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摘要：采用大型三维有限元程序对复杂深基坑进行三维数值模拟研究，定量分析了坑中坑这一群坑工程开挖引起的耦合效应，包括开挖引起的围护结构的变形、坑外地表沉降、坑中支撑轴力的影响。
关键词：数值模拟；坑中坑；耦合效应
中图分类号： TV551.4文献标识码：A 文章编号：
0 引言
当不同建设项目在同一区域综合建设时，会先后进行一系列大小、形状、深度不同的基坑施工，由于受施工影响的土体范围存在叠加，造成基坑工程间存在相互影响与耦合作用，多个基坑开挖对外存在耦合与叠加作用，基坑群开挖作用结果与单个基坑开挖不同，与群坑的形状、大小、空间相对位置、施工顺序有关，这些作用与其作用结果共同组成“群坑效应”。
“群坑效应”最主要的影响因素为群坑开挖耦合效应。其主要作用结果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，坑中坑是群坑典型代表。本文采用FLAC3D数值计算方法主要对自然博物馆工程总的坑中坑开挖引起耦合效应进行分析。
1 工程概况
工程位于上海市静安区，地块内有自然博物馆工程、地铁13#线1期9标段自然博物馆站工程、静安60#地块三个大型工程。在地下空间的建设上形成了以自然博物馆、静安60#地块基坑为主体，叠加轨交车站基坑的多重组合式深大异形基坑群工程，为减少群坑施工相互影响，将基坑群进行了合理划分，工程划分情况及周边环境见图1。
地铁13#号线自然博物馆站为为下穿自然博物馆基坑的坑中坑，先开挖自然博物馆大基坑，开挖到底板后继续开挖13#线车站基坑。
图1 基坑分区与周边环境
2 模型建立
（1）模型及边界条件
结合工程实际情况，由于工程三个大型基坑的几何形状并不对称，分步施工会造成影响的叠加，故采用全模型进行计算。基坑开挖的影响深度为开挖深度的2~4倍，影响宽度为开挖深度的3~4倍，确定模型长为450m、宽为230m、高为60m，采用八面体网格，計算单元15万个。
采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约束法向水平方向位移，底面约束（x、y、z）3个方向位移，基坑周边存在大型建筑楼体，考虑到最不利的因素，在距基坑边缘15 m处施加均布荷载200kPa。计算过程中，首先生成初始应力平衡，再模拟实际工况分步骤地进行地连墙施做和土体分区的开挖与加撑，土体开挖与支撑通过关闭和激活实体单元与结构单元实现。
有限元计算模型如图2所示。
图2 整体计算模型与网格
（2）材料选取及材料参数
经验表明，在上海地区采用软土模型更适合，所以土体采用修正剑桥模型，采用上海经验参数，地下连续墙采用弹性模型。钢支撑与钢管支撑采用结构单元——梁单元（beam），梁结构单元由两个节点之间具有相同对称截面的直线段构成，一个整体的结构梁则由许多这样的梁结构组成而成。
3 坑中坑开挖耦合效应分析
（1）围护结构变形
本工程中坑中坑开挖耦合效应典型的地区为车站区间开挖对自然博物馆的影响，由于大型基坑通常形状不规则，选取典型断面监测点，对围护结构交汇点的围护墙位移进行分析。为简化计算，自然博物馆开挖深度为17m，车站区间在自然博物馆的基础上开挖再开挖8m。
图3自然博物馆围护结构上的监测点
各监测点在不同施工阶段的位移如图4所示：
图4 围护结构交汇点的围护墙位移
（2） 坑外地表沉降
针对各坑开挖过程地表变形的累计曲线进行研究，每步工况下的沉降曲线不断的累计叠加，选取本工程中的多个坑外地表沉降监测点，选取存在叠加的重点位置，测点如图5所示：
图5 自然博物馆外沉降点
监测点的沉降监测从南基坑开挖阶段即开始进行，不仅可以研究60#地块开挖对沉降的影响，还可以监测整个施工过程地表沉降的变化。
相关地表沉降监测点沉降监测数据如图6所示：
图6 自然博物馆外地表沉降点时程曲线
从数据统计结果表明，受周围基坑开挖的影响，地表出现变形，开挖自然博物馆时，地表变形迅速增大，造成的地表沉降量约占总沉降量的70%。
区间开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，区间开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降。
（3）坑中坑开挖支撑受力
群体基坑一般面临平面布置异形，坑内纵深存在落差。因此存在坑中坑的现象，坑中坑的支撑受力及在开挖过程中上部支撑的受力与普通基坑不同，所以应该研究坑中坑的支撑受力和在开挖区间过程中上部支撑的受力情况，对自然博物馆下部车站区间开挖过程中坑中坑的支撑和自然博物馆的支撑进行测点监测，测点位置如图7所示：
图7 测点布置图
取开挖下部基坑这一过程的轴力和弯矩来研究群坑支撑体系面临的危害，自然博物馆下部车站区间在开挖期间的支撑受力随时间变化如图8所示：
图8 自然博物馆下部车站区间的支撑受力随时间变化
开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化如图9所示：
图9 开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化
所以由图9可知，区间开挖期间，区间内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
4 小结
由群坑开挖耦合效应分析可得，对坑中坑工程，主要变形发生在上部开挖过程中，下部坑中坑的深部开挖会增大上部大基坑墙体的变形；下部基坑开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，下部基坑开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降；下部基坑开挖期间，下部基坑内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
参考文献：
赵琪.软土地基条件下多层次复合基坑群高效施工组织研究[J].建筑机械化，2012，(增)：64-67.
