技术领域
[0001] 本发明涉及一种深基坑开挖方法。
相关背景技术
[0002] 环境要求高的大型深基坑，特别是软土地基的深基坑，多采用基坑支护，而不是大开挖。
[0003] 为了土方开挖方便，多数设置基坑栈桥，以便挖机直接站在栈桥上快速挖土。有些工程出于各种原因不设置栈桥，而是在基坑内设置土坡道，该坡道从基坑外延上部延伸到
基坑底部，挖机和土方车从坡道进入基坑内将土挖走。
[0004] 当根据基坑深度设置多层次水平支撑用于挖机和土方车挖土时，由于坡道的影响，必须将坡道土方清除，才能施工水平支撑，当施工完水平支撑后需要再恢复坡道。水平
支撑设置的越多，则清除和恢复坡道的次数越多，造成工期延长，费用增加，施工难度加大。
[0005] 如果开挖范围内土质不好，如淤泥质土，则很难恢复，而且反复修建坡道的费用较高。
[0006] 因此，提供了一种深基坑开挖方法。
具体实施方式
[0065] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，
而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因
此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
[0066] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0067] 如图1所示，一种深基坑开挖方法，包括：
[0068] 步骤S1，基于便捷的CAD图形输入形式输入深基坑开挖前的条件，得到几何图形模型。
[0069] 实施例中，深基坑开挖前的条件包括但不限于土层、结构、施工阶段、荷载和边界条件。
[0070] 步骤S2，输入的几何图形模型通过PLAXIS自动生成三维基坑建筑物模型。
[0071] 如图2所示，根据生成的三维基坑建筑物模型模拟深基坑开挖的施工过程包括：
[0072] 步骤S21，三维基坑建筑物模型自带的土体自重作用下产生的地应力场，进而模拟开挖前的初始状态。
[0073] 步骤S22，三维基坑建筑物模型对激活结构产生的位移场清零来模拟基坑开挖前土体应力位移状态。
[0074] 步骤S23，三维基坑建筑物模型采用板单元来模拟连续墙、板桩墙、车站侧墙底板和隧道衬砌均。
[0075] 步骤S24，开挖第一层土，施工第一道支撑结构、格构柱和灌注桩。
[0076] 步骤S25，开挖第二层土至第六层土，分别施工第二道支撑结构至第六道支撑结构。
[0077] 步骤S26，开挖至标准段底部。
[0078] 实施例中，第一层土至第六层土采用实体单元模拟，土体的本构模型采用HSS模型，岩石采用摩尔库伦模型。
[0079] 实施例中，第一道支撑结构至第六道支撑结构采用承受弯矩和轴力的梁单元模拟，均采用线弹性模型；格构柱和灌注桩采用梁单元进行模拟。
[0080] 步骤S3，根据PLAXIS的有限元模型对生成的基坑建筑物模型进行分析，模拟得到深基坑开挖过程的变形结果。
[0081] 实施例中，根据有限元模型对生成的基坑建筑物模型进行分析，得到模拟基坑开挖过程中，分别施工第一道支撑结构至第六道支撑结构时的竖向以及水平向的位移结果。
[0082] 步骤S4，通过得到的三维基坑建筑物模型和模拟的深基坑开挖过程的变形结果进而实现对深基坑的开挖。
[0083] 通过以下实施例来对本发明中的深基坑开挖方法进行详细描述
[0084] 万汇城基坑三维模型的建立
[0085] 考虑基坑开挖对周围土体的扰动，因此自基坑边沿到模型边界的距离是建模时必须考虑的重要因素，模型的深度方向取为70m，以尽量减小模型边界条件对基坑变形的影
响，三维基坑建筑物模型大小取为300m×250m×70m。计算模型的上边界为自由边界，底部
全部约束，各侧边限制向基坑方向的水平位移。
[0086] 为了减小模型计算量，本例基坑初步模型第二层开挖深度为17.2m，标准段开挖深度为27m。连续墙、板桩墙、支护结构和灌注桩按施工图纸布置。
[0087] 本例初步模型共有50个桩单元，479个梁单元和25个板单元。其中地连墙埋深54m，灌注桩深入标高‑54m。第一道支撑结构有1道砼冠梁、26道砼横撑、12道砼斜撑以及4道纵向联系梁。第二道支撑结构有22道钢支撑、48道砼横撑、15道砼斜撑以及4道纵向联系梁。第三道支撑结构有有22道钢支撑、8道钢斜撑和4道纵向联系梁。第四道支撑结构有1道砼腰梁、
26道砼横撑、12道砼斜撑以及4道纵向联系梁。第五道支撑结构有16道钢围檩、54道钢横撑、
13道钢斜撑以及1道纵向联系梁。第六道支撑结构有16道钢围檩、53道钢横撑、13道钢斜撑
以及1道纵向联系梁。
[0088] 10号线浦口万汇城车站长度为622m，由于基坑开挖对距离基坑位置较近的10号线车站既有结构有显著影响，对10号线既有结构远端影响较小。因此本模型只建立靠近基坑
的10号线既有车站和隧道等结构。10号线车站侧墙和隧道衬砌也采用板单元模拟的各向同
