软土地区特大型基坑开挖对周边环境的影响研究

【摘要】城市综合体应运而生。目前已建成的城市综合体：北京万达广场（约50万m2）、上海尚浦领世广场（约90万m2）、深圳华润中心（约50万m2）、香港太古广场（56万m2）等。 巨型城市综合体...

摘 要：天津嘉里中心基坑面积73011m2，属于软土地区特大型基坑。紧邻津滨轻轨地铁9号线，周边环境复杂，变形量控制极其严格，基坑支护设计和施工难度大。整体采用中心岛支护，反压土台区应用旋喷锚桩+斜抛撑联合支护。本文通过软件模拟结合施工监测数据，对不同工况环境（周边土体、地铁车站、盾构隧道）的影响进行了对比研究。

关键词：特大型基坑；软土；施工监测

中图分类号： TU7 文献标识码： A

前言

随着中国经济飞速发展，大量农民工流向了城市。中国迅速进入了由农业为主的乡村社会向以工业和服务业为主的现代城市社会转变的历史进程。

城市综合体应运而生。目前已建成的城市综合体：北京万达广场（约50万m2）、上海尚浦领世广场（约90万m2）、深圳华润中心（约50万m2）、香港太古广场（56万m2）等。

巨型城市综合体的整体开发建设，带来了特大型基坑开挖对周边环境的显著影响问题。尤其在软土地区，由于软土的“时空效应”造成此种影响的表现更加突出，危害巨大。特大型深基坑工程对周边环境的影响已成为岩土工程界亟待解决的难题。

1965年7月1日开工建设的北京地铁是中国第一条地铁。地铁为日益膨胀的国际化大都市提供了更好的交通运输方式；但深埋地铁的建成给后续相应区域的地下工程开发提出了严峻的环境变形保护问题。

1 工程概况

天津嘉里中心位于河东区六经路和六纬路交汇处，占地面积86164m2，基坑面积73011m2，大面坑深15.4～16.3m，最深处达23m。

基坑四周为六经路、六纬路、八经路、海河观光大道等市政主干道，地下管线密集，环境极为复杂。尤其是在六纬路上正在修建地铁9号线(津滨轻轨)大王庄站和区间隧道，与本基坑边线仅20余m，其环境变形量控制极其严格，见图1。

2 工程地质和基坑设计

拟建场地第四系松散堆积层发育，厚度较大，70m勘探深度范围内的土层皆为第四系全新统（Q4）及上更新统（Q3）堆积层等[1]。基坑开挖平面尺度大，整体围护、分期开发，大面采用中心岛支护形式[2-3]，见图2。由于业主建筑使用功能调整原因同

时考虑天津地铁9号线建设运营进度，对六纬路侧

前期采用中心岛留设两级反压土台护坡、后期采用4道旋喷锚桩+1道钢斜抛撑的联合支护形式见图3。

图1 工程周边环境图 图4 中心岛完成图

图2 前期中心岛支护剖面图

图3 后期地铁侧支护剖面图

2010年1月基坑大部分已完成中心岛部分，局部底板完成。C1/C2区局部结构已出地面见下图4。本文对比研究仅针对地铁侧反压土台。

3 数值模拟

3.1模拟简述

在工程实施前，利用模拟技术，分析开挖施工各工况的基坑和环境变形，预测基坑支护结构和土体内部的变形趋势，对支护设计方案进行比较和优化；在工程实施过程中，结合现场监测，评判最优设计并有效控制施工。

1）建模原则

采用二维模型，考虑旋喷锚桩施工过程的影响。

考虑基坑开挖对周边环境的影响。

2）边界条件

水平方向外扩6倍开挖深度约100m；底部影响区沿基坑底再向下取3倍基坑深度约60m，基本可以消除边界效应对计算结果的影响（X、Y方向约140×60m 16000个单元）。模型上表面为自由边界，下表面为Y向位移固定，左右边界为X向位移固定，见图5。

