深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的時(shí)空效應(yīng)

劉洪羽，張宜佳，丁克勝

(1. 天津城投建設(shè)有限公司，天津 300143；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384)

深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的時(shí)空效應(yīng)

劉洪羽1，張宜佳2，丁克勝2

(1. 天津城投建設(shè)有限公司，天津 300143；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384)

深基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律具有一定的時(shí)空效應(yīng)．以天津站交通樞紐工程的深基坑工程作為研究背景，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建立了墻段開(kāi)挖模型，以不同的開(kāi)挖順序和不同的開(kāi)挖單元?jiǎng)澐址绞綄?duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析．研究表明：地下連續(xù)墻墻體變形的大小不僅取決于基坑開(kāi)挖的順序，也與開(kāi)挖單元的劃分有關(guān)，在開(kāi)挖順序相同的情況下，開(kāi)挖單元越多，墻體變形越?。?/p>

深基坑工程；支護(hù)結(jié)構(gòu)；開(kāi)挖方式；數(shù)值模擬；時(shí)空效應(yīng)

對(duì)于軟土地基中的深基坑工程，基坑的穩(wěn)定和周邊環(huán)境的保護(hù)成為現(xiàn)代基坑工程設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵問(wèn)題．影響該問(wèn)題的因素包括：開(kāi)挖起始位置和順序、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、水平支撐剛度、土層性質(zhì)等，其中開(kāi)挖起始位置和順序?yàn)槭┕み^(guò)程中影響支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要因素．從國(guó)內(nèi)外軟土地區(qū)深基坑的施工實(shí)踐和試驗(yàn)研究成果認(rèn)識(shí)到[1]：在深基坑開(kāi)挖及支撐過(guò)程中，每個(gè)分步開(kāi)挖單元的幾何尺寸和單元的開(kāi)挖順序，與周?chē)鷫w和土體位移有一定的相關(guān)性，這也反映了基坑開(kāi)挖具有時(shí)空效應(yīng)．

本文基于天津站交通樞紐工程，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并進(jìn)行施工過(guò)程的數(shù)值模擬分析，以期找出合理的基坑開(kāi)挖施工方法，為軟土地區(qū)深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考．

1 工程概況

天津站交通樞紐工程地處天津市區(qū)海河沿線沖積平原，地形平坦，地面高程 1.72～3.81,m．根據(jù)勘察報(bào)告，該地區(qū)土層主要為雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土，土質(zhì)較差．基坑開(kāi)挖深度為 25,m．在支護(hù)結(jié)構(gòu)中，采用 1.2,m厚地下連續(xù)墻作為擋土、擋水結(jié)構(gòu)，內(nèi)做 0.8,m 襯墻；利用結(jié)構(gòu)樓板作為水平支撐結(jié)構(gòu)，共設(shè)三道樓板支撐，各層樓板受力點(diǎn)標(biāo)高分別為+0.3，-6.7，-13.3,m(地坪標(biāo)高+2.6,m)．基坑開(kāi)挖面積較大，周邊為道路及房屋設(shè)施．為了控制變形，基坑工程采用蓋挖逆作法施工．

2 地下連續(xù)墻變形的監(jiān)測(cè)

該工程地下連續(xù)墻變形監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)，采用預(yù)埋測(cè)斜管的方法．觀測(cè)孔沿基坑周邊布置，按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距不宜小于 20,m、每邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目不宜小于 3個(gè)的原則布置，并在受力、變形較大且有代表性的部位增加密度，共設(shè) 39個(gè)觀測(cè)孔．每個(gè)測(cè)斜管從墻頂向下按0.5,m的間距讀數(shù)．本文選擇具有代表性的部分基坑墻體作為研究對(duì)象，針對(duì)地下連續(xù)墻變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究，所選部分基坑形狀及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示．

圖1 基坑部分形狀及測(cè)點(diǎn)布置

該處基坑長(zhǎng)度為120,m，寬約40,m，研究墻段AB長(zhǎng)度 90,,m，其上共有三個(gè)測(cè)孔，分別為 CX01、CX02、CX03．基坑開(kāi)挖采用從右向左依次施工，對(duì)三個(gè)測(cè)孔處墻體的最終變形進(jìn)行整理分析，墻體測(cè)斜曲線如圖2(向坑內(nèi)變形為正)所示．

