大型深基坑开挖施工围护变形控制技术

大型深基坑开挖施工围护变形控制技术
摘要：本项目在基坑开挖施工过程中以“快速开挖、快速支撑、流水作业”为宗旨，通过模拟计算与方案优化，对基坑开挖分块及施工流程进行不断完善；使施工方
案更趋合理，开挖过程中形成的局部受力体系更加完善，既提高了施工效率，又
控制了基坑变形，降低了基坑施工的风险。

关键词：基坑开挖、围护变形、模拟分析
Large deep foundation pit excavation retaining deformation control technology QianFeng (Shanghai tunnel engineering co., LTD., Shanghai 200082)
Abstract: the project in the excavation construction process in order to "rapid excavation, fast support, operation flow" for the purpose, through the simulation and optimization, the excavation block and the construction process of continuous improvement; Make construction scheme more reasonable, in the process of excavation of the local stress system to be more perfect, can not only enhance the efficiency of construction, and control of the foundation pit deformation and to reduce the risk of construction of foundation pit.
Keywords: excavation and retaining deformation, simulation analysis
1. 序
基坑开挖是基坑工程施工的重中之重，也是基坑施工的主要风险点。

基坑开
挖施工需综合考虑基坑特点、周边环境、支撑结构形式和施工流程、围护变形控
制要求等等诸多因素。

在本项目施工中，首先根据基坑结构特点拟定初期开挖方案，选择合理的分
块开挖流程，并与支撑结构制作相匹配，从而控制基坑变形；方案制定过程中通
过基坑变形模拟分析，确保基坑变形量在允许范围内。

在基坑开挖的过程中，根
据围护变形实测数据对施工方案进行优化，提高施工效率，降低基坑施工风险。

2. 工程概况
上海青草沙五号沟泵站主基坑为长方形结构，平面外包尺寸为135.2m×89.2m，开挖深度为21.2m。

基坑采用36m深、1m厚的地下连续墙作为围护结构，地下
连续墙接头形式为锁口管接头，墙趾进入⑤32粘质粉土层。

开挖阶段采用5道
钢筋混凝土支撑体系作为围护的水平支撑体系。

图1 基坑平面示意图图2 基坑剖面示意图
3. 初期开挖方案
3.1 控制基坑变形的原则
本项目基坑的支撑体系，分为角撑体系、南北向对撑和圆环加强支撑，整个
支撑体系结构工作量大，每一道支撑的成型周期较长。

基坑开挖阶段，土方开挖与空腔结构分块施工的协调：施工时严格以快速提
高基坑内体系的整体刚度为原则，控制基坑无支撑暴露面积和时间，快速形成内
支撑体系，减少支撑体系的养护与土方开挖的相对冲突，形成流水作业。

本项目土方开挖根据支撑结构的特性，先开挖中间对撑位置，然后开挖四角
部位，最后开挖中间环撑。

贯彻“连续开挖，结构不停”的流水施工理念，充分发
挥机械设备和人员的施工效率。

3.2 初期方案开挖流程
从支撑作用的划分可以看出，对撑和角撑体系是整个支撑的关键部分，也是
可以自成体系并独立发挥作用的支撑。

基于此，并综合考虑了基坑开挖的方量并
结合施工机械等条件，从确保同层“每块开挖的方量接近”出发，制定了基坑开挖
的流程如下：先进行中间对撑体系制作，将基坑一分为二，化整为零，减少基坑
变形，控制基坑风险，然后四角，最后形成环撑为了减少对围护结构的影响，开
挖时遵循“分层、分块、对称、限时、快速支撑”的原则。

按照前述开挖原则，将每道支撑开挖范围分为A、B、C3个区，再细分为15
个分块进行开挖，基坑开挖过程中，先开挖C区，然后A和B两个区域同时施工。

开挖流程如下：
图3 初期开挖步骤
（1）先开挖基坑中部的C1块；
（2）开挖C2块土方，同时制作C1块钢筋混凝土支撑；
（3）开挖A1-1和B1-1块土方，同时制作C2块钢筋混凝土支撑；
（4）开挖A2-1和B2-1块土方，制作A1-1、B1-1块钢筋混凝土支撑；
（5）开挖B1-2和A1-2块土方，制作A2-1、B2-1块钢筋混凝土支撑；
（6）开挖A2-2和B2-2块土方，制作B1-2、A1-2块钢筋混凝土支撑；
（7）开挖A3和B3块土方，制作A2-2、B2-2块钢筋混凝土支撑；
（8）开挖A4和B4块土方，制作B3块、A3块钢筋混凝土支撑；
（9）制作A4和B4块钢筋混凝土支撑，完成全部一层的开挖施工。

