地連墻變形影響因素分析及支撐設(shè)計研究

袁愛平,孫興凱, 張 濤

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.北京市保障性住房建設(shè)投資中心，北京100040)

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地連墻變形影響因素分析及支撐設(shè)計研究

袁愛平1，2,孫興凱2, 張 濤2

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.北京市保障性住房建設(shè)投資中心，北京100040)

摘要：結(jié)合工程實例，利用有限元分析軟件PLAXIS模擬地下連續(xù)墻設(shè)計參數(shù)，探討不同設(shè)計對地連墻變形影響大小及差異，并根據(jù)分析結(jié)果對支撐設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：適當(dāng)增加墻體剛度，可以有效減小地連墻側(cè)移；如滿足地連墻最小入土深度，再增加入土深度意義不大；用混凝土支撐替換鋼支撐、增加支撐剛度、減小支撐水平間距以及必要時在豎直方向上增加一道支撐對減小墻體變形具有較好的作用；同時對基坑周圍軟弱土體及結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進(jìn)行土體加固對控制基坑變形效果明顯。

關(guān)鍵詞：地鐵深基坑；變形；有限元分析；支撐設(shè)計；PLAXIS

地鐵是城市重要的交通干線，而地鐵車站則是地鐵線上的重要節(jié)點，地鐵車站一般位于城市中心區(qū)，周圍建筑密集、地下管線眾多、環(huán)境保護(hù)要求高，而地下空間的開發(fā)嚴(yán)格意義上屬于三維空間問題，但是在實際處理過程中都是按照平面問題來處理，其基坑支護(hù)的合理設(shè)計與施工，確保工程安全和經(jīng)濟(jì)合理，已成為交通工程界、巖土工程界的重要研究課題之一[1-4]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變性影響因素分析以及其結(jié)論都會對支撐設(shè)計有很多大影響，很多學(xué)者都是利用模擬軟件對其進(jìn)行仿真，本文通過對施工過程中的變量進(jìn)行控制，研究支撐架設(shè)，對基坑施工更具有直觀的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1.1　工程概述

南京地鐵三號線北起江北新城，南至東山新城，穿越長江，連接江北火車站、南京火車站、南京南站、南京祿口機(jī)場等重要的對外交通樞紐，線路總長44.83 km，其中高架線2.4 km，地下線42.4 km。雞鳴寺站位于北京東路與太平北路交叉口，車站沿太平北路布置，為地下三層島式站臺車站。雞鳴寺站基坑周長171.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.3 m，開挖深度26 m，車站采用明挖順作、局部蓋挖順作法施工，采用1 000 mm地下連續(xù)墻作為車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，平均樁長34.2 m，嵌入中風(fēng)化巖層≥1.5 m，車站自上而下共采用五道支撐，第一、第四道水平支撐采用1000 mm×1000 mm鋼筋混凝土支撐，第二、三、五道支撐采用壁厚為16 mm，直徑為Φ609 mm的鋼支撐。

1.2　工程地質(zhì)條件

雞鳴寺站地處秦淮河古河道及河漫灘相，土層主要為砂性土和黏性土，厚度一般為30～37 m，深部為侏羅紀(jì)砂巖，局部破碎(見表1)。

層號土層名稱顏色狀態(tài)厚度范圍/m○1-1b雜填土黃灰灰色松散稍密0.70~4.00○2-2b3素填土灰黃色松軟1.80~2.00○3-1c2-3粉土夾粉砂灰色稍密局部中密0.60~7.30○42d3粉砂夾粉土灰色稍密局部中密4.10~9.50○5-3d2粉質(zhì)粘土灰黃色中密5.10~8.90○6-3b1-2粉土夾粉質(zhì)粘土灰色局部灰黃色硬塑局部可塑3.70~6.00○7-3c1-2粘土青灰色中密局部密實1.10~4.00○8-3a2-3粉質(zhì)粘土夾粉土灰色可塑軟塑1.40~3.90○9-4b2粘土灰色可塑0.60~1.80○10-4a2-3混合土青灰色局部灰黃色軟塑0.50~1.60○11-4e1強風(fēng)化砂巖紫灰色密實0.70~8.40○12J1-2xn-2s中風(fēng)化砂巖紫灰色密實