圖2 各測(cè)孔墻體變形曲線

由圖2可以看出：三個(gè)測(cè)孔處墻體的變形規(guī)律大體相同，都為中間變形大，而上下兩端變形較??；對(duì)三個(gè)測(cè)孔處墻體的最大位移進(jìn)行比較，CX01最大變形為15.72,mm，CX02為16.96,mm，但兩者差距不大；CX03最大變形為 8.75,mm，遠(yuǎn)小于前兩個(gè)測(cè)孔．這是因?yàn)榍皟蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)處于墻段的中間位置， 而 CX03測(cè)點(diǎn)處于該段墻體的邊角處，該處兩段墻體相互支撐，形成了空間結(jié)構(gòu)，互相抑制變形的發(fā)展，有效地控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；同時(shí)比較 CX01、CX02兩個(gè)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)孔 CX01處墻體變形略小于測(cè)孔CX02處墻體，這是由于基坑采用分段開(kāi)挖的方式，CX02處墻體開(kāi)挖暴露較早，而 CX01處墻體挖出較晚．這說(shuō)明基坑施工分段的形式和開(kāi)挖的順序?qū)w的變形也有一定的影響．該基坑的空間效應(yīng)明顯．

3 基坑分段開(kāi)挖的數(shù)值模擬

在基坑開(kāi)挖中，土方開(kāi)挖的起點(diǎn)處往往墻體的變形比較大；同時(shí)挖土的區(qū)域越大，墻體被動(dòng)區(qū)卸荷越快越多，其水平變形越大．為了更有利地說(shuō)明施工分段方式和開(kāi)挖順序這兩個(gè)因素對(duì)豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)(該工程為地下連續(xù)墻)變形的影響，現(xiàn)采用Abaqus程序進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析．

3.1 模型的建立

深基坑本身是一個(gè)具有長(zhǎng)、寬和深尺寸的三維空間結(jié)構(gòu)，因而其支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的三維空間受力問(wèn)題．基坑的形狀越復(fù)雜，則其時(shí)空效應(yīng)越顯著．深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)是由不同長(zhǎng)度的墻段圍成．對(duì)基坑的實(shí)測(cè)資料分析表明，地下連續(xù)墻每段墻體中央范圍的變形值均大于兩側(cè)范圍[2]．利用這一特征，在橫向長(zhǎng)度為90,m的墻段范圍內(nèi)，選取1,m寬的墻條作為研究對(duì)象建立模型(如圖 3)，并假設(shè)墻條兩側(cè)位移為0，其約束條件為兩端固結(jié)．

圖3 數(shù)值模擬示意圖

如圖3所示，地下連續(xù)墻墻條長(zhǎng)90,m，高1,m，墻厚1.2,m，開(kāi)挖后做0.8,m厚內(nèi)襯墻，邊界條件為兩端固支．基坑開(kāi)挖是一個(gè)卸荷的過(guò)程，為了模擬這一現(xiàn)象，首先定義模型初始條件為：地下連續(xù)墻的迎土面受均布荷載 150,kPa(該值為實(shí)測(cè)最大土壓力)，墻條兩側(cè)受剪力作用．根據(jù)一定的開(kāi)挖順序，對(duì)劃分開(kāi)挖單元進(jìn)行迎土面卸荷，并施作襯墻．

3.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)工程實(shí)際施工情況，將墻條沿長(zhǎng)度方向分別劃分為3個(gè)開(kāi)挖單元和5個(gè)開(kāi)挖單元，單元尺寸分別為30,m和18,m．在模擬開(kāi)挖過(guò)程中，每步開(kāi)挖卸荷，則取消一個(gè)單元迎土面的荷載．模擬計(jì)算結(jié)果如圖4(設(shè)地下連續(xù)墻左端為坐標(biāo)原點(diǎn)，x方向向右為正，y方向向下為正)所示．

圖4 不同開(kāi)挖順序以及不同單元?jiǎng)澐窒聣l的變形曲線

由于同一墻段在不同深度的變形均是兩端小中間大，土方開(kāi)挖施工段的劃分方式和開(kāi)挖順序?qū)w不同深度的影響程度不同，但沿墻段長(zhǎng)度的分布規(guī)律相同．現(xiàn)就不同開(kāi)挖順序?qū)Χ嗡轿灰频挠绊懖捎靡欢ㄉ疃鹊膲Χ螇l進(jìn)行分析．

