7.57He、2.14He～5.14He處，研究結(jié)果為軟土區(qū)管廊基坑施工過程中控制基坑變形提供參考。

關(guān)鍵詞：軟土地層；管廊基坑；基坑變形；坑角效應(yīng)；端頭形式

中圖分類號：TU473 " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：1008-0562（2024）04-0434-09

Deformation law of pipe gallery foundation pits with

different end forms in typical soft soil layers

ZHAN Wenbing1， WANG Shuo2， TANG Jinglin3， WANG Zijun2， YANG Qingyuan4

（1. "Poly Changda Engineering （Guangdong） Company Limited， Zhongshan 528451， China; 2. "School of Civil Engineering， Beijing JiaoTong University，Beijing 100044， China; 3. "Zhongshan Cuiheng New Area

Engineering Project Construction Affairs Center， Zhongshan 528400， China; 4. "School of Architecture

and Engineering， Guangzhou Panyu Polytechnic， Guangzhou 511483， China）

Abstract： "In order to study the influence of different end forms on the deformation of foundation pits in soft soil areas， the horizontal displacement and surface settlement laws of the foundation pit enclosure structure were analyzed based on the typical deep foundation pit project of Zhongshan Science City Pipe Gallery in soft soil areas. The results show that the horizontal displacement of the enclosure structure gradually increases from the pit angle and then tends to stabilize; the surface settlement around the foundation pit first increases and then decreases from the pit angle before stabilizing， and there are areas prone to collapse; the horizontal displacement of the foundation pit enclosure structure of the 90o symmetric end， 120o asymmetric end， and 150o asymmetric end pipe gallery gradually increases from the pit angle， and tends to stabilize at 5.4He， 8He， and 5.3He （He is the excavation depth of the foundation pit）， respectively; the surface settlement of the 90o symmetric end， 120o asymmetric end， and 150o asymmetric end pipe gallery foundation pit tends to stabilize after being 6He， 8.3He， and 5.7He away from the pit angle， respectively. The range of easily collapsed areas is 1.0He～6.0He， 3.57He～7.57He， and 2.14He～5.14He away from the pit angle， respectively. The research results provide a reference for controlling the deformation of foundation pit during the construction of pipe gallery foundation pit in soft soil area.

Key words： soft soil stratum; pipe gallery foundation pit; deformation of foundation pit; pit angle effect; end form

0 "引言

開發(fā)利用地下空間是城市發(fā)展的必然選擇。以城市綜合管廊建設(shè)為例，其不僅能夠提升城市的基礎(chǔ)治理水平，還能夠提高城市居民的生活質(zhì)量。管廊基坑的顯著特點是開挖面積小且深度較大，尤其在軟土地區(qū)施工時，基坑非常容易發(fā)生變形[1-2]。管廊基坑的開挖變形受坑角效應(yīng)的影響較大[3-4]，深入研究坑角效應(yīng)對軟土地區(qū)管廊基坑開挖變形的影響規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對對稱端頭形式基坑在開挖時產(chǎn)生的基坑變形規(guī)律開展了大量研究。OU等[4-6]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)坑角效應(yīng)的影響范圍與基坑長寬比以及距坑角的距離有關(guān)。TAN等[7]通過分析上海軟土地區(qū)狹長地鐵深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與矩形基坑相比，狹長基坑變形的坑角效應(yīng)較小。HSIUNG等[8]對地連墻的撓度變化情況進行了研究，結(jié)果表明地連墻的變形與土體模量和三維轉(zhuǎn)角效應(yīng)密切相關(guān)。LEE等[9]研究發(fā)現(xiàn)基坑長深比對基坑變形的空間效應(yīng)影響較大。盛興旺等[10-11]對考慮坑角效應(yīng)的基坑地連墻的變形規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明坑角效應(yīng)對基坑開挖變形的影響較大，在基坑施工過程中考慮坑角效應(yīng)非常必要。饒秋琛等[12]對長條形基坑分段地連墻的支護特性和支護效果進行了研究，結(jié)果表明在不同區(qū)域設(shè)置不同埋深的墻體能夠滿足安全需求，且經(jīng)濟效益較好。吳挺[13]對分區(qū)寬度對長條形基坑變形的影響進行了研究，研究表明減小分區(qū)寬度能夠提高基坑的穩(wěn)定性。樓春暉等[14]通過分析基坑附近路面和建筑設(shè)施的沉降、裂縫情況，得到基坑開挖對基坑外地表沉降的影響規(guī)律。由于城市空間的限制，在基坑施工時需要避讓已有建筑，因此，非規(guī)則端頭形式的管廊基坑逐漸增多。非規(guī)則端頭形式基坑具有獨特的變形規(guī)律和薄弱點，其開挖形成的陽角和臂長均與規(guī)則端頭形式基坑存在差異。侯玉偉[15]針對上海某異型超深基坑開展了數(shù)值模擬，明確了該異型深基坑的變形薄弱點。沈啟煒[16]依托廈門某異型地鐵工程，通過數(shù)值模擬研究了基坑的開挖變形規(guī)律并提出了合理的施工方案。李煒明等[17]對地鐵車站異型狹長基坑地連墻的變形規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明地連墻的橫向變形可分為往復(fù)型、懸臂型和反彎型，最大變形均集中在墻頂深度為0～1 m處。魏煥衛(wèi)等[18]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析了非規(guī)則基坑開挖導(dǎo)致的冠梁水平位移和支護樁深層水平位移的變化規(guī)律。

