交叉基坑開挖對(duì)地連墻水平位移影響規(guī)律的研究

張朋成

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

交叉基坑開挖對(duì)地連墻水平位移影響規(guī)律的研究

張朋成

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

摘要:以上海市軌道交通12號(hào)線漢中路換乘車站工程為例，采用Midas/gts三維有限元軟件，從單個(gè)基坑開挖與交叉基坑開挖兩方面，分析了基坑開挖對(duì)地連墻水平位移的影響規(guī)律，為實(shí)際工程施工提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:軌道交通，基坑開挖，地連墻，水平位移

1　工程概況

本文研究的工程背景是上海軌道交通12號(hào)線、13號(hào)線與已建1號(hào)線漢中路站綜合開發(fā)形成的三線換乘站超深地下綜合體。研究對(duì)象為12號(hào)線和13號(hào)線的十字換乘節(jié)點(diǎn)。該換乘節(jié)點(diǎn)位于恒通路、恒豐路、光復(fù)路、梅園路圍成的地塊之間，將與已建成運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線實(shí)現(xiàn)三線換乘。

2　模型簡(jiǎn)介

本文借助Midas/gts三維有限元軟件進(jìn)行十字交叉基坑的建模(見圖1，圖2)。

圖1　交叉基坑整體模型

圖2　交叉基坑尺寸示意圖（單位：m）

模型中，交叉基坑均長(zhǎng)188 m、寬20 m，考慮建模和對(duì)比分析方便，暫取兩坑開挖深度相同，都為21 m。

土體采用實(shí)體單元模擬，地連墻采用板單元進(jìn)行模擬，支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。本模型中基坑地連墻厚度取為1 m，基坑共設(shè)置五道支撐，其中第一、第四道支撐為混凝土支撐，其余三道均為鋼支撐，各道設(shè)置深度分別為h =0 m，h =5 m，h =10 m，h = 14 m，h =18 m。

3　單個(gè)基坑開挖地連墻位移曲線分析

本文先對(duì)單個(gè)基坑開挖情況下地連墻的水平位移進(jìn)行研究，為交叉基坑開挖情況的研究作基礎(chǔ)。為了簡(jiǎn)化描述，本文對(duì)單坑開挖時(shí)地連墻水平位移測(cè)斜點(diǎn)進(jìn)行了編號(hào)(見圖3) : DQ-0代表基坑短邊中點(diǎn)處的地連墻水平位移測(cè)線; DQ-1代表距端頭7 m ( 1/3倍開挖深度)處的地連墻水平位移測(cè)線; DQ-2代表距端頭14 m( 2/3倍開挖深度)處的地連墻水平位移測(cè)線;下面依次類推，DQ-6為基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)處的地連墻水平位移測(cè)線，此處距基坑兩短邊各2倍開挖深度的距離。

以下各圖中，h代表基坑的開挖深度。例如h = 11 m代表基坑開挖到11 m的深度。

圖4和圖5為單個(gè)基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)和短邊中點(diǎn)對(duì)應(yīng)地連墻隨基坑開挖水平位移曲線，可得:

1)對(duì)比圖4，圖5可見，在各個(gè)開挖深度上，DQ-6的最大水平位移( 12.5 mm)遠(yuǎn)大于DQ-0的最大水平位移( 7.2 mm)，這很好地驗(yàn)證了基坑變形的角隅效應(yīng)。

