SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：坑中坑型基坑工程日益普遍，开挖深度的选取 对基坑支护结构的设计十分重要。本文以南昌新洪城大市 场主市场长薪河工程基坑为依托， 采用 GTS NX 软件建立 有限元模型，通过对围护结构的水平位移判断选取合适 的等效开挖深度，并使用北京理正深基坑 7.0BP5 进行验 算。分析结果表明，当选取外坑深度 7.55m 作为开挖深度 进行设计时， 其最大水平位移相对于考虑坑中坑时的变形 小 38.1%，设计存在安全隐患，偏向冒险 ;当选取外坑深 度 10.85m 作为开挖深度进行设计时，其最大水平位移相 对于考虑坑中坑时的变形大 213%，设计存在保守，不利 于施工成本的控制。通过建立“坑中坑”开挖模式与常规 基坑开挖模式下两种模型，以“变形等价”分析计算选取 8.15m 作为本工程中基坑的开挖深度，其最大水平位移相 对于考虑坑中坑时的变形大 9.1%，能够较好的控制施工 成本与安全设计之间的平衡。
关键词 ：坑中坑,GTS NX,水平位移,等效开挖深度,模拟分析
随着社会的发展，为了满足基础结构、电梯井或地下 室功能等的需要， 常常要在大基坑内部进行二次或多次开 挖，这就出现了二级以及多级基坑现象，称之这种现象为 “坑中坑”。当前坑中坑已是一种常见的基坑形式，然而对 于这种特殊的基坑形式， 设计施工时大都依靠工程经验进 行判断，相关的设计理论却并不十分成熟，现行的基坑规 范未涉及坑中坑问题。倘若设计人员考虑不周，那势必造 成了坑中坑设计中的一些安全隐患，甚至会造成事故。北 京、上海、无锡等地，先后都出现过因为坑中坑开挖而导 致的基坑事故， 并造成了恶劣的社会影响。
基坑支护设计中基坑深度的选取十分重要，计算时若 将坑中坑深度作为基坑深度， 虽然保证了基坑工程的安全 性，但会提高支护结构的成本，不利于施工成本的控制， 造成不必要的经济支出， 偏向保守 ;若计算时不考虑坑中 坑的影响，取外坑坑底为基坑深度，则偏向冒险，设计存 在安全隐患， 容易发生工程事故。
目前，国内外学者对基坑“坑中坑”开展了一系列的 研究工作。探讨了开挖计算深度的选取以及坑中坑位置对 围护结构水平位移的影响，提出了表现坑中坑特点的 4 个 参数，分别为坑趾系数、面积比、深度比和插入比，并分析了各参数对坑中坑应力场的影响 ;同时， 分析了等效深 度的概念和等效深度系数、等效影响角的参数，并论证了 这种等效的可行性。
本文以江西省新洪城大市场主市场长薪河基坑支护 工程为例，利用 GTS NX 有限元分析软件，分别建立“坑 中坑开挖模式”与无坑中坑情形的“普通基坑开挖模式” (以下简称常规基坑开挖模式) 模型，对比分析两种开挖 模式下支护结构墙体顶部位移变化情况，采用“坑中坑开 挖模式”对应常规基坑开挖模式变形相等时的基坑开挖深 度，作为外坑围支护结构墙体设计的计算深度。本次研究 方向，在工程设计的层面上，将坑中坑深基坑工程的内力 变形计算问题， 转化为便于操作且在规范中有章可循的常 规基坑工程问题，并使用北京理正深基坑 7.0PB5 对其等 效深度的常规基坑进行验算。
1 工程背景
江西省新洪城大市场主市场是“十二五”规划的首批 重大重点项目，项目位于南昌市象湖新城八月湖路以北、 抚生路以西、昌南大道以南、生米大桥东侧。在主市场区 桃抚路地下部分打造一座以丝绸之路为主题的地下长河 商业中心，近东西向“手枪型”展布。该中心为一条地下 三层商业街，街道中间设计下凹景观长河，呈阶梯错落型 建造，地下室面积约为40542m2.总周长约 1775mm。其中， 一二层与主市场连为整体， 三层在整体两层地下室底板下 开挖，宽度为44m，下凹景观河距离负三层建筑外墙7.5m， 设计下沉深度为 3.3m， 该项目已于2019 年完成施工。