4. 基坑变形和内力模拟分析
4.1 建模分析
根据基坑形式和初期开挖方案，采用三维有限元模型对基坑开挖的过程进行
数值模拟。

分析开挖过程中各阶段土体位移及应力、围护和支撑体系结构的变形
及应力的变化，对实施施工阶段的可能获得的数据作出预判，作为施工风险控制
的依据。

基坑开挖过程中，将实际监测数据和数据模拟预测进行比较，并分析差
异原因，为有限元模拟在今后同类工程中的应用提供参考依据。

青草沙五号沟泵站工程基坑计算边界的选取，基坑水平方向沿边界向周围各
扩展约2.6倍基坑开挖深度，模型长度为260m。

底部影响区沿基坑底部向下取3
倍的基坑深度，约为80m。

根据计算的目的，该模型的整个边界的尺寸可以消除
边界效应对计算结果的影响。

由于是平面计算，基坑基本是矩形，本计算区域采
用非对称结构来进行开挖计算模拟
4.2 模拟计算结果
根据模拟分析，基坑范围土体在开挖前处于平衡状态，随着基坑开挖过程的
进行，土体平衡状态被破坏，应力重新分布。

在基坑开挖阶段，随着土层开挖支
撑体系的设置，围护结构的受力状况处于变化状态，突发和偶然情况等随机因素
使得围护结构的应力状态难以预料。

基坑变形的大小主要取决于基坑的宽度、开
挖深度、地层的性质、墙体的刚度、入土深度以及基坑的暴露时间、支撑的及时
性和支撑刚度、位置、降水等。

所以及时设置支撑、减少基坑的暴露时间将对减
小基坑围护墙体变形起着重要作用，这就是“时空效应”。

图4 地下连续墙位移包络图
基坑围护结构变形随着开挖进行逐渐变大，围护结构下部变形较大，最大值
为28mm；围护结构与支撑的弯矩和轴力随基坑开挖施工的进行，前后变化较大；而剪力值虽也逐渐增大，但变化幅度与弯矩和轴力相比，要小得多。

内力分布在
基坑开挖施工各阶段均在工程安全范围之内。

5. 开挖方案优化
在开挖和制作第三道支撑前，对前期开挖方案的实施效果进行了分析，发现
围护结构变形情况好于预期，但每层开挖的工期较长、设备利用效率不充分，针
对这一情况我们进行了开挖流程优化。

（1）中心思想不变：首先开挖中间对撑部位（C1→C2），形成中间对撑控制基坑变形；
（2）开挖角部A1、B1区域，并形成角撑，再开挖A2、B2块土方，形成角撑；
（3）最后开挖环撑部位土体，形成整个支撑体系。

方案优化后每道支撑制作和土方开挖时间从30天减少到25天，设备得到充
分利用，虽然每次暴露的基坑围护面积有所增大，但缩短了暴露时间，经过监测，围护变形量仍在允许范围内。

6. 实测结果和模拟预期比较
图5 地下连续墙水平位移分布图
从以上现场实测与数值计算比较情况来看，计算结果较实测值要小，其主要
原因在于：
① 围护墙体计算刚度的选取与实际完成地下墙的墙体刚度有一定差异；
② 模拟计算条件下参数选取不能做到与实际完全一致；
③ 地下水的存在对实际工程影响较大，基坑开挖过程中，须进行持续不断的降水施工，由于群井同时降水，日抽水量极大，在地层中形成一定的向基坑内的
动水压力，尤其是在地墙底部压力相对较大，加大了地墙侧向变形；
④ 模型边界理论采用了简化处理；
⑤ 模型网格划分有自身的局限性；
⑥ 支撑效果显现的延迟。

该基坑变形时空效应比较明显，由于一层土体的土方量大、开挖时间周期长的客观原因，混凝土支撑浇筑完成到具备一定的强度有
一个过程，地下连续墙在支撑架设完成后依然发生持续的变形，这种地墙在基坑
开挖暴露阶段的变形在开挖过程的累积量相当可观。

综合以上分析，理论计算基坑开挖的位移及内力变化趋势与实际吻合，是可
以信任的，可以为工程实际提供指导性结论。

7. 结论
本项目通过基坑开挖模拟计算与现场开挖工况及基坑变形监测的相互验证，
不断完善，依据基坑变形发展趋势及施工基坑开挖分块及围护暴露实际时间等因素，及时动态调整计算，及时调整基坑开挖分块及流程。

以“快速开挖、快速支撑”为宗旨，使土方开挖与支撑施工的分层分块优化，局部受力体系更加完善，既提
高了施工效率，又减小了基坑变形，降低了基坑施工的风险。