目前，基坑變形機理和變形規(guī)律的研究對象大部分為規(guī)則端頭形式基坑，非規(guī)則端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移、地表沉降變化規(guī)律尚不明確。本文依托中山科學(xué)城綜合管廊深基坑工程，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，深入研究基坑變形的影響機理，提出基坑最大沉降比分布曲線擬合公式，揭示不同端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和周圍地表沉降的變化規(guī)律，為典型軟土區(qū)綜合管廊基坑施工過程中控制基坑變形提供參考。

1 "工程概況

本文所依托的管廊基坑工程位于中山科學(xué)城啟航路路段，所處地層為珠三角典型軟土地層，地層從上到下依次為20～35 m厚的淤泥質(zhì)土、15～20 m厚的砂質(zhì)黏性土、10～20 m厚的全風(fēng)化花崗巖。巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

管廊基坑為《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50838—2015）中規(guī)定的干線綜合管廊基坑類型是目前珠三角地區(qū)在建的主要管廊基坑類型?；庸こ涕L為97 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為7.2 m，端頭區(qū)域長為9.3 m，寬為9.9 m，平均開挖深度為 " " 7 m。圍護結(jié)構(gòu)為“灌注樁+鋼支撐”，其中，灌注樁樁徑為80 cm，樁間距為95 cm，平均樁長為30 m。在垂直基坑方向設(shè)置2道鋼支撐，鋼支撐直徑為609 mm，壁厚為16 mm，橫縱向間距均為4 m?；悠矫媸疽庖妶D1，圍護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2 "三維有限元模型驗證

2.1 "數(shù)值模型的構(gòu)建

基坑三維模型的尺寸為280 m（長）×80 m（寬）×60 m（高）。基坑施工前已完成降水，可不考慮地下水滲流對基坑變形的影響。各層土體均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，基坑三維模型見圖2。

剛度等效代換式為

， " " （1）

式中：D為灌注樁樁徑，m；t為灌注樁間距，m；a為等效地連墻厚度，m。

根據(jù)式（1）進行剛度等效代換，樁徑為 " " " " " "80 cm、樁間距為95 cm的灌注樁可用厚度為 " "0.63 m的地連墻開展數(shù)值模擬。地連墻采用實體單元，鋼支撐采用梁單元?；拥撞繛楣潭ㄟ吔?，頂部為自由邊界，約束側(cè)向邊界的法向位移。地連墻與土體采用摩擦接觸，鋼支撐與地連墻采用綁定接觸?；邮┕るA段分析步見表3。