本基坑地下一二层已开挖至大底板，负三层及下凹 长薪河在大底板下支护设计。总体开挖深度为 7.55m，下 凹景观长河为 3.3m，最大开挖深度为 10.85m。设计采用 TRD 工法桩(内插H700 型钢， 间距 1200mm) + 多拼型钢 组合内支撑 +1 ：1放坡(下凹 3.3m 景观长河部分)的综合 支护方案。
2 有限元模型及工况介绍
本文针对存在“坑中坑”基坑，研究分析一种基于变 形等价的常规基坑开挖模式下深度来作为“坑中坑”基坑 设计计算深度。
采用有限元软件 GTS NX进行数值分析，由于本地块 模型两侧对称，选取B1-B1 为典型代表剖面取基坑的一半 作为模拟对象。为找到与坑中坑基坑变形等价的常规基坑 深度， 分别建立坑中坑开挖模型与常规基坑开挖模型 ：坑 中坑开挖模型剖面尺寸为 60m×35m，基坑普遍开挖深度 为 7.55m(以下称为外坑)，距离支护墙体宽度为 5.7m 为 坑中坑(以下称为内坑)，外坑采用 850mm 厚TRD 水泥土 地下连续墙(内插“H”型钢)兼作支护结构及止水帷幕， 设置一道预应力“H”型钢组合内支撑，水平间距 10m，下 凹的景观河基坑 3.3m，坑中坑采用 1 ：1放坡支护，B1-B1 剖面坑中坑开挖工况如下。
(1)工况一 ：初始应力分析。
(2)工况二 ：施工TRD 水泥土连续墙。
(3)工况三 ：开挖至 1.1m， 施工型钢内支撑。
(4)工况四 ：开挖至 7.55m。
(5)工况五 ：在基坑支护结构 5.7m 外开挖 3.3m， 采用 1 ：1放坡， 最终坑中坑至 10.85m。
常 规 基 坑 模 型 剖 面 尺 寸 60m×35m，开 挖 深 度 7.55m ～ 10.85m， 当开挖至 7.55m 后，每 0.3m 开挖一次至 10.85m，围护结构与坑中坑模型一致。常规开挖工况如 下。
(1)工况一 ：初始应力分析。
(2)工况二 ：施工TRD 水泥土连续墙。
(3)工况三 ：开挖至 1.1m， 施工型钢内支撑。
(4)工况四 ：开挖至 7.55m。
(5)工况五 ：开挖至 7.85m。
(6)工况六 ：开挖至 8.15m。
(7)工况七 ：开挖至 8.45m。
(8)工况八 ：开挖至 8.75m。
(9)工况九 ：开挖至 9.05m。
(10)工况十 ：开挖至 9.35m。
(11)工况十一 ：开挖至 9.65m。
(12)工况十二 ：开挖至 9.95m。
(13)工况十三 ：开挖至 10.25m。
(14)工况十四 ：开挖至 10.85m。
本文有限元模型的基本假定 ：①将基坑模型内同一 层土体视为均匀、各向同性弹塑性体，土体均采用修正莫 尔—库伦本构模型 ;②实际基坑工程开挖施工采用分步 分块开挖，本文数值模拟施工方案时采用分层开挖，开挖 时不考虑周围道路行驶的车辆荷载与周围建筑物的影响 ; ③边界条件只考虑边界约束，内支撑约束，荷载只考虑自 重荷载。
综合考虑工程地质勘探报告和工程所在地区的施工经验参数，本构模型采用MMC，数值模拟时使用的土体 参数如下。
(1) 细 砂。 该 层 分 布 较 广 泛， 揭 露 层 厚 为 1.30m ～ 8.60m， 厚度变化较大， 平均厚度 4.62m 左右。 本次研究厚度(m) 取值 4.0.泊松比 0.25. 重度(kg/m3) 19.0.黏聚力(kPa)0.内摩擦角(°) 25.割线刚度(MPa) 30.切线刚度(MPa) 30.卸载弹性模量(MPa) 120.
