蓋挖逆作法施工的地下連續(xù)墻變形性狀分析

李旭,丁克勝,張偉

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系,天津300384;2.天津城投建設(shè)有限公司,天津300143)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,深基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)地從過去的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向更高的基坑變形控制,以達(dá)到保護(hù)周圍環(huán)境的目的。所謂變形控制設(shè)計(jì)是指滿足自身和正常使用狀態(tài)限定條件的,與一定時(shí)域內(nèi)控制變形目標(biāo)相適應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì),以及對變形實(shí)施控制的技術(shù)措施。由此可見,充分認(rèn)識擋土結(jié)構(gòu)在開挖過程的變形規(guī)律是進(jìn)行變形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。逆作法由于是先支撐后挖土,可使擋土結(jié)構(gòu)的變形控制到最小程度,是一種比較先進(jìn)的深基坑圍護(hù)技術(shù),地下連續(xù)墻是這項(xiàng)技術(shù)的常用形式之一。對于不同的基坑形狀,在不同的水平支撐和開挖方式下,其擋土結(jié)構(gòu)的變形特征有一定的差異,隨著變形控制設(shè)計(jì)理論在工程中的應(yīng)用,開展對地下連續(xù)墻變形性狀研究分析具有重要意義。

1 地下連續(xù)墻變形的影響因素

地下連續(xù)墻是支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向擋土結(jié)構(gòu)形式之一,在基坑要求等級高,周邊建筑物密集的市區(qū)施工,對基坑變形提出了更為嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),不僅計(jì)算內(nèi)力必須滿足要求,而且必須進(jìn)行基坑變形估算。基坑工程的技術(shù)條件復(fù)雜,影響基坑變形的因素概括起來主要有基坑的支護(hù)形式、基坑開挖的幾何尺寸和開挖深度、有無內(nèi)支撐或支撐的剛度、被動(dòng)區(qū)土體是否加固、開挖的分區(qū)和先后順序以及土體的物理力學(xué)性質(zhì)、施工管理等。其中基坑支護(hù)形式起決定性因素,地下連續(xù)墻支護(hù)體系是基坑變形最小的一種方式,影響其變形的主要因素有：地下連續(xù)墻自身剛度和穩(wěn)定性;土方開挖方式和起點(diǎn)、每步土方分段數(shù)量、開挖順序與挖深,以及挖土進(jìn)展速度;水平支撐剛度、位置和層數(shù);地下連續(xù)墻與水平支撐的連接方式,特別是與頂層的連接;地下連續(xù)墻相鄰兩轉(zhuǎn)角間的長度(即墻段長度)及轉(zhuǎn)角形狀;地下連續(xù)墻與支撐的空間協(xié)調(diào)作用。

2 變形特性分析

地下連續(xù)墻擋土結(jié)構(gòu)的位移形態(tài)與水平支撐的連接和基坑的開挖方式緊密相聯(lián)。研究表明,地下連續(xù)墻的變形有以下幾種型式：第一種為懸臂式,即在開挖過程中未設(shè)置支撐而發(fā)生懸壁變形的位移,如圖1(a)所示。第二種為頂端支撐下送的形式,即在開挖面以下某個(gè)深度處設(shè)置首道支撐,變形曲線呈現(xiàn)出在這一位置附近有較小的向內(nèi)位移形態(tài),如圖1(b)所示;第三種為在開挖初期就設(shè)置水平支撐,它與地下連續(xù)墻對接,二者之間的這種連接是先挖土再支撐,頂端也會出現(xiàn)正位移,如圖1(c)所示;第四種為在開挖土方前先設(shè)置水平支撐,且地下連續(xù)墻與其頂部水平支撐整體連接,即為蓋挖逆作法施工,其頂部在土方開挖初期為向坑外的負(fù)變形,水平支撐剛度不同,向坑外的負(fù)變形不同,但均可以很好的控制地下連續(xù)墻的側(cè)向變形量,如圖1(d)所示。

天津站交通樞紐工程是目前我國采用蓋挖逆作法施工規(guī)模最大的工程,監(jiān)測項(xiàng)目和數(shù)量很多,地下連續(xù)墻的水平變形是其中之一。本工程地下連續(xù)墻變形監(jiān)測等級為一級,采用預(yù)埋測斜管的方法監(jiān)測其側(cè)向變形。在若干監(jiān)測點(diǎn)中,本文選取同一墻段上的具有代表性的監(jiān)測點(diǎn),針對地下連續(xù)墻變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究,所選測點(diǎn)布置如圖2所示。

該研究墻段共有三個(gè)測孔,編號分別為CX01、CX02、CX03?；娱_挖采用從中間向兩側(cè)分段依次施工,所測得的主要工況下墻體測斜曲線如圖3(向坑內(nèi)變形為正)所示。

