随着城市建设发展，建筑物和地下管线越来越密集，对深基坑工程的要求也越来越严格，不仅要确保基坑开挖过程中整体的稳定性，还要确保基坑附近地表地下建（构）筑的安全和正常运行。因此，分析基坑开挖、降水、支护过程引起的邻近建（构）筑物的变形研究尤为重要。

依托北京市通州区某紧邻地下综合管廊的不规则深基坑工程，通过数值模拟和现场监测相结合的方法研究基坑降水开挖过程中，基坑整体稳定性以及对紧邻综合管廊受力变形的影响。

1　工程概况

本工程拟建场地位于北京市通州区，项目基坑北侧与东侧分布有各类管线及综合管廊。其中基坑北侧分布有污水管线、明德街综合管廊、雨水管线等，放坡上口线距离明德街综合管廊最近处约12.4?m。基坑东侧分布有污水管线、畅和西路综合管廊、雨水管线等，其中畅和西路综合管廊在该侧某一剖面坡体范围内，在基坑支护设计时已采取对管廊躲避的支护形式。因此，在基坑降水开挖过程中，需考虑对两个紧邻地下综合管廊受力变形的影响。

勘察报告显示，场地内层为人工填土层，其下为新近沉积层、一般第四系冲洪积层，岩性以粘性土、粉土及砂土层为主，相关地层参数见表1。

其中： E 为弹性模量， φ 为内摩擦角， ν 为泊松比， c 为粘聚力。 基坑最大开挖深度为14.15m，位于地下水位以下，需要进行降水处理。

基坑地下水控制采用基坑周边布置降水井的措施。降水井井径600mm，井间距10.0m，井深20.0m，共布置35口降水井。基坑北侧地下3层区域、基坑东侧区域采用土钉墙+桩锚支护形式，其余区域采用复合土钉墙、放坡+土钉墙支护。

2　数值模拟分析

2.1　数值模型建立

本项目基坑为不规则形状基坑，长边约100m，深14.15m，根据建模的一般规定，模型尺寸取330m（长）×310m（宽）×43m（高）。地基土采用材料属性为修正摩尔–库伦弹塑性模型的实体单元表示。在支护结构中，冠梁采用C30混凝土浇筑而成，腰梁采用16b槽钢进行支护，两者均通过梁单元进行模拟，土钉与锚杆按照植入式桁架进行模拟。

综合管廊内墙、外墙、顶板及底板均采用C35混凝土浇筑而成的弹性模型板单元进行模拟，其中综合管廊外墙厚度均为800mm，明德街综合管廊设置3道内墙，畅和西路综合管廊设置两道内墙，内墙厚度均为300mm。基坑位置十分靠近两个既有地下综合管廊位置，距基坑北侧明德街管廊约18m，距基坑东侧畅和西路综合管廊17m，整体模型图如图1所示。

由于基坑形状复杂不规则，形成了不同的支护断面，如图2所示。

图2　基坑支护断面划分示意

根据不同断面处土压力以及周边环境的不同，分别设置了不同的支护结构，具体如下：1–1断面支护结构为土钉（6道）+锚杆（2道）+腰梁（2道）；2–2断面支护结构为土钉（6道）+锚杆（1道）+腰梁（1道）；3–3断面支护结构为打入式压网筋（2道）+土钉（5道）；4–4断面支护结构为打入式压网筋（2道）+冠梁（1道）+护坡桩；5–5断面支护结构为土钉（5道）+锚杆（2道）+冠梁（1道）+腰梁（1道）+护坡桩。