3.2.1 由一側(cè)向另一側(cè)開(kāi)挖順序

圖 4a為模擬實(shí)際工況，按照由一側(cè)向另一側(cè)的開(kāi)挖順序?qū)l進(jìn)行卸荷．由墻條的變形情況可以看出：地下連續(xù)墻在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，墻體變形值中間較大，并由中間向兩端逐漸減??；按照劃分 3個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為 33.2,mm，產(chǎn)生在坐標(biāo)47.6處；按劃分 5個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為28.59,mm，產(chǎn)生在坐標(biāo)48.4處．按5單元?jiǎng)澐珠_(kāi)挖墻體變形值較小，這說(shuō)明按照該順序開(kāi)挖的基坑，單元?jiǎng)澐殖叽缭叫。瑝w水平位移越?。畠烧邏w最大變形遠(yuǎn)小于一步開(kāi)挖下墻體變形的最大值 88.92,mm，這說(shuō)明分部開(kāi)挖能夠有效地減小墻體的變形．

由數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)：模擬墻段變形值大于實(shí)測(cè)結(jié)果，這是因?yàn)閷?shí)際工程中，以?xún)蓧Χ谓稽c(diǎn)作為基坑開(kāi)挖起始點(diǎn)；在同一墻段長(zhǎng)度內(nèi)，基坑開(kāi)挖卸荷過(guò)程是分層、分部開(kāi)挖的；在單元開(kāi)挖時(shí)，采用盆式開(kāi)挖的方式，先挖基坑中部土體，在墻邊預(yù)留被動(dòng)土，這些做法能夠很好地抑制墻體的變形．?dāng)?shù)值模擬只是簡(jiǎn)單的一步卸荷，墻體暴露較早，變形較大．

在兩種劃分單元情況下開(kāi)挖，墻體的最大變形都產(chǎn)生在墻條中心靠右的位置，這與單元的開(kāi)挖順序有關(guān)系，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)單元比較，先開(kāi)挖的單元變形相對(duì)較大，這一規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果相似．另外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果受監(jiān)測(cè)環(huán)境的影響較大，施工過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)荷、坑外附加荷載、降水等因素都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，所以數(shù)值模擬結(jié)果的曲線較平滑，而實(shí)測(cè)結(jié)果曲線較為曲折．

3.2.2 由兩端向中間開(kāi)挖順序

基坑采用由兩邊向中間順序進(jìn)行開(kāi)挖，墻體變形情況如圖 4b所示．基坑分別在兩種劃分單元的方式下開(kāi)挖，墻體變形不同：按劃分3個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為27.41,mm；按劃分5個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為 20.28,mm；在這兩種單元?jiǎng)澐址绞较?，開(kāi)挖的最大變形都產(chǎn)生在45.0坐標(biāo)處．可見(jiàn)在此開(kāi)挖順序下，單元?jiǎng)澐殖叽缭叫?，地下連續(xù)墻的水平位移值越?。c第一種開(kāi)挖順序比較發(fā)現(xiàn)，按照“由兩端向中間順序”開(kāi)挖，墻體變形小于“由一側(cè)向另一側(cè)開(kāi)挖順序”，其中按劃分3個(gè)單元墻體變形減小了17%，按劃分5個(gè)單元墻體變形減小了29%．這說(shuō)明開(kāi)挖順序的不同會(huì)影響墻體變形，并且墻體單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，單元尺寸越小，這種影響因素越明顯．

3.2.3 由中間向兩端開(kāi)挖順序

基坑采用中間向兩端順序進(jìn)行開(kāi)挖，墻體變形情況如圖 4c所示．基坑分別采用兩種單元?jiǎng)澐值姆绞介_(kāi)挖，最大變形都產(chǎn)生在 45.0坐標(biāo)處，其中按劃分 3個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為 42.59,mm；按劃分5個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)，墻體變形最大值為 42.50,mm，可見(jiàn)該開(kāi)挖順序下單元?jiǎng)澐謱?duì)基坑變形的影響很小．與前兩種開(kāi)挖順序比較發(fā)現(xiàn)，基坑采用該順序開(kāi)挖，墻體變形最大，說(shuō)明這種開(kāi)挖方式對(duì)基坑變形的影響最大、最為危險(xiǎn)，在施工中應(yīng)該注意．

三種開(kāi)挖順序綜合比較后發(fā)現(xiàn)，地下連續(xù)墻墻體變形的大小不僅取決于開(kāi)挖的順序，也與單元的劃分有關(guān)．在墻段長(zhǎng)度和開(kāi)挖順序一定的情況下，開(kāi)挖劃分單元尺寸越小，單元越細(xì)，墻體變形越?。?/p>