关键词：数值模拟；坑中坑；耦合效应
中图分类号： TV551.4文献标识码：A 文章编号：
0 引言
当不同建设项目在同一区域综合建设时，会先后进行一系列大小、形状、深度不同的基坑施工，由于受施工影响的土体范围存在叠加，造成基坑工程间存在相互影响与耦合作用，多个基坑开挖对外存在耦合与叠加作用，基坑群开挖作用结果与单个基坑开挖不同，与群坑的形状、大小、空间相对位置、施工顺序有关，这些作用与其作用结果共同组成“群坑效应”。
“群坑效应”最主要的影响因素为群坑开挖耦合效应。其主要作用结果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，坑中坑是群坑典型代表。本文采用FLAC3D数值计算方法主要对自然博物馆工程总的坑中坑开挖引起耦合效应进行分析。
1 工程概况
工程位于上海市静安区，地块内有自然博物馆工程、地铁13#线1期9标段自然博物馆站工程、静安60#地块三个大型工程。在地下空间的建设上形成了以自然博物馆、静安60#地块基坑为主体，叠加轨交车站基坑的多重组合式深大异形基坑群工程，为减少群坑施工相互影响，将基坑群进行了合理划分，工程划分情况及周边环境见图1。
地铁13#号线自然博物馆站为为下穿自然博物馆基坑的坑中坑，先开挖自然博物馆大基坑，开挖到底板后继续开挖13#线车站基坑。
图1 基坑分区与周边环境
2 模型建立
（1）模型及边界条件
结合工程实际情况，由于工程三个大型基坑的几何形状并不对称，分步施工会造成影响的叠加，故采用全模型进行计算。基坑开挖的影响深度为开挖深度的2~4倍，影响宽度为开挖深度的3~4倍，确定模型长为450m、宽为230m、高为60m，采用八面体网格，計算单元15万个。
采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约束法向水平方向位移，底面约束（x、y、z）3个方向位移，基坑周边存在大型建筑楼体，考虑到最不利的因素，在距基坑边缘15 m处施加均布荷载200kPa。计算过程中，首先生成初始应力平衡，再模拟实际工况分步骤地进行地连墙施做和土体分区的开挖与加撑，土体开挖与支撑通过关闭和激活实体单元与结构单元实现。
有限元计算模型如图2所示。
图2 整体计算模型与网格
（2）材料选取及材料参数
经验表明，在上海地区采用软土模型更适合，所以土体采用修正剑桥模型，采用上海经验参数，地下连续墙采用弹性模型。钢支撑与钢管支撑采用结构单元——梁单元（beam），梁结构单元由两个节点之间具有相同对称截面的直线段构成，一个整体的结构梁则由许多这样的梁结构组成而成。
3 坑中坑开挖耦合效应分析
（1）围护结构变形
本工程中坑中坑开挖耦合效应典型的地区为车站区间开挖对自然博物馆的影响，由于大型基坑通常形状不规则，选取典型断面监测点，对围护结构交汇点的围护墙位移进行分析。为简化计算，自然博物馆开挖深度为17m，车站区间在自然博物馆的基础上开挖再开挖8m。
图3自然博物馆围护结构上的监测点
各监测点在不同施工阶段的位移如图4所示：
图4 围护结构交汇点的围护墙位移
（2） 坑外地表沉降
针对各坑开挖过程地表变形的累计曲线进行研究，每步工况下的沉降曲线不断的累计叠加，选取本工程中的多个坑外地表沉降监测点，选取存在叠加的重点位置，测点如图5所示：
图5 自然博物馆外沉降点
监测点的沉降监测从南基坑开挖阶段即开始进行，不仅可以研究60#地块开挖对沉降的影响，还可以监测整个施工过程地表沉降的变化。
相关地表沉降监测点沉降监测数据如图6所示：
图6 自然博物馆外地表沉降点时程曲线
从数据统计结果表明，受周围基坑开挖的影响，地表出现变形，开挖自然博物馆时，地表变形迅速增大，造成的地表沉降量约占总沉降量的70%。
区间开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，区间开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降。
（3）坑中坑开挖支撑受力
群体基坑一般面临平面布置异形，坑内纵深存在落差。因此存在坑中坑的现象，坑中坑的支撑受力及在开挖过程中上部支撑的受力与普通基坑不同，所以应该研究坑中坑的支撑受力和在开挖区间过程中上部支撑的受力情况，对自然博物馆下部车站区间开挖过程中坑中坑的支撑和自然博物馆的支撑进行测点监测，测点位置如图7所示：
图7 测点布置图
取开挖下部基坑这一过程的轴力和弯矩来研究群坑支撑体系面临的危害，自然博物馆下部车站区间在开挖期间的支撑受力随时间变化如图8所示：
图8 自然博物馆下部车站区间的支撑受力随时间变化
开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化如图9所示：
图9 开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化
所以由图9可知，区间开挖期间，区间内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
4 小结
由群坑开挖耦合效应分析可得，对坑中坑工程，主要变形发生在上部开挖过程中，下部坑中坑的深部开挖会增大上部大基坑墙体的变形；下部基坑开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，下部基坑开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降；下部基坑开挖期间，下部基坑内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
参考文献：
赵琪.软土地基条件下多层次复合基坑群高效施工组织研究[J].建筑机械化，2012，(增)：64-67.