從圖3可以看出：CX01,CX02,CX03三個(gè)測點(diǎn)位于地下連續(xù)墻的不同位置,各點(diǎn)的位移變化規(guī)律基本一致。地下連續(xù)墻在土方開挖前處于直立狀態(tài),當(dāng)?shù)谝徊?.8 m厚土方開挖后,坑內(nèi)土體應(yīng)力得到釋放,由于蓋挖逆作施工,在頂部水平支撐的作用下,頂部地下連續(xù)墻向坑外凸出,隨開挖深度的加深,在一段時(shí)間內(nèi)變形不斷加大。但隨著挖土?xí)r間的延續(xù),頂端負(fù)位移開始減小。而支護(hù)結(jié)構(gòu)下部的位移基本上隨著開挖深度的增加而不斷增大,但在第二道支撐6.7 m和第三道支撐13.3m處,由于受到支反力的作用,位移增加梯度明顯減小。地下連續(xù)墻最大變形位置逐漸向下移動(dòng),最大側(cè)移深度大致位于開挖面的附近。開挖至坑底25 m后,變形趨勢減緩。地下連續(xù)墻在其深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出開挖面上下變形較大,兩端變形較小的曲線變形特征。開始時(shí)的頂端負(fù)變形越大,最后向坑內(nèi)的正變形越小,符合結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的變形規(guī)律。這說明蓋挖逆作法施工對控制基坑變形是非常有效的。

另外對三個(gè)測孔處墻體最大位移進(jìn)行比較,從圖4可以看出,在同一工況條件下,CX01最大變形為15.72mm,CX02為16.96mm,而CX03最大變形只有8.75mm。結(jié)合三個(gè)測點(diǎn)在地下連續(xù)墻的位置分析得出：CX03測點(diǎn)處于該段墻體的邊角處,該測點(diǎn)處兩段墻體相互支撐,形成了空間結(jié)構(gòu),有效控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,所以變形值最小;而CX01、CX02兩個(gè)測點(diǎn)處于墻段的中間位置,所以變形相對較大,在開挖過程中,測孔CX01處墻體變形略小于測孔CX02處墻體,這是由于基坑采用分段開挖,從右向左的方式依次施工,CX02處墻體開挖暴露較早,而CX01處墻體較晚,說明基坑施工開挖的順序?qū)w的變形也有一定的影響。但隨著挖土范圍的擴(kuò)大,支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間受力增加,內(nèi)力產(chǎn)生重分布,變形在其彈性范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的改變,最后挖土停止。變形趨于平穩(wěn)時(shí),測點(diǎn)CX01的變形略大于測點(diǎn)CX02,說明在同一墻段內(nèi),墻段中心的變形最大。在墻的同一深度,沿墻段長度方向的側(cè)向變形同樣是兩端小,中間大的弓形。在實(shí)測中還發(fā)現(xiàn),如果測點(diǎn)距墻段中心相同,但開挖不對稱,則先挖出點(diǎn)的變形略大于后挖點(diǎn)。由此可見,整個(gè)地下連續(xù)墻的變形為非對稱雙曲弓面形(豎向和縱向)。

從上述分析可以看出,該基坑由地下連續(xù)墻和蓋板及樓板組成的空間體系支護(hù)效果明顯,即時(shí)空效應(yīng)顯著。

3 各深度測點(diǎn)隨時(shí)間的水平位移

由圖5～圖7各深度測點(diǎn)的變化曲線可以看出,各深度處的變形基本上呈現(xiàn)出一增一減的波浪形曲線,這與工況一、三、五、七澆筑樓板,工況二、四、六、八挖土相一致。三個(gè)圖的最大水平位移分別位于22.5m、20m和25m處,基本位于開挖面附近。雖然在支樓板時(shí)位移會相對減小,但隨著施工的進(jìn)行,各位置處總的變形趨勢還是不斷加大。而且都呈現(xiàn)出早期增長速率快,后期增長速率慢的特點(diǎn)。

4 基坑開挖的數(shù)值模擬結(jié)果

由圖8可以看出,數(shù)值模擬的結(jié)果跟實(shí)測結(jié)果一致,最大位移都發(fā)生在開挖面附近,而且也呈現(xiàn)出在開挖面以上隨深度的增加,位移增長較快,開挖面以下位移減小較慢的非對稱曲線狀態(tài)。由三個(gè)模擬圖也可以看出在CX01點(diǎn)處變形最大, CX03處變形較小,較好的符合了實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)。證實(shí)了蓋挖逆作法施工地下連續(xù)墻的變形為雙曲弓面形。

5 結(jié)語

1)根據(jù)開挖過程存在的時(shí)空效應(yīng),縮短基坑開挖后的暴露時(shí)間,盡快見底施工結(jié)構(gòu)底板。

2)基坑整體開挖起始位置應(yīng)選擇兩墻段的交接處、基坑的邊角或豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的拐點(diǎn),以減小地下連續(xù)墻變形量。

3)開挖后及時(shí)對墻體進(jìn)行加固;在條件允許的情況下,多劃分施工單元。采取盆式開挖的方式能有效減小地下連續(xù)墻變形。

4)在不影響出土的前提下,減小地下連續(xù)墻的橫向長度,從而增加支撐剛度。

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