3）模型概述

土体本构为摩尔－库仑模型，该模型适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料[4-5]。护坡桩、支撑等均采用弹性模型。模拟分3种情况进行：a）周边土体环境；b）地铁车站环境；c）地铁隧道环境。

3.2 模拟结果

图5 初始状态数值模型

图6 开挖到第4道锚桩底的水平位移场

图7 开挖至槽底的水平位移场

相当地铁车站右侧44.4mm 地铁车站右侧1.9mm 盾构隧道右侧1.3mm

图8 开挖至槽底，水平位移最大值

100mm19.46mm19.6mm

图9 开挖至槽底，护坡桩水平变形最大值

由上模拟可知，在软土地区特大型基坑开挖对周边环境的影响巨大，量级在100mm以上。天津翔宇广场、天津前广场基坑等工程监测数据均达到了此量级变形[2~3]。

因此，在基坑开挖和周边地铁构建过程中，需要协调相互建造插入时间点。以优先开挖基坑中心岛，提前释放周边环境变形；而后构建地铁结构；最后在地铁结构完成，而尚未运营通车前，完成中心岛反压土的开挖和相应地下室结构施工。如此施工流程将大大减少中心岛超大基坑与周边地铁的相互影响；且在周边地铁车站、地铁隧道形成后，因其阻断了周边更远处的水平土压力，形成局部有限范围土体环境，再开挖反压土台时对护坡桩的影响将从100mm降低到20mm量级。因为地铁车站的整体刚度更大，其降低的效果更明显。

4 基坑施工和监测

基坑局部于2008年12月开始土方开挖，至2009年3月到槽底。开挖过程中，降水效果较好，基本未发现明显的积水。图10为中心岛施工实景照片。

图10 中心岛施工照片

2010年3月进行六纬路侧旋喷锚桩施工及反压土台开挖，7月到底；基坑开挖对地铁轨道的影响很小（

图11 旋喷锚桩施工

通过持续施工监测，得到了大量监测数据。基坑最大水平位移约125mm，其中较大的变形量主要发生在反压土护坡形成及持续过程中，即2010年03月以前约100mm；而反压土开挖阶段，旋喷锚桩施工过程中发生的变形量相对较小约20mm，见下图12。反压土区域地下结构施工阶段，基坑变形增长值和增长速率都大大降低，变形曲线趋于收敛且基坑变形规律与理论曲线较吻合，说明基坑达到稳定状态[3]。

图12 反压土台开挖至槽底水平变形增量曲线

5 结语

（1）基坑支护方案总体合理，根据不同工况调整施工顺序，保证了基坑周边环境及邻近地铁的安全。

（2）反压土台属于被动支护，中部主体结构施工应尽量缩短施工时间，及时形成支撑。

（3）采用数值模拟计算对比研究，为深基坑开挖不同形式对周边环境的影响提供了有效评估；从而在实际中，可选择对周边环境影响小的方式，大大减小基坑施工对紧邻地铁等的影响，保护周边环境。

参考文献：

[1] 中国地质科学院工程勘察院．天津南站CBD综合发展计划工程地质工程勘察报告．2006．

[2] 龚晓南．基坑工程实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．

[3] 周予启，刘卫未．软土地区超大深基坑中心岛支护方案设计与施工[J]．施工技术，2011，5：52-58

[4] Liu, B., C. Yang, T. Li, Y. Han and Y. Zhou. FLAC3D Modeling of Deep Foundation Pit Excavation Near a Subway Station[C] . Proceedings, 2nd International FLAC/DEM Symposium (Melbourne, February 2011), Paper 03-08, pp. 161-170. D. Sainsbury et al., Eds. Minneapolis: Itasca International Inc., 2011.

[5] 周予启，秘志伟．津塔基坑施工监测和数值模拟分析[J]．天津建设科技，2011，2：24-27