4 結(jié)論與建議

本文以天津站交通樞紐工程的基坑工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)際工程的應(yīng)用對(duì)比分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：①在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)(擋土結(jié)構(gòu))的變形形式為——沿墻長(zhǎng)和墻深兩個(gè)方向都具有中部變形較大，而兩側(cè)變形較小的特征，同一墻段的變形呈雙向弓弧形曲面；②基坑按照一定尺寸劃分單元進(jìn)行開(kāi)挖，能夠有效地抑制墻體的最大變形．在墻段長(zhǎng)度和開(kāi)挖順序一定的情況下，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)、尺寸越小，墻體變形越?。虎刍影凑詹煌拈_(kāi)挖順序進(jìn)行施工，墻體的變形不同．在劃分單元數(shù)量一定的基礎(chǔ)上，從中間單元向兩端開(kāi)挖，墻體變形最大；從兩端向中間單元開(kāi)挖，墻體變形最?。?/p>

根據(jù)基坑工程中豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)(擋土結(jié)構(gòu))變形的特征，在基坑的設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)當(dāng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形加以嚴(yán)格的控制，并采取相應(yīng)的措施盡量減小最大變形．在設(shè)計(jì)方面：①盡量減小墻段的橫向跨度；②盡量利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，增加豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的拐點(diǎn)，通過(guò)在橫向跨度較大的墻體上設(shè)計(jì)多節(jié)點(diǎn)、墻體向坑外起拱、墻體背土面設(shè)計(jì)襯墻等措施來(lái)控制變形．在施工方面，深基坑工程的施工方法、開(kāi)挖起始位置和順序不同對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響不同．在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，可采取以下措施：①基坑整體采用盆式開(kāi)挖方式，開(kāi)挖起始位置應(yīng)選擇在兩墻段的交接處，在開(kāi)挖接近豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)部位按 1∶1的比例留設(shè)被動(dòng)土，加作臨時(shí)支撐；②盡量采用分段開(kāi)挖的方式，開(kāi)挖順序應(yīng)盡量按從墻段的兩端向中間的順序．土方開(kāi)挖后及時(shí)對(duì)墻體進(jìn)行加固；③ 開(kāi)挖前加固一定寬度的被動(dòng)區(qū)土體等．

綜上所述，由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有時(shí)空效應(yīng)，建議在施工過(guò)程中盡量選擇基坑的邊角或豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的拐點(diǎn)處作為開(kāi)挖的起始位置，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向跨度的中間位置應(yīng)盡量放在最后開(kāi)挖；應(yīng)盡量采用從豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)向中間開(kāi)挖的方式；若從中間位置開(kāi)挖，必須在中間土方開(kāi)挖完畢，馬上采取控制變形的措施才能進(jìn)行兩側(cè)土方的開(kāi)挖．

［1］楊 波，馮小波. 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的三維有限元分析[J]. 巖土工程技術(shù)，1999(1)：27-33.

［2］凌 宏，羅小文. 復(fù)雜軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的時(shí)空效應(yīng)分析[J]. 建筑科學(xué)，2007，23(5)：45-48.

［3］孫志華，鄧義龍，田紅梅，等. 超長(zhǎng)深基坑土方開(kāi)挖方法[J]. 城市勘測(cè)，2008(6)：152-156.

［4］尹建峰，楊德健，韓 燕. 淺析軟土深基坑支護(hù)中支護(hù)體的受力問(wèn)題及影響因素[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，11(2)：86-89.

［5］劉興旺，施祖元，益德清，等. 軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖變形性狀研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(4)：456-460.

［6］劉建航，侯學(xué)淵. 基坑工程手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

Time-space Effect of Supporting Structure Deformation in Projects of Deep Foundation Pits

LIU Hong-yu1，ZHANG Yi-jia2，DING Ke-sheng2
(1. Tianjin City Investment Construction Co.，Ltd.，Tianjin 300143，China；2. Tianjin Institute of Urban Construction,Tianjin 300384，China)

The deformation of the supporting structure in projects of deep foundation pits has a certain space-time effect. Against the research background of the deep foundation pit project in the transport hub project of Tianjin railway station, this paper establishes the wall excavation segment model on the basis of the field measured data, and then carries out a numerical value simulation analysis in different excavation sequences and by different excavation unit modes. The research results show that the deformation of diaphragm wall is not only dependent on the order of excavation, but also connected with the division of the excavation unit mode. In the same excavation sequence, the more the excavation units are, the smaller wall deformations will be.

project of deep foundation pits；supporting structure；excavation method；numerical value simulation；space-time effects

TU473.2

A

1006-6853(2010)02-0091-04

2010-01-18；

2010-03-11

天津市科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)基金(07FDZDSF01200)

劉洪羽（1979—），男，天津人，天津城投建設(shè)有限公司工程師.