2.2　计算过程

结合现场实际施工环境和施工工序，该模型按照施工阶段进行求解，具体施工阶段设置如下：（1）初始渗流场分析；（2）初始应力场分析；（3）管廊施工：施工现场北侧及东侧管廊施工；（4）护坡桩施工：施工现场护坡桩施工；（5）土钉支护：部分区域存在边坡，进行土钉支护；（6）开挖1：基坑开挖由原始地面–3.35m开挖至–5.55m，并进行支护；（7）开挖2：基坑开挖由原始地面–5.55m开挖至–7.75m，并进行支护；（8）开挖3：基坑开挖由原始地面–7.75m开挖至–9.95m，并进行支护；（9）开挖4：基坑开挖由原始地面–9.95m开挖至–12.15m，并进行支护；（10）降水：施工降水，由–13.5m降至–15.5m；（11）开挖5：基坑开挖由原始地面–12.15m开挖至–14.15m，并进行支护。

在计算过程中，假定地下水渗流符合达西定律，且各方向的渗透系数固定，不随时间和空间发生变化。根据现场实际工况，采用水头边界条件模拟降水过程，降水时间设定为1周。通过在计算过程中激活和钝化节点水头，实现基坑降水过程的模拟。

2.3　结果分析

2.3.1 基坑开挖完成后的整体位移分析

从开挖完成后的整体沉降云图可以看出，基坑的降水开挖导致周边地层发生沉降，坑底有略微隆起变形。由于基坑形状的不规则，开挖所引起的沉降分布也不均匀。沉降较大的位置主要出现在基坑的西北侧和东北侧，即基坑北侧“尖”的两侧，最大沉降约为8mm。

根据开挖完成后的水平位移云图可知，其中 x 向水平位移最大值发生在基坑西侧，约为19mm， y 向水平位移最大值发生在基坑南侧，约为20mm。在不同支护断面基坑边缘处附近各取1个监测点，将基坑开挖完成后引起的沉降和水平位移的模拟计算值与实际监测值进行对比，反映所建立模型的有效性，如图3所示。所建立数值模型的沉降和水平位移模拟值总体较实际监测值要大，平均相对误差能控制在20%左右，个别监测点的误差相对较大，整体能较好地反映出基坑开挖引起的沉降和水平位移的变化。

2.3.2 基坑开挖降水过程引起的周边地表沉降

在沉降较为明显的基坑南侧、西北侧和东北侧各取一个剖面，分析基坑开挖完成后所引起的周边地表沉降的变化规律。可以看出，基坑开挖完成后地表沉降距离基坑边缘基本呈现先增大，后减小的趋势，在东北侧中这种趋势略不明显，呈现逐渐减小的趋势。

剖面最大沉降出现在基坑西北侧，约为6mm；在靠近地下综合管廊的东北侧，基坑开挖完成后在管廊上部的地表沉降约为3mm。

基坑降水开挖过程中引起的周边地表沉降变化规律如图4所示。选取距离基坑边缘沉降较大的西北和东北侧进行分析，可以看出，随着基坑开挖的进行，基坑周边沉降越来越大，在西北侧最大沉降出现在距离基坑边缘约25m处。而在东北侧，在靠近基坑边缘的沉降值较大。

（1）锚杆轴力值。根据实际对锚杆轴力的监测点位（图3），提取对应位置处数值模型中的锚杆轴力值与实测值进行对比可以看出，模拟计算结果与实测值十分接近，在靠近地下管廊侧的锚杆轴力值（M2/M6）较大，约220kN，在南侧和西侧的锚杆轴力相对较小，约150kN。

（2）护坡桩水平位移。鉴于基坑形状复杂，支护形式各异，基坑护坡桩在不同支护结构的作用下发生不同程度的水平位移。通过对不同支护断面上护坡桩顶水平位移提取分析发现，在4–4断面的护坡桩顶平均水平位移较大，约为8.16mm；5–5南断面处平均水平位移最小，约为4.52mm。选取离综合管廊较近的4–4断面、5–5东断面的护坡桩，分析基坑开挖过程中，护坡桩自上而下的水平位移变化，如图5所示。其中，4–4断面护坡桩标高为–9.350~–18.850m，5–5东断面护坡桩标高为–9.350~–24.350m。可以看出，随着基坑开挖的进行，护坡桩自上而下发生不同程度的水平位移，且位移量逐渐增大。