2 地連墻變形影響因素分析

2.1　地下連續(xù)墻設(shè)計參數(shù)對基坑變形的影響

為了分析地連墻剛度對基坑變形的影響，本文將有限元模型[5-6]中地連墻剛度分別取原參數(shù)的0.1、0.5、1、5、10倍進(jìn)行分析，不同剛度下基坑開挖至26 m時地連墻深層水平位移情況(見圖1)。

表1 雞鳴寺站巖土層分布表

當(dāng)剛度由1倍減小到0.2倍時，地連墻深層水平位移會明顯增大；當(dāng)剛度繼續(xù)減小到0.1倍時，地連墻深層水平位移出現(xiàn)了顯著的增大，說明在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，地連墻的剛度必須滿足基本強度要求；而當(dāng)剛度由1倍增加到5倍的時候，地連墻深層水平位移變化量并未出現(xiàn)明顯的減小，說明本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的，也證明了當(dāng)剛度達(dá)到一定程度時，繼續(xù)增加剛度對控制變形幫助并不大。

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，地連墻底部需嵌入基底以下足夠深度且進(jìn)入較好的土層，入土深度如果過小，則可能會發(fā)生底鼓或者滲流等現(xiàn)象，但入土深度過大，就會增加工程投資，造成不必要的浪費。在軟土層中地連墻入土深度需要達(dá)到或大于開挖深度才能滿足穩(wěn)定性要求，如果地連墻底部進(jìn)入密實的砂層或者巖層時，地連墻入土深度可以大大減少。為了研究不同入土深度對基坑變形的影響，根據(jù)巖層深度32 m以及開挖深度26 m，分別取地連墻的深度為30、32、34、36、38 m，即入土深度分別為4、6、8、10、12 m，插入比分布范圍為15.4%～46.4%，計算這五種情況下地連

墻的變形情況并加以對比，結(jié)果如圖2。

當(dāng)入土深度由4 m逐漸增加到12 m過程中地連墻變形在逐漸減小，入土深度為10、12 m時，變形最大值均在44 mm左右，變形的減小效果就不甚明顯。因此，增加地下連續(xù)墻入土深度可以有效控制基坑變形，但達(dá)到一定深度時，再增加入土深度對控制變形的效果就不大了。地下連續(xù)墻的入土深度在滿足抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算、抗隆起穩(wěn)定性驗算、基坑整體抗傾覆穩(wěn)定性驗算、抗滑動穩(wěn)定性驗算等要求的前提下，將基坑變形控制在安全范圍之內(nèi)，就可以選擇合理的入土深度了。雞鳴寺站深基坑地連墻深度為34 m，并未選擇更大的36 m、或者38 m，是在綜合考慮基坑穩(wěn)定性、基坑變形、造價等因素后選擇的，從變形監(jiān)測數(shù)據(jù)看，地連墻的入土深度選擇是合理的。

2.2　土體參數(shù)對基坑變形的影響

基坑工程中在開挖之前對基坑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位進(jìn)行土體加固，有研究資料[2]表明經(jīng)過高壓旋噴加固后的土體剛度能達(dá)到原狀土的2.5倍。本文假設(shè)加固后土體彈性模量為原狀土體的2.5倍，其他參數(shù)保持不變，計算基坑變形，結(jié)果見圖3。

研究表明：土體彈性模量對地下連續(xù)墻的變形以及地表沉降的影響是顯著的，當(dāng)彈性模量增加時，地下連續(xù)墻深層水平位移明顯減小，地表沉降也顯著減小。可見，土體彈性模量是影響基坑變形的主要因素，基坑工程施工時對軟弱土體以及結(jié)構(gòu)危險區(qū)域進(jìn)行土體加固對控制基坑變形具有很好的效果。

