肖 敏

（上海城市交通设计院有限公司，上海市200120）

0 引 言

随着城市土地资源日益紧缩，“坑中坑”作为一种新型基坑应运而生。“坑中坑”开挖导致土体应力路径比传统基坑更为复杂，但是基坑设计规范及市场设计软件未有统一或建议的计算方式，现有研究一般是通过对支护结构或土体刚度进行相应折减来考虑相互影响。

目前有部分涉及“坑中坑”的计算理论[1]。杨才等[2]采用强度折减有限元法，对“坑中坑”的坑趾系数、深度比、面积比进行了控制变量研究。丰土根等[3]对“坑中坑”不同开挖位置、深度及大小对悬臂式支护结构变形的影响规律进行了详细分析。

1 工程概况

上海市杨高路改扩建隧道工程北起自浦东新区世纪大道- 杨高路立交隧道（包含），终于浦东新区浦建路跨线桥，属于杨高南路段范围。

改造完成后隧道总长1 747.29 m。隧道全线设置1 对出入口匝道，起于浦东新区张家浜河北侧，下穿张家浜并与地面桥合建，在张家浜河南侧接入地面，全长约302 m（不含匝道展宽段）。

2 工程地质

本工程所在区域工程地貌类型为滨海平原，沿线地势平坦，各勘察点地面标高为3.82～5.29 m。

沿线场地内自上而下可划分为7 个大层及若干亚层，共计11 层。各土层分别为：①1 层填土、①2层灰黑色淤泥、②层褐黄- 灰黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③T 灰色砂质粉土、④层淤泥质黏土、⑤层灰色粉质黏土、⑥1 层暗绿色粉质黏土、⑥2 层草黄色粉质黏土加砂质粉土、⑦1 层草黄色砂质粉土、⑦2 层灰色粉砂（未揭穿）。

基坑开挖最深处位于第④层，只有很小一段位于⑤层层顶处，最大开挖深度约为19 m，坑底标高约为-13.06 m。场地浅部分布的③、④层淤泥质软弱层及⑤层等软黏性土对工程建设影响较大，要引起重视。

3 工程难点

在隧道主线与匝道合并段存在深浅坑，如先开挖深坑，待深坑结构施工完毕后再开挖浅坑，将对工期影响较大且会在浅坑底板造成1 道纵向施工缝，后期易造成隧道渗水。因此基坑先开挖匝道浅坑，再开挖主线深基坑，其中浅坑开挖8.7 m，匝道横断面宽度9 m；深坑开挖深度17.5 m，主通道开挖宽度28 m。由于深基坑开挖时会引起浅层基坑坑底土体扰动，从而造成浅基坑变形增加，内力增大，而常规基坑设计软件无法同时考虑深浅坑，因此，如何确保深坑开挖阶段浅坑的基坑安全成为本工程的一大难点。

本工程设计阶段采用有限元软件Plaxis 进行分析，以真实反映实际施工状态下深坑及浅坑围护结构变形及内力，同时通过对深坑开挖阶段浅坑坑底土m值进行一定折减来计算浅坑围护结构变形及内力，最终包络取大值进行设计。

4 深浅坑基坑围护设计

4.1 P laxis 有限元分析模型

基坑围护剖面图见图1，采用Plaxis 有限元软件进行分析。模型考虑基坑开挖土体卸载对周边结构的影响，取2 倍基坑开挖深度范围为其竖向收敛区域；取3～5 倍基坑开挖宽度为其周围平面边界收敛区域来建立分析模型。模型沿基坑横向（X向）为150 m，沿基坑深度（Y向）为50 m，模型上表面为天然地面。