由于断面4–4不平行于坐标轴，分别取其 x 和 y 向的水平位移进行分析。在各开挖阶段，4–4断面护坡桩均发生朝向基坑内侧的偏移，开挖完成后， x 向上下偏移差达到4.6mm， y 向上下偏移差达到7.8mm。5–5东断面也均发生朝向基坑内侧的偏移，开挖完成后的上下偏移差达到4.5mm。

2.3.3 基坑降水开挖引起的紧邻综合管廊沉降分析

从基坑开挖完成后，两个紧邻地下综合管廊的沉降云图可以看出，基坑的降水开挖对管廊沉降有一定的影响，最大沉降值发生在距离基坑较近的北侧明德街管廊，约为2.6mm。距离较近的东侧畅和西路管廊也有一定的沉降变形，约为2mm。随着距离基坑 位置越远，相应的沉降值也逐渐减小。 发生较大水平位移的位置与发生较大沉降的位置基本相同，最大水平位移发生在基坑东侧的畅和西路管廊，背离基坑方向，约为1.8mm，并且管廊水平位移从最大水平位移位置向两端逐渐减小。 因此，对产生较大沉降和水平位移的区域要进行重点监测和防护。

在靠近基坑侧的两个地下综合管廊顶部设置位移监测点，提取其在基坑开挖过程中的位移变化规律，由其位移变化规律可知，随着基坑不断开挖，对紧邻管廊变形的影响也越来越明显，竖向和水平位移近似呈线性增加。特别是降水过程中也会引起管廊的变形，最大约为0.5mm。

2.3.4 基坑降水开挖引起综合管廊应力变化

从基坑开挖完成后两个管廊的最大剪应力、最大主应力和最小主应力云图可以看出，管廊的最大剪应力、最大主应力和最小主应力均出现在两个管廊的交汇处。由此可知，基坑的降水开挖引起管廊交汇处承受着较复杂的作用力，这也是需要重点加固的区域。

3　结论

通过有限元软件建立了不规则基坑与两条紧邻地下综合管廊的三维数值模型，包含了详细的围护结构、地下水位信息等。通过数值模拟计算，分析了基坑不同降水开挖阶段所引起的周边地表沉降、锚杆轴力、护坡桩水平位移的变化以及对紧邻地下综合管廊受力变形的影响。通过与实际监测数据的对比分析，所建模型可以较好地反映不规则基坑降水开挖的稳定性以及对紧邻综合管廊受力变形的影响，所得结论如下。

（1）基坑开挖完成后，沉降较大的位置主要出现在基坑的西北侧和东北侧，即基坑北侧“尖”的两侧，最大沉降约为8mm。东西方向水平位移最大值发生在基坑西侧，约为19mm，南北方向水平位移最大值发生在基坑南侧，约为20mm。基坑开挖降水引起的周边地表沉降，距离基坑边缘基本呈现先增大后减小的趋势，在靠近地下综合管廊的一侧这种趋势略不明显，距离基坑边缘呈现逐渐减小的趋势。

（2）鉴于基坑形状不规则、不同断面支护结构的受力变形也不同。在靠近地下管廊侧的锚杆轴力值较大，在南侧和西侧的锚杆轴力相对较小。基坑护坡桩在不同断面处发生不同程度的水平位移，并且随着基坑开挖的进行，护坡桩的水平位移也随之增大，发生朝向基坑内侧的偏移。其中，靠近综合管廊一侧的4–4断面的护坡桩顶平均水平位移较大，5–5南断面平均水平位移最小。

（3）基坑降水开挖引起的北侧的明德街管廊的最大沉降值，约为2.6mm，东侧畅和西路管廊约为2mm，都是发生在距离基坑较近的位置。随着距离基坑位置越远，相应的沉降值也逐渐减小。地下综合管廊发生较大水平位移的位置与发生较大沉降的位置基本相同，并从最大水平位移位置向两端逐渐减小，最大水平位移约1.8mm，背离基坑方向。此外，在两个管廊的交汇处最大剪应力、最大主应力和最小主应力值都相对较大。