3 支撐設(shè)計研究

3.1　支撐材料的選擇

地連墻內(nèi)支撐有鋼支撐與混凝土支撐兩種形式。鋼支撐的優(yōu)點是安裝和拆除簡單、施工速度快、自重較輕、拆除后可以重復(fù)使用，此外鋼支撐安裝后可以立即達(dá)到預(yù)定強度，起到支撐作用，這樣可以減少基坑暴露時間并控制基坑變形。但是鋼支撐的節(jié)點構(gòu)造比較復(fù)雜，如果安裝的時候操作不當(dāng)，會造成節(jié)點變形或傳力不直接從而引起基坑變形過大。因此，采用鋼支撐時，需要重視節(jié)點的整體性以及提高施工技術(shù)水平。

現(xiàn)澆混凝土支撐結(jié)構(gòu)具有剛度大、整體性好的優(yōu)點，此外混凝土支撐的布置方式比較靈活，適合應(yīng)用于平面形狀不規(guī)則的基坑，而且混凝土支撐不會出現(xiàn)節(jié)點松動的問題，施工質(zhì)量比較容易得到保證，所以混凝土支撐應(yīng)用也較廣。但是現(xiàn)澆混凝土支撐需要在現(xiàn)場綁扎鋼筋籠、安裝模板、澆筑混凝土，然后對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，當(dāng)混凝土支撐達(dá)到一定強度后，才能繼續(xù)向下開挖。因此混凝土支撐施工周期較長，在制作期間基坑處于無支撐暴露狀態(tài)。而且，混凝土支撐拆除后清理工作量較大，不能重復(fù)利用。

雞鳴寺站主體結(jié)構(gòu)基坑第一、四道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。在工程實例中[7]，深層支撐較少采用混凝土支撐。為了研究第四道混凝土支撐以及不同支撐材料對地連墻變形的影響，控制其他影響因素一致，分別考慮各道支撐全為剛結(jié)構(gòu)支撐、各道支撐全為混凝土支撐、首道為混凝土支撐其余支撐各有一道為混凝土支撐情況下基坑變形情況。如圖4不同支撐材料下地連墻深層水平最大值及地表沉降最大值。

從圖4中可以看出：僅第一道支撐采用混凝土支撐時地連墻水平位移最大值為57.68 mm，距樁頂24 m。對比第四道支撐采用混凝土支撐形式的計算值，地連墻最大位移增大了14%，最大值位置沒有改變，可見采用混凝土支撐可以減小地連墻的變形。此外在實際施工中鋼支撐架設(shè)時先開挖到支撐平面下1 m，然后再架設(shè)鋼支撐，存在超挖現(xiàn)象，而混凝土支撐僅開挖到支撐平面處，這也是實際監(jiān)測時采用鋼支撐形式的基坑變形較大的原因之一。

綜上所述，在支撐設(shè)計時僅第一道支撐采用混凝土支撐，對控制基坑變形意義不大；當(dāng)基坑變形控制要求或周圍環(huán)境保護(hù)要求較高時，可以采用首道混凝土支撐搭配地連墻0.5倍長度附近加一道混凝土支撐形式。

3.2　支撐剛度研究

鋼支撐以及鋼筋混凝土支撐具有不同的型號，常見的鋼支撐型號有φ609 mm×16 mm、φ609 mm×12 mm以及φ580 mm×16 mm，鋼筋混凝土支撐也可以采用不同的截面尺寸，常見的有600 mm×800 mm、800 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm。本文分別計算支撐剛度為原來的的0.1、1、5、10倍這四種情況下基坑變形，計算結(jié)果如圖5。

當(dāng)支撐剛度由0.1倍變?yōu)?0倍時，地下連續(xù)墻變形、彎矩以及地表沉降都逐漸減小，說明增加支撐剛度可以有效控制基坑變形；當(dāng)支撐剛度由1倍減小到0.1倍時，地下連續(xù)墻側(cè)移最大值增加了82%，地表沉降增加了117%，說明支撐剛度不足會顯著增加基坑變形；當(dāng)支撐剛度由10倍減少至0.1倍時，地下連續(xù)墻深層水平位移最大值位置由-25 m逐漸上升到-22 m，說明剛度的變化也會影響地下連續(xù)墻位移最大值的位置。