性线弹性模型，车站侧墙采用等效于车站结构整体刚度的板单元刚度。
[0089] 整体支撑结构如图3所示，有限元模型施工模拟分为以下步骤：三维基坑建筑物模型自带的土体自重作用下产生的地应力场，进而模拟开挖前的初始状态；三维基坑建筑物
模型对激活结构产生的位移场清零来模拟基坑开挖前土体应力位移状态；三维基坑建筑物
模型采用板单元来模拟连续墙、板桩墙、车站侧墙底板和隧道衬砌均；开挖第一层土，施工
第一道支撑结构、格构柱和灌注桩；开挖第二层土至第六层土，分别施工第二道支撑结构至
第六道支撑结构；开挖至标准段底部，其第一道支撑结构至第六道支撑结构的示意图如图
4‑9所示。
[0090] 第一层土至第六层土采用实体单元模拟，土体的本构模型采用HSS模型，岩石采用摩尔库伦模型，由于工程选址地质条件复杂，模型采用9层等效厚度土层，地下水水头设置
为‑3m，地下水渗流边界条件为渗漏。土体参数取值如表1、2所示：
[0091]
[0092]
[0093] 表1
[0094]
[0095] 表2
[0096] 实施例中，第一道支撑结构至第六道支撑结构采用承受弯矩和轴力的梁单元模拟，均采用线弹性模型；格构柱和灌注桩采用梁单元进行模拟；连续墙、板桩墙、车站侧墙底板和隧道衬砌均用板单元来模拟，并采用线弹性模型；地连墙厚度有0.9m和1.1m两种厚度，
板桩墙厚度为1m。连续墙的两个侧面分别与主动区和被动区的土体接触，因而在连续墙的
两侧分别建立接触面，采用接触面单元来模拟土与结构的共同作用。
[0097] 隧道衬砌和车站顶底板和侧墙采用各向同性的板单元模拟。隧道衬砌采用C30混凝土，厚度为0.5m。车站顶底板和侧墙采用等效刚度板模型；其中，梁单元参数取值参数如
表3，板单元参数取值如表4所示。
[0098]
[0099] 表3
[0100]
[0101]
[0102] 表4
[0103] 根据PLAXIS的有限元模型对生成的基坑建筑物模型进行分析，得到模拟基坑开挖过程中，分别施工第一道支撑结构至第六道支撑结构时的竖向以及水平向的位移结果。
[0104] 开挖第一层土体，并施工第一道支撑结构的竖向位移云图如图10所示，开挖第一层2m厚的土体和激活地连墙、格构柱、灌注桩和第一道支撑后竖向总位移最值分布在基坑
附近，最大竖向位移为‑41.3mm，基坑周围土体沉降在0‑5.0mm范围内。周围土体竖向位移分布随离基坑距离增大而变小，反映了基坑开挖对周围土体影响符合变化规律。
[0105] 开挖第二层土体，并施工第二道支撑结构的竖向位移云图如图11所示，开挖第二层至‑8.5m深的土体和激活第二道支撑后整体最大竖向位移为‑49.4mm，基坑周围土体沉降
在0‑10.0mm范围内。
[0106] 开挖第三层土体，并施工第三道支撑结构的竖向位移云图如图12所示，开挖第三层至‑12m深的土体和激活第三道支撑后整体最大竖向位移为‑69.0mm，基坑周围土体沉降
在0‑20.0mm范围内。
[0107] 开挖第四层土体，并施工第四道支撑结构的竖向位移云图如图13所示，开挖第四层至‑17.2m深的土体和激活第四道支撑后整体最大竖向位移为‑94.5mm，基坑周围土体局
部沉降在20.0‑40.0mm范围内。
[0108] 开挖第五层土体，并施工第五道支撑结构的竖向位移云图如图14所示，开挖标准段第五层至‑20m深的土体和激活第五道支撑后整体最大竖向位移为‑94.5mm，基坑周围土
体沉降在20.0‑40.0mm范围内。
[0109] 开挖第六层土体，并施工第六道支撑结构的竖向位移云图如图15所示，开挖标准段第六层至‑23m深的土体和激活第六道支撑后整体最大竖向位移为‑94.8mm，基坑周围土
体沉降在20.0‑40.0mm范围内。
[0110] 开挖至标准段底部，并施工的竖向位移云图如图16所示，开挖标准段第七层至‑27m深的土体后整体最大竖向位移为‑98.0mm，基坑周围土体沉降在60.0‑80.0mm范围内。
[0111] 根据上述计算结果可知，本例三维基坑建筑物模型周边土体变形较为均匀，沉降最大为98.0mm，基坑周围土体沉降随基坑深度增加而逐渐增大，后期土体局部沉降最大值
可超过80.0mm，较为符合施工监测的沉降结果。
[0112] 三维基坑建筑物模型整体水平方向位移分为x轴方向和y轴方向。由于基坑开挖过程中水平位移比竖向位移小，本报告仅展示第七步开挖后整体水平位移，x轴方向、y轴方向
位移云图分别如图17、18所示。
[0113] 由计算结果可知，整体x方向位移最大值为65.3mm，y方向位最大值为89.1mm。计算结果表明y方向基坑支护结构刚度小于x方向。
[0114] 基坑工程中结构变形主要考虑围护结构变形和支撑结构变形。本例由于支撑结构较多，故本报告只展示地连墙、10号线既有结构的变形。