(2) 中 砂。 该 层 全 场 地 分 布， 揭 露 层 厚 为 1.20m ～ 8.80m， 平均厚度 4.62m左右。本次研究厚度(m) 取 2.9.泊松 比 0.22. 重度(kg/m3)19.5.黏聚力(kPa)0. 内摩擦角(°) 28. 割线刚度(MPa) 36.切线刚度(MPa) 36.卸载弹性模量(MPa) 144.
(3) 砾 砂。 该 层 全 场 地 分 布， 揭 露 层 厚 为 2.60m ～ 7.40m， 平均厚度为 4.68m 左右。本次研究厚度 (m) 为 5.4.泊松比 0.20.重度(kg/m3)20.0.黏聚力(kPa) 0. 内摩擦角(°) 30.割线刚度(MPa)42.切线刚度(MPa) 42. 卸载弹性模量(MPa) 168.
(4)强风化泥质粉砂岩。该层全场地分布，岩芯破碎， 多呈泥土状、碎片状，手折易断。属极软岩，岩石基本质 量等级为Ⅴ级。一般揭露层厚 0.70m ～ 3.90m，平均厚度 1.90m 左右。本次研究厚度(m)为 1.9.泊松比 0.19.重度 (kg/m3)21.5.黏聚力(kPa)50.内摩擦角(°) 35.割线刚 度(MPa) 50. 切线刚度(MPa) 50. 卸载弹性模量(MPa) 200.
(5)中风化泥质粉砂岩。该层全场地分布，岩芯多呈 短柱状、柱状。属软岩，岩体质量基本等级为Ⅳ级。揭露 层厚 7.10m ～ 10.2m， 平均为 8.62m 左右。本次研究厚度 (m) 取 8.3.泊松比 0.18.重度(kg/m3)23.5.粘聚力(kPa) 100. 内摩擦角(°) 40. 割线 刚度(MPa) 70. 切线 刚度 (MPa) 70.卸载弹性模量(MPa) 280.
(6)地下水位于现状地面以下 0.5m ～ 1.0m 左右，稳 定水位标高为 10.10m ～ 9.50m， 设计地下水水位位于基坑 顶部。
3 计算结果分析
此次计算结验证了用最大外坑墙体变形来控制的等 效开挖深度的思想， 在整体上能够很好地兼顾围护结构变 形和内力两个方面的等效， 且局部的微小侧移差异也是可 以接受的，从而说明了等效方法的可行性。因此，本文采 用TRD 水泥土连续墙的水平位移结果来判断选取合适的 等效开挖深度。
3.1 “坑中坑”开挖模型结果及分析
当开挖至外坑 7.55m 和开挖至内坑 10.85m(3.3m 坑中坑)时，采用有限元软件 GTS NX对TRD 水泥土连续墙的 水平位移，经分析可知开挖外坑与开挖内坑时，TRD 水泥 土连续墙的水平位移变形趋势基本一致，最大水平位移 均在墙顶以下 5m ～ 6m 范围内。但两种工况下计算所得 TRD 水泥土连续墙最大位移差异较大，开挖至外坑 7.55m 时最大水平位移为 11.59mm，开挖至内坑 10.85m 时最大 水位位移为 16.01mm，后者比前者高 38.1%。经对比分析 表明， 本基坑工程中坑中坑对基坑围护结构水平位移变形 存在较大的影响，不能单纯的取外坑深度 7.55m 作为基坑 开挖深度。
3.2 常规开挖模型结果及分析
本项目基坑工程为 7.55m 外坑 +3.3m 内坑(绝对深度 10.85m)，为方便工程设计，需找到一个常规基坑的开挖 深度来作为本基坑工程的开挖深度。因此，建立不同开挖 深度下的常规基坑开挖模型， 通过围护结构的水平位移结 果来选择合适的等效深度。
通过对比分析，随着开挖深度的增加，采用有限元软 件 GTS NX 计算分析，TRD 水泥土连续墙的水平位移逐 渐增加。当开挖深度至 10.85m 时，TRD 水泥土连续墙的 最大水平位移为 50.11mm，相对于坑中坑开挖模型开挖至 10.85m 时的最大水平位移 16.01mm 时，前者比后者位移 变形高达213%。若取外坑 + 内坑深度作为基坑开挖深度 进行计算分析，则基坑采用一道支撑无法满足变形要求， 需要采用两道内支撑进行支护，这样造成较大的浪费，不 利于施工的成本控制。因此，不能简单的取坑中坑深度 10.85m作为基坑开挖深度进行设计。