2.2 "模型驗證

基坑施工過程中主要監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和基坑外側(cè)的地表沉降。基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移的實測點布設(shè)見圖3，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移隨入土深度的變化見圖4。由圖4可知，圍護結(jié)構(gòu)水平位移的實測曲線、數(shù)值模擬曲線均呈“鼓脹”型，入土深度為6 m處，各測點的實測水平位移最大；入土深度為7 m處，各測點的數(shù)值模擬水平位移最大，數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果的誤差為5.5%～11.3%。

基坑外側(cè)地表沉降的實測點布設(shè)見圖5，基坑外側(cè)各監(jiān)測斷面處地表沉降對比見圖6。由圖6可知，隨著距坑角水平距離的增大，基坑外側(cè)地表沉降的數(shù)值模擬值和實測值均先增大后減小最終趨于穩(wěn)定。地表沉降的數(shù)值模擬值和實測值的誤差為5.8%～10.8%，數(shù)值模擬較可靠。

3 "基坑變形影響機理分析

3.1 "基坑圍護結(jié)構(gòu)變形影響機理分析

數(shù)值模擬測點和監(jiān)測斷面布設(shè)見圖7，各監(jiān)測斷面處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移見圖8。由圖8可知，基坑開挖完成時，入土深度為（0.8±0.2）He處（He為基坑開挖深度），圍護結(jié)構(gòu)的水平位移最大，該深度范圍內(nèi)，各測點的水平位移相差較小，因此，取入土深度為0.8He處各測點的水平位移作為開挖完成時圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移的代表值。

坑角效應(yīng)影響系數(shù)[19]為

， " " " " " " "（2）

式中：δij為距坑角水平距離為i、距地表深度為j處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移，mm；δj為不受坑角效應(yīng)影響時，距地表深度為j處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移，mm。

根據(jù)式（2）計算圍護結(jié)構(gòu)的坑角效應(yīng)影響系數(shù)，當(dāng)Kij趨于1.0時，可認為基坑變形不受坑角效應(yīng)的影響。擬合得到坑角效應(yīng)影響系數(shù)的分布，見圖9。

由圖9可知，在坑角處圍護結(jié)構(gòu)的變形最小，自坑角至基坑中間段圍護結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，距坑角水平距離大于37.8 m（5.4He）時，Kij接近1.0，表明此時基坑變形已不再受坑角效應(yīng)的影響。

3.2 "基坑外側(cè)地表沉降變形影響機理分析

基坑外側(cè)各監(jiān)測斷面的地表最大沉降分布見圖10。由圖10可知，在距坑角水平距離為70 m處，基坑外側(cè)地表最大沉降已趨于穩(wěn)定值。

地表最大沉降比[21]為

， " " " " nbsp; " " " （3）

式中：δvm，d為距坑角水平距離為d斷面處的地表最大沉降，mm；δvm，70為距坑角水平距離為70 m斷面處的地表最大沉降，mm。

根據(jù)式（3）計算得到各監(jiān)測斷面的地表最大沉降比，擬合得到地表最大沉降比分布曲線，見圖11，擬合公式為

由圖11可知，基坑外側(cè)地表沉降的影響范圍為距坑角0～42 m（0～6He）。距坑角4.8～40 m（0.67He～5.71He）處，基坑外側(cè)地表沉降變形均大于不受坑角效應(yīng)影響區(qū)域的地表沉降變形，可認為該區(qū)域是易塌陷區(qū)域。由于地層條件、基坑尺寸、支撐系統(tǒng)剛度存在差異，導(dǎo)致本文計算得到的坑角效應(yīng)影響范圍大于文獻[20]計算得到的坑角效應(yīng)影響范圍。

3.3 "地表最大沉降比分布曲線擬合公式的適用性

為確定地表最大沉降比分布曲線擬合公式的適用性，以中山科學(xué)城仁愛路管廊基坑為研究對象，基坑總長為79.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為7.4 m，端頭區(qū)域長為9.3 m，寬為10.1 m，平均開挖深度為7.3 m?；榆浲镣翆游锢砹W(xué)參數(shù)見表4。基坑外側(cè)實測地表最大沉降及最大沉降比見表5。

基坑外側(cè)實測地表最大沉降比與擬合曲線對比見圖12。由圖12可知，擬合曲線與實測值吻合較好，表明最大沉降比分布曲線的擬合公式對于典型軟土地層的管廊基坑適用性較好。