[0115] 开挖第一层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图19‑21所示，开挖第一层2m厚的土体和激活地连墙、格构柱、灌注桩和第一道支撑后，x方向总位移最大值为9.8mm，最小值为‑10.4mm，y方向总位移最大值12.3mm，最小值‑12.0mm，z方向总位移最大值4.5mm，最小值为‑3.8mm。其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑0.5mm的范围内。
[0116] 开挖第二层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图22‑24所示，开挖第二层至‑8.5m深的土体和激活第二道支撑后，x方向总位移最大值为16.7mm，最小值为‑16.2mm，y方向总位移最大值19.5mm，最小值‑17.7mm，z方向总位移最大值
17.4mm，最小值为‑0.3mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑1.0mm的范围内。
[0117] 开挖第三层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图25‑27所示，开挖第三层至‑12m深的土体和激活第三道支撑后，x方向总位移最大值为24.5mm，
最小值为‑29.4mm，y方向总位移最大值40.8mm，最小值‑31.6mm，z方向总位移最大值
27.1mm，最小值为‑0.7mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑2.0mm的范围内。
[0118] 开挖第四层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图28‑30所示，开挖第四层至‑17.2m深的土体和激活第四道支撑后，x方向总位移最大值为
38.8mm，最小值为‑43.7mm，y方向总位移最大值63.4mm，最小值‑52.8mm，z方向总位移最大值35.8mm，最小值为‑1.4mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑2.0mm的范围内。
[0119] 开挖第五层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图31‑33所示，开挖标准段第五层至‑20m深的土体和激活第五道支撑后，x方向总位移最大值为
45.7mm，最小值为‑50.1mm，y方向总位移最大值72.0mm，最小值‑53.9mm，水平方向位移云图分布对称均匀，集中分布在开挖面附近且数值相近。z方向总位移最大值38.3mm，最小值为‑
1.7mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑2.0mm的范围内。
[0120] 开挖第六层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图34‑36所示，开挖标准段第六层至‑23m深的土体和激活第六道支撑后，x方向总位移最大值为
52.0mm，最小值为‑55.6mm，y方向总位移最大值78.7mm，最小值‑54.7mm，z方向总位移最大值40.2mm，最小值为‑2.1mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑2.5mm的范围内。
[0121] 开挖至标准段底部，即第七层地连墙、10号线既有结构的x方向、y方向和z方向的位移云图如图37‑39所示，开挖标准段第七层至‑27m深的土体后，x方向总位移最大值为
64.4mm，最小值为‑66.0mm，y方向总位移最大值91.8mm，最小值‑59.0mm，z方向总位移最大值40.7mm，最小值为‑2.7mm，其中10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑3.0mm的范围内。
[0122] 由上述计算结果可知，10号线既有车站和隧道竖向变形均小于基坑地连墙变形，且沉降变形均在预警值范围内。
[0123] 本发明基于地铁11号线浦口万汇城站的地质勘探资料、水文地质资料，建立了基坑开挖三维基坑建筑物模型，预测分析了基坑开挖的各施工阶段对基坑支护结构、周围土
体和临近地铁10号线隧道车站的影响结果。研究结果表明：
[0124] 本例基坑三维基坑建筑物模型周边土体变形较为均匀，沉降最大为98.0mm，基坑周围土体沉降随基坑深度增加而逐渐增大，后期土体局部沉降最大值可超过80.0mm，较为
符合施工监测的沉降结果。基坑支护结构水平变形结果表明y方向基坑支护结构刚度小于x
方向。基坑开挖过程对邻近10号线车站和隧道竖向变形集中分布在0‑‑3.0mm的范围内。10
号线既有车站和隧道竖向变形均小于基坑地连墙变形，且沉降变形均在预警值范围内。
[0125] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各
实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
