摘 要：该文通过不同宽深比基坑坑底隆起的数值模拟，分析了基坑宽度效应对坑底隆起的影响。研究揭示了不同宽深比基坑坑底隆起变形的规律，表明随着基坑宽深比的不断增加，坑底最大隆起量不断增大。结合上海东西通道上跨地铁二号线的工程实例分析，指出对环境保护要求极高的宽大基坑，可通过将大基坑划分为小基坑的方式有效地控制坑底隆起。

关键词：基坑工程；宽度效应；坑底隆起

 

      城市基坑工程对变形控制要求越来越严格，以强度控制设计为主的方式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代^[1]。坑底隆起是垂直卸载而改变坑底土体原始应力状态的反应，基坑开挖的直接表现是土体隆起^[2]。对坑底隆起变形的估算通常直接建立与基坑开挖深度间的关系^[3、4、5]，而缺乏对基坑宽度影响的详细分析。本文采用 Plaxis有限元分析程序^[6]，分析基坑宽度效应对坑底隆起的影响规律；在此基础上，结合工程实例，分析大尺度基坑坑底隆起的控制方法。

 

      采用 Plaxis 有限元程序分析不同宽深比基坑（宽 深 比 B/H 分 别 取 为 0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、10.0）对坑底隆起的影响。

      基坑开挖深度 H=8.0 m，入土深度 D=8.0 m，基坑宽深比 B/H=0.5（B=4.0 m）、1.0（B=8.0 m）、2.0（B=16.0 m）、3.0（B=24.0 m）、5.0（B＝40.0 m）、10.0（B=80 m）。基坑支护结构采用 400 mm 厚地下连续墙，设置两道支撑，第一道支撑为地面以下1.0 m，第二道支撑为地面以下 5.0 m。左右边缘距相应围护结构净距离为 80.0 m（10H），下边缘距离围护结构底为 44.0 m。在计算域边界设置竖向滑动约束，底部设置完全固定约束。基坑几何模型及有限元模型见图 1、图 2 所示。

      土体采用摩尔－库仑材料模型，计算分析时设两层土层，地面至开挖面以下 4.0 m 为粘土层，开挖面以下 4.0 m 至模型底为砂土层，桩底插入砂土层以下 4.0 m。土层参数见表 1 所列。

      支护结构参数：EA=1.2×10⁷kN/m，EI=1.5×10⁵kN/m，ν=0.2。

      内支撑参数：EA=6.0×10⁶kN/m，支撑水平间距4.0 m，支撑长度 8.0 m。

      由于分析主要侧重基坑卸荷对周边环境的影响，因此，在本构模型选择 Mohr-Coulomb 的前提下，对土体的弹性模量取常规压缩模量的 3～6 倍。

      对不同宽度基坑进行计算分析时，仅基坑宽度变化，其他参数均保持不变，包括支撑刚度。1.3 数值模拟结果与分析（见图 3、图 4）。

      图 3 给出了不同基坑宽度时坑底的隆起变形，当基坑宽度较小（B=4 m、8 m）时，基底隆起呈馒头形状，基坑中心点隆起量最大，此时基坑隆起主要由支挡结构的入土深度部分向基坑内变形而形成，且基坑两侧支挡结构的入土深度部分向基坑内的变形相叠加，从而形成馒头形状；当基坑宽度逐渐增大（B=16 m、24 m）时，基底隆起呈双峰形状，基底中心点隆起量较小，在位于坑壁一定距离处基坑隆起量较大，此时基坑隆起主要由支挡结构的入土深度部分向基坑内变形而形成，但基坑两侧支挡结构的入土深度部分向基坑内的变形不重叠，从而形成双峰形状；当基坑宽度继续增大（B=40 m、80 m）时，基底隆起仍呈双峰形状，但基底中心点隆起量增加，最大隆起量发生在基底中心，此时基坑卸载引起的坑底回弹起控制作用。由图 4 可知，随着基坑宽度的不断增加，坑底最大隆起量不断地增大。

      土体的回弹变形带动坑外地表土体的隆起变形，基坑宽度越大，地表的隆起变形越大，隆起变形的影响范围也越大。

      值得注意的是，在离坑边距离超过约 25m（3H）后，不同开挖宽度基坑周边土体的隆起量趋于相同。由此可见，即便对于开挖范围很大的基坑，其监测区域取 3H 一般可满足环境保护要求。

 

      上海东西通道工程为双向 4 车道，在小陆家嘴区域与地铁二号线区间隧道呈 30°立体斜交，底板底与区间隧道间净距约 4.0 m，两区间隧道净距约 36.0 m。该区段基坑宽约 27.0 m，基坑开挖深度 10.0~11.0 m。见图 5、图 6 所示。

      由上述数值模拟研究可见，基坑越宽坑底隆起量越大。为减小基坑开挖过程中坑底的隆起量及其对区间隧道变形的影响，如图 7 所示，沿基坑纵向设置 24 堵分隔墙，将大基坑划分为 25 个小基坑，基坑宽度 6.0 m，先实施 A 基坑（共 7 个），再实施 B 基坑（共 6 个），最后实施 C 基坑（共 12 个）。

      采用 3D 有限元对基坑开挖过程进行模拟，分析模型如图 8 所示。