图1 基坑围护剖面图（单位：m）

模型中，内支撑、地连墙、工法桩结构均按各向同性材料考虑；土体按H-S 模型考虑；因止水帷幕与围护桩刚度相差较大，计算过程中不考虑其抗弯性，将其作为安全储备。

分析模型中，通过单元的“激活、钝化”来实现土体开挖、结构施作等施工过程，施工过程中考虑20 kPa的地表均布超载作用。基坑二维模型见图2。

图2 基坑二维模型图

4.1.1 模型参数选取

模型分析中各土层的物理参数见表1，地连墙、工法桩、内支撑结构的几何属性见表2。

表1 土层物理参数统计表

表2 主要结构几何属性表

4.1.2 位移边界条件确定

所有边界条件均为位移边界条件。其中：地表为自由边界条件；模型左、右表面水平（X向）位移限制为零，其他方向自由；模型底部边界的竖向（Y向）位移限制为零。

4.1.3 初始地应力确定

初始地应力的计算主要考虑土体自重，由有限元程序直接求得初始应力场。

4.1.4 模拟计算工况

综合基坑形状及与桥桩结构的相对位置，为减小基坑开挖卸载过程对于周边既有桥桩结构变形产生的影响，结合实际施工工序，设定计算工况和步骤如下：

工况1：土体初始应力场计算，位移清零。

工况2：施工地连墙和工法桩，位移清零。

工况3：开挖基坑内土体1 m。

工况4：施加第1 道混凝土支撑。

工况5：开挖坑内土体至第2 道支撑下0.5 m。

工况6：施作第2 道钢支撑。

工况7：开挖基坑内土体至匝道底，施作匝道底板厚300 mm 钢筋混凝土板。

工况8：施作第3 道支撑。

工况9：开挖坑内土体至第4 道支撑下0.5 m。

工况10：施作第4 道支撑。

工况11：开挖至坑底。

在各工况连续计算中，位移和应力逐次累加，上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移状态。

4.2 有限元数值计算结果及分析

由计算结果可知：开挖到底基坑最大水平位移43.87 mm，最大竖向位移137.59 mm。

基坑水平位移云图见图3；基坑竖向位移云图见图4；浅坑工法桩位移及内力图见图5；深坑地连墙位移及内力图见图6。

图3 基坑水平位移云图（单位：mm）

图4 基坑竖向位移云图（单位：mm）

图5 浅坑工法桩位移（单位：mm）及内力图（单位：kN·m）

图6 深坑地连墙位移（单位：mm）及内力图（单位：kN·m）

由计算结果可知：浅坑工法桩最大水平位移31.03 mm，最大弯矩361.87 kN·m；深坑地连墙最大水平位移34.24 mm，最大弯矩1 480 kN·m。

4.3 同济启明星设计软件计算分析

同步采用同济启明星基坑围护设计软件进行分析，计算时为了模拟深坑开挖对浅坑的影响，将浅坑下加固土的m值进行折减，取为m=4.0 MN/m4。

采用同济启明星设计软件计算的浅坑工法桩位移及内力图见图7；深坑地连墙位移及内力图见图8。

图7 浅坑工法桩启明星位移及内力图

图8 深坑地连墙启明星位移及内力图

4.4 现场实测数据与计算结果的对比

现场浅坑、深坑实测累计变形数据见图9、图10。

图10 深坑实测累计变形

采用有限元软件和同济启明星设计软件的计算结果与现场实测数据对照见表3。

表3 实测数据与计算结果对照表

杨高路隧道已于2017 年建成通车，匝道深浅坑处基坑开挖期间的变形值偏小于软件计算值，基坑整体稳定安全。

5 结 语

（1）采用同济启明星设计软件和Plaxis 有限元软件计算的深坑地连墙位移和内力结果相差很小，说明有限元模型及相关参数选取合理；由于同济启明星设计软件计算中加固土m值折减取为4.0 MN/m4，且有限元模型计算时考虑了匝道底厚300 mm 的钢筋混凝土板，使得匝道工法桩计算弯矩较同济启明星设计软件的计算弯矩偏小。根据计算结果，最终浅坑采用工法桩，深坑采用地下连续墙。

（2）采用有限元软件和同济启明星设计软件结合包络计算方法，深浅坑匝道围护设计能满足先浅后深开挖的受力要求。