圖3　單坑開挖地連墻水平位移測(cè)線示意圖

圖4　DQ-6水平位移曲線

圖5　DQ-0水平位移曲線

2)此處基坑為多道內(nèi)支撐的基坑，地連墻的水平位移呈拋物線形。在h =19 m之前，地連墻的最大水平位移隨基坑開挖不斷加大，且最大點(diǎn)出現(xiàn)在開挖面附近。而h = 19 m以后，隨著基坑開挖深度的加大，最大水平位移仍有緩慢增長(zhǎng)，但是最大水平位移點(diǎn)的深度卻不再變化，穩(wěn)定在17 m深度上。對(duì)于多道內(nèi)支撐的基坑常見的拋物線形位移，其最大變形位置一般都位于開挖面附近，但是基坑深度在16 m以上時(shí)，基坑的最大變形位置逐漸上移。通過(guò)對(duì)上海地區(qū)以地鐵基坑為主的20 m以上基坑的統(tǒng)計(jì)，最大值位置一般位于開挖面以上，平均值為0.89h深度處［1］。由圖6和圖7可見，由于基坑端部的空間效應(yīng)，基坑長(zhǎng)邊端部的地連墻水平位移( h =11 m時(shí)4.2 mm，h =21 m時(shí)7 mm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)邊中部的水平位移( h =11 m時(shí)8 mm，h =21 m時(shí)13 mm)。隨著遠(yuǎn)離端部，地連墻的最大水平位移會(huì)不斷加大。h =21 m時(shí)，DQ-3(距端頭21 m)的位移曲線基本上同長(zhǎng)邊中部位移曲線重合。而h =11 m時(shí)有同樣的現(xiàn)象，說(shuō)明基坑三維空間效應(yīng)的影響范圍同開挖深度關(guān)系不大，其影響范圍在1倍的短邊寬度以內(nèi)。

4　交叉基坑先后開挖地連墻位移曲線分析

A，B兩基坑均為長(zhǎng)條形基坑，兩者呈十字交叉狀態(tài)，本節(jié)考慮A，B基坑先后開挖的工況。

基坑A坑先開挖，h代表A坑的開挖深度; B坑后開挖，H代表B坑的開挖深度。h = 21 m時(shí)，A坑開挖完成而B坑未開挖，H =21 m時(shí)，A，B兩坑均開挖完成。

圖6　h=11 m時(shí)各測(cè)線水平位移

圖7　h=21 m時(shí)各測(cè)線水平位移

交叉基坑開挖工況下，地連墻水平位移測(cè)點(diǎn)布置見圖8。

圖8　交叉基坑開挖地連墻水平位移測(cè)線示意圖

1) A坑內(nèi)各測(cè)線的代號(hào)為XQ，距地連墻交接處距離7 m( 1/3倍開挖深度)處為第一道測(cè)線，編號(hào)為XQ-1，距地連墻交接處14 m處測(cè)線標(biāo)號(hào)XQ-2，后面依次類推，直至A坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)處測(cè)線編號(hào)為XQ-6，此處距地連墻交接處42 m( 2倍開挖深度)。2) B坑內(nèi)測(cè)線代號(hào)為HQ，具體編號(hào)同A坑。

圖9　XQ-1與HQ-1位移比較

圖10　XQ-2與HQ-2位移比較

圖11　XQ-3與HQ-3位移比較

圖12　XQ-4與HQ-4位移比較

由圖9～圖12可見，A，B兩坑先后開挖，地連墻水平位移的相互影響如下:

1)對(duì)于XQ-1，B坑的開挖會(huì)導(dǎo)致其最大水平位移增大，增幅達(dá)10%。原因分析如下: a.B坑開挖伴隨著A坑內(nèi)封堵墻以及角撐的鑿除，A坑長(zhǎng)邊端部出現(xiàn)向坑內(nèi)變形的趨勢(shì); b.B坑開挖前，B坑內(nèi)土體對(duì)B坑長(zhǎng)邊地連墻有側(cè)向約束作用，B坑內(nèi)土體的開挖使得這種限制作用消失，B坑長(zhǎng)邊地連墻會(huì)出現(xiàn)向A坑內(nèi)側(cè)整體偏移的現(xiàn)象。

而對(duì)比H =21 m時(shí)HQ-1和XQ-1的水平位移可見，B坑開挖完成后HQ-1的最大水平位移( 8.1 mm)比增大之后的XQ-1的水平位移( 6.9 mm)還要大18%。因此，交叉基坑的開挖會(huì)使兩坑相交處地連墻的水平位移較單坑開挖工況有顯著增大，所以，需要嚴(yán)格控制地連墻相交處的施工質(zhì)量。