3.3　支撐豎向間距研究

研究表明[3]，深基坑工程支撐布設(shè)一般遵循“上疏下密”要求，而本工程第四道支撐與第五道支撐間距為5 m，第五道支撐與坑底距離為4 m。在第四道支撐安裝之后變形明顯增加，這一現(xiàn)象除了與基坑暴露時間有關(guān)還和深層支撐豎向間距不夠密有關(guān)。本文分析了第五道支撐位于不同深度時開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況，以及增加一道鋼支撐即前四道支撐位置及型式不變，第五道支撐位于-20 m處，第六道支撐位于-23 m處開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況(見圖6)。

因變形曲線區(qū)別不大，表明第五道支撐位置對地連墻水平位移最大值，以及水平位移最大值的位置影響不大。而架設(shè)第6道支撐后地連墻水平位移最大值為距樁頂24.5 m處的43.18 mm，比架設(shè)五道支撐減少了14.4%，可見架設(shè)六道支撐可以有效控制地連墻的變形?？s小支撐間距，可以減少基坑無支撐暴露時間，符合時空效應(yīng)原理[4]。

3.4　支撐橫向間距研究

支撐的橫向間距與支撐體系的整體剛度也密切相關(guān)，支撐橫向間距的變化對基坑工程的變形以及地連墻的內(nèi)力具有一定影響，本文分析了不同支撐橫向間距下的地連墻變形情況(見圖7)。

當(dāng)支撐橫向間距減小1 m時，地連墻側(cè)移最大值減小了4.6 mm，當(dāng)支撐橫向間距增大時，地連墻側(cè)移最大值增加了3.7 mm。說明當(dāng)支撐橫向間距增大的時候，地連墻深層水平位移也在增大。雖然支撐橫向間距小的時候，基坑變形小、穩(wěn)定性高，但是過小的支撐間距會對施工造成不利影響[6]，而且增加投資；當(dāng)支撐橫向間距增加，基坑開挖方便，有利于縮短工期以及減少投資。因此在基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮，如在基坑周圍環(huán)境保護(hù)要求較高時，可以采用不均勻的支撐橫向間距，適當(dāng)增加某些區(qū)域的橫向間距以及加密其他區(qū)域的支撐，既方便施工、保證工期，又可以有效控制基坑的整體變形[7]。

4 結(jié)論

1)適當(dāng)增加地連墻剛度，如增加墻厚度，可以有效減小地連墻側(cè)移。

2)需要保證地連墻的一定的入土深度，再增加入土深度意義不大。

3)用混凝土支撐替換鋼支撐、增加支撐剛度、減小支撐水平間距以及必要時在豎直方向上增加一道支撐對減小地連墻變形具有較好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯王利君)

Influence factor of underground continuous wall degeneration and its support design research

YUAN Ai-ping1, 2,SUN Xing-kai2, ZHANG Tao2

(1 Civil and Environmental Engineeriong School，University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083;

2 Beijing City Affordable Housing Construction Investment Center, Beijing, 100040)

Abstract：Based on the engineering example of Nanjing city gate of Wuding subway foundation pit, the paper uses the finite element analysis software PLAXIS to simulate the design parameters of underground continuous wall. The influences of the different factors on underground continuous wall were discussed. The support design method was optimized by according to the comparison results. The results show that increasing the stiffness of diaphragm wall can effectively reduce the lateral displacement of underground continuous wall; if the depth of underground continuous wall meet with the minimum depth, then increasing the depth is of little significance; the concrete support replace steel support, which could increase the support stiffness, reduce the horizontal spacing and adding a layer of support along the vertical direction when it is necessary, which has good effect on reducing the deformation of diaphragm wall; At the same time, the soil reinforcement to the weak soil around pit surrounding and structure risk areas has a very good effect to control the deformation of foundation.

Key words：subway deep excavation; deformation; finite element analysis; support design；PLAXIS

中圖分類號：U231.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)02-0014-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.02.004

作者簡介：袁愛平(1980-)，男，江西新余人，博士，工程師，從事巖土工程設(shè)計、施工及管理工作。

基金項目：長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目(IRT0950)

收稿日期：2014-12-10