基于以上情况分析，常规基坑模型下，当开挖至 7.55m 后，本次研究设计每 0.3m 开挖一次直到开挖至坑 底，并采用有限元软件 GTS NX进行水位位移分析。经分 析计算，当开挖深度为 7.85m 时，基坑最大水平位移分别 为 14.99mm，相对于坑中坑模型的最大水平位移 16.01mm 低了 6.4% ;当开挖深度为 8.15m 时，最大水平位移为 17.47mm，相对于坑中坑模型的最大水平位移 16.01mm 高 了 9.1%。当取 8.15m 作为本基坑的开挖深度，则可以较好 达到控制施工成本与安全设计之间的平衡。
3.3 验算与分析
为验证有限元 GTS NX模型计算结果的正确性，分别 选取 7.55m 和 8.15m 作为基坑开挖深度，使用国内设计院 常用的基坑设计计算软件(北京理正深基坑 7.0BP5)进行 验算。
经对比分析，理正深基坑软件与 GTS NX有限元软件 计算得出的支护结构水平位移变形规律基本一致，最大 水平位移均在墙顶以下 5m ～ 6m 范围内，这说明有限元模型较为合理。当开挖至 7.55m 时两种软件计算得出的最 大水平位移分别为 11.59mm 和 12.98mm， 误差为 12% ;当 开挖至 8.15m 时两种软件计算得出的最大水平位移分别为 17.47mm 和 16.97mm， 误差为 3%， 在误差允许范围内， 验 证了有限元模型计算结果的正确性。
另外，经监测数据对比分析，变形最大的为 SCWY12 号 孔，最 大 位 移 位 于 墙 顶 5.44m 处，最 大 位 于 值 为 16.44mm， 比 GTS NX 软件计算的最大值 16.97mm 低了 3.12%，比理正深基坑软件计算的最大值 17.47mm 低了 5.89%，比坑中坑开挖模式计算的最大值 16.01mm 高了 2.62%。
4 结论与建议
(1)开挖深度的选取对本文中大尺度坑中坑型基坑围 护结构的水平位移有较大的影响。以本基坑为例，当选取 外坑深度 7.55m 作为开挖深度进行设计时，其最大水平位 移相对于考虑坑中坑时的变形小 38.1%，偏向冒险，存在 设计隐患 ;当选取坑中坑深度 10.85m 作为开挖深度进行 设计时，其最大水平位移相对于考虑坑中坑时的变形大 213%，不利于施工成本的控制。建议选取 8.15m 作为本工 程中基坑的开挖深度， 其最大水平位移相对于考虑坑中坑 时的变形大 9.1%，可以较好的控制施工成本与安全设计 之间的平衡。
(2)使用北京理正深基坑 7.0BP5对 GTS NX软件的有 限元模型进行验算。验算结果证明了两种软件对于支护结 构水平位移变形规律的一致性以及有限元模型的合理性。 同时，通过实际监测数据对比分析，基坑实际变形与两种 软件模拟分析结果相差最大为 5.89%，与坑中坑开挖模式 模拟分析结果相差最大为2.62%。通过理论计算与实践验 证，研究分析一种基于变形等价的常规基坑开挖模式下深 度，来作为“坑中坑”基坑设计计算深度是可行的。
(3)本文在数值模拟过程中对复杂的基坑环境进行了 简化，如不考虑周边建筑物和地下水位的影响，简化施工 环境与步骤等，都会对模拟结果产生影响，这些问题有待 进一步论证与分析。另外，本基坑内坑距离外坑支护工程 距离为 5.7m，约为外坑开挖深度的 75.5%，即基坑坡脚被 动区有一定的压重，故具体基坑“坑中坑”的水平距离、 支护形式等对“变形等价”计算模式均有一定的影响，应 具体问题结合实际工程经验具体分析。
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