2)對(duì)于XQ-2，XQ-3和XQ-4，B坑的開挖對(duì)其水平位移基本沒(méi)有影響。同時(shí)，H = 21 m時(shí)，HQ-2的最大水平位移僅比XQ-2大不到4%，所以在14 m( 2/3的開挖深度)之外，兩坑地連墻的水平位移同單坑開挖工況類似。也就是說(shuō)，在交叉基坑施工中，需要對(duì)14 m( 2/3的開挖深度)之內(nèi)地連墻的水平位移進(jìn)行有效控制。

圖13　H=21 m 時(shí)A坑地連墻水平位移

圖14　H=21 m 時(shí)B坑地連墻水平位移

由圖13，圖14可見，B坑開挖后，A坑及B坑端部地連墻的水平位移較遠(yuǎn)離端部地連墻的水平位移要小很多。同樣，在1倍開挖寬度之外，地連墻的水平位移曲線同長(zhǎng)邊中部地連墻的水平位移曲線基本重合。雖然此時(shí)兩坑均無(wú)端頭(無(wú)陰角)，卻存在與基坑單獨(dú)開挖工況下相同的規(guī)律，原因分析如下:雖然B坑開挖后A坑失去了端頭，但是B坑地連墻在A坑外側(cè)會(huì)產(chǎn)生對(duì)A坑地連墻的牽拉作用，這與基坑單獨(dú)開挖時(shí)短邊地連墻的頂撐作用效果相同，在A坑與B坑交接處形成“類端頭效應(yīng)”。

本文提出的“類端頭效應(yīng)”對(duì)于A，B坑各自的變形起到有利作用，但是從交叉基坑整體來(lái)看，在兩坑地連墻的交角處會(huì)形成拉應(yīng)力。然而在實(shí)際工程中，地連墻都是分幅施工的，能提供的拉應(yīng)力很小。如果交叉基坑施工過(guò)程中不采取有效措施，可能會(huì)出現(xiàn)兩墻分離現(xiàn)象，“類端頭效應(yīng)”也就無(wú)從談起，甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在兩墻相交處(陽(yáng)角處)，往往會(huì)通過(guò)加大支撐的剛度和密度，來(lái)杜絕兩墻分離的現(xiàn)象，并形成有效的類端頭效應(yīng)來(lái)控制交叉基坑的變形。

5　結(jié)語(yǔ)

1)單個(gè)長(zhǎng)條形基坑開挖時(shí)，在端頭附近會(huì)存在明顯的空間效應(yīng)。由于端頭的約束，附近的地連墻水平位移較長(zhǎng)邊中部要小。隨著遠(yuǎn)離端頭，空間效應(yīng)逐漸減弱。經(jīng)研究，基坑端頭的空間效應(yīng)與開挖深度關(guān)系不大，影響范圍大約為1倍的短邊寬度。

2)交叉基坑開挖，兩坑交接處地連墻水平位移比單坑開挖時(shí)有較大增幅，由此可知，交叉基坑開挖對(duì)彼此地連墻水平變形會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3)本文提出了兩坑交接處存在“類端頭效應(yīng)”，這是由于兩坑地連墻的互相牽拉引起的，這種拉應(yīng)力極易造成地連墻的分離。因此在基坑交叉處，務(wù)必要控制好施工質(zhì)量，必要時(shí)加大支撐的剛度和密度，分擔(dān)地連墻的拉應(yīng)力，從而形成新的類端頭效應(yīng)來(lái)控制交叉基坑的變形。

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Study on the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement

Zhang Pengcheng
( China Railway 3rd Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd，Tianjin 300251，China)

Abstract:Taking Hanzhonglu station engineering of Shanghai rail transit line No.12 as an example，applying Midas/gts three-dimensional finite element software，starting from two aspects of single foundation excavation and crossing foundation excavation，analyzes the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement，which has provide some guidance for actual engineering construction.

Key words:rail transit，foundation excavation，diaphragm wall，horizontal displacement

作者簡(jiǎn)介:張朋成(1989-)，男，助理工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0081-03

中圖分類號(hào):TU463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A