4 "端頭形式對基坑變形的影響分析

基于管廊基坑變形機理，對3種不同端頭形式管廊基坑的變形規(guī)律開展研究：①海月路基坑，端頭兩側(cè)均為90o的對稱形式基坑；②寧靜路基坑，端頭一側(cè)為90o、另一側(cè)為120o的非對稱形式基坑；③致遠路基坑，端頭一側(cè)為90o、另一側(cè)為150o的非對稱形式基坑。不同端頭形式的基坑示意見圖13?；佣祟^部分寬為8.5 m，長為9 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為6.5 m，基坑開挖深度為 " 7 m。其余模型尺寸、基坑結(jié)構(gòu)、地層物理力學(xué)參數(shù)均與2.1節(jié)相同，測點和監(jiān)測斷面的選取均與圖7相同。

4.1 "端頭形式對基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響

根據(jù)式（2）計算得到不同端頭形式下基坑的坑角效應(yīng)影響系數(shù)分布，見圖14。由圖14可知，自坑角至基坑中間段坑角效應(yīng)影響系數(shù)逐漸增大，即圍護結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大。90o對稱端頭基坑、120o非對稱端頭基坑和150o非對稱端頭基坑的坑角效應(yīng)影響系數(shù)分別在距坑角37.86 m（5.4He）、56.01 m（8He）、37.01 m（5.3He）處趨于穩(wěn)定。不同端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響范圍見表6。

4.2 "端頭形式對基坑周圍地表沉降的影響

（1）90o對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布見圖15。

由圖15可知，90o對稱端頭形式基坑的坑角效應(yīng)影響范圍為0～42 m（0～6He），距坑角7～42 m（1.0He～6.0He）區(qū)域為易塌陷區(qū)域。

90o對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布曲線的擬合公式為

（5）

（2）120o非對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布見圖16。

由圖16可知，120o非對稱端頭形式基坑的坑角效應(yīng)影響范圍為0～58 m（0～8.3He），距坑角25～53 m（3.57He～7.57He）區(qū)域為易塌陷區(qū)域。

120o非對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布曲線的擬合公式為

（6）

（3）150o非對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布見圖17。

由圖17可知，150o非對稱端頭形式基坑的坑角效應(yīng)影響范圍為0～40 m （0～5.7 He），距坑角15～36 m（2.14He～5.14 He）區(qū)域為易塌陷區(qū)域。不同端頭形式基坑的地表沉降影響范圍和易塌陷區(qū)域見表7。

150o非對稱端頭形式基坑的地表最大沉降比分布曲線的擬合公式為

（7）

5 "結(jié)論

基于中山科學(xué)城管廊基坑工程，通過理論分析、現(xiàn)場實測和ABAQUS數(shù)值模擬，對典型軟土區(qū)基坑變形機理開展了研究，分析不同端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移自坑角起逐漸增大，距坑角5.4He處，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移趨于穩(wěn)定值。地表沉降自坑角起先增大后減小，距坑角6.0He處，地表沉降趨于穩(wěn)定值。易塌陷區(qū)域為距坑角0.67He～5.71He處。

（2）對基坑的最大沉降比分布曲線進行擬合，得到基坑的最大沉降比分布曲線擬合公式，該擬合公式對于典型軟土地層的管廊基坑適用性較好。

（3）不同端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移均自坑角起逐漸增大。90o對稱端頭形式基坑、120o非對稱端頭形式基坑、150o非對稱端頭形式基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移分別在距坑角5.4He、8He、5.3He處趨于穩(wěn)定值。

（4）不同端頭形式基坑的地表沉降均自坑角起先增大后減小，90o對稱端頭形式基坑在距坑角6He處趨于穩(wěn)定，易塌陷區(qū)域為距坑角1.0He～6.0He處；120o非對稱端頭形式基坑在距坑角8.3He處趨于穩(wěn)定，易塌陷區(qū)域為距坑角3.57He～7.57He處；150o非對稱端頭形式基坑在距坑角5.7He處趨于穩(wěn)定，易塌陷區(qū)域為距坑角2.14He～5.14He處。

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