深基坑施工過程中地下人防結(jié)構(gòu)處理技術(shù)研究

楊 蒙，李文峰，譚躍虎，李二兵，周 俊，卞少帥

（1.解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州215004；3.解放軍95526部隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

深基坑施工過程中地下人防結(jié)構(gòu)處理技術(shù)研究

楊 蒙1,3，李文峰2，譚躍虎1，李二兵1，周 俊1，卞少帥1

（1.解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州215004；3.解放軍95526部隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

闡述了地下連續(xù)墻向下貫穿既有人防結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，通過數(shù)值模型分析了人防結(jié)構(gòu)處理過程中地下連續(xù)墻的變形特性，及人防結(jié)構(gòu)的支撐效應(yīng)，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。現(xiàn)場結(jié)果表明：施工過程中地下連續(xù)墻的變形與計(jì)算結(jié)果吻合較好，滿足規(guī)范要求，說明本工程的地下人防結(jié)構(gòu)處理技術(shù)制定合理、施工措施得當(dāng)，基坑處于安全范圍之內(nèi)。

深基坑工程；地下人防結(jié)構(gòu)；臨時(shí)支撐；施工技術(shù)；數(shù)值模擬

引 言

根據(jù)規(guī)劃蘇州軌道交通四號線某地鐵站大部分位于人防工程位置，緊鄰繁華商區(qū)，周邊環(huán)境極其復(fù)雜，人防結(jié)構(gòu)橫貫地鐵站東西兩側(cè)，東側(cè)緊鄰地鐵基坑，西側(cè)大約 1/4處于地下連續(xù)墻外部。因而地鐵基坑施工受到地下人防結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的雙重制約，如何處理好基坑開挖與人防結(jié)構(gòu)的關(guān)系是本工程的關(guān)鍵。本文提出將人防結(jié)構(gòu)處理為臨時(shí)支撐的技術(shù)方案，隨之基坑施工的進(jìn)行，邊支護(hù)邊拆除。

數(shù)值分析方法[1～5]由于考慮多層土體的分層情況和不同土的性質(zhì)、支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)分布及其性質(zhì)、基坑開挖的整個(gè)過程以及建（構(gòu)）筑物存在等復(fù)雜的環(huán)境因素，因此運(yùn)用數(shù)值模型對基坑土體開挖進(jìn)行模擬能夠有效的指導(dǎo)工程實(shí)施。本文以蘇州軌道交通四號線某標(biāo)段地鐵深基坑為例，考慮人防結(jié)構(gòu)和地鐵基坑圍護(hù)墻相互作用影響，利用數(shù)值模擬的方法，研究地下人防結(jié)構(gòu)處理過程中連續(xù)墻的變形特征，并通過現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行比較，以期為相似工程的處理及實(shí)施提供參考。

1 工程概況

本標(biāo)段場區(qū)范圍內(nèi)存在建于 80年代的察院場人防工程，根據(jù)現(xiàn)場測定，結(jié)合地鐵站的規(guī)劃，人防結(jié)構(gòu)概況及與基坑的相對位置如圖1所示，人防結(jié)構(gòu)頂板埋深1.55 m，底板埋深6.80 m，局部2層，南北向長度約115.3 m?；由疃葹?6.45 m，寬度約為 20 m，整體位于人防工程內(nèi)部，施工中地下連續(xù)墻不可避免需要向下貫穿人防結(jié)構(gòu)，兩者直接接觸并相互作用。

圖1 人防結(jié)構(gòu)概況及與地下連續(xù)墻相對位置

蘇州地區(qū)位于太湖沖積平原區(qū)，工程區(qū)主要為第四系覆蓋層。根據(jù)現(xiàn)場勘察實(shí)測，本場區(qū)地下水埋深在1.0～1.5 m范圍內(nèi)，地基土整體性質(zhì)較差，其具體土層分布及相關(guān)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 既有地下人防結(jié)構(gòu)的處理方案

2.1 方案選定

傳統(tǒng)的連續(xù)墻施工是由土體承受鋼筋籠、鉆機(jī)、澆注混凝土等靜、動(dòng)荷載的作用。本工程中由于人防結(jié)構(gòu)的整體分布在地下-1.55～6.80 m的位置，使得地連墻的施工初期兩側(cè)沒有土體支撐，施工荷載無處借力。傳統(tǒng)的處理方案是對地下人防結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部拆除，并回填該區(qū)域，以滿足地下連續(xù)墻的施工要求。為解決懸空的問題，結(jié)合既有人防結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件以及施工場地狀況，采用既有人防結(jié)構(gòu)頂（底）板作為臨時(shí)支撐，隨基坑開挖進(jìn)行，邊支護(hù)、邊拆除地下人防的處理方案。

基坑內(nèi)部人防結(jié)構(gòu)隨著基坑的開挖施工逐步拆除，在處理的過程中由于原有人防結(jié)構(gòu)的柱子和圖2（a）中深導(dǎo)墻的支撐作用，在未拆除前頂板和底板充當(dāng)了臨時(shí)支撐。為充分發(fā)揮人防結(jié)構(gòu)的支撐作用，減少基坑開挖過程中無支護(hù)暴露時(shí)間，后續(xù)施工中，將第一道支撐設(shè)置在基坑頂部，第二道支撐設(shè)置在與人防結(jié)構(gòu)底板相同的位置，見圖2（b）。

圖2 人防結(jié)構(gòu)的處理及支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置

第二道支撐可以在人防底板切槽施工，因而整個(gè)基坑在開挖深度 6.80 m以上完全沒有無支撐的暴露時(shí)間，使得基坑一直處于支撐狀態(tài)，基坑開挖的初期變形被有效抑制，因基坑的整體變形得以控制。

2.2 具體施工技術(shù)

本工程中將人防結(jié)構(gòu)處理為臨時(shí)支撐，地下連續(xù)墻穿越人防結(jié)構(gòu)頂板與底板，因而方案的關(guān)鍵在于保證人防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下進(jìn)行深導(dǎo)墻的施工，其具體施工技術(shù)如下。

1）在設(shè)置深導(dǎo)墻的位置進(jìn)行基面鑿毛，基面鑿毛時(shí)必須徹底鑿除表面裝修層與砂漿層，鑿出新鮮混凝土基面；進(jìn)而綁扎深導(dǎo)墻鋼筋籠及連接部位的牛腿，并植筋進(jìn)入人防頂板和底板，最后設(shè)置模板。由于人防結(jié)構(gòu)側(cè)墻與底板鋼筋硅墻板厚度大多為40cm，施工時(shí)植筋深度以5～10cm為準(zhǔn)，以免影響人防結(jié)構(gòu)自身防水質(zhì)量。

2）頂板鉆灌注孔，采用混凝土取芯機(jī)在深導(dǎo)墻對應(yīng)位置頂板上按照φ150 mm@1 000 mm鉆取混凝土灌注孔，應(yīng)用C30微膨脹混凝土澆筑深導(dǎo)墻混凝土。

3）澆筑完畢之后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度，拆除模板，破除深導(dǎo)墻之間的頂板和底板，并素土回填（見圖3）。

圖3 素土回填示意

隨后在深導(dǎo)墻與人防結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用下施工地下連續(xù)墻的。并在施工基坑的過程中按照既定方案設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)和拆除人防結(jié)構(gòu)。

3 考慮人防結(jié)構(gòu)支撐作用的數(shù)值模擬

在上述施工方案中，涉及到人防結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻和土之間的相互作用。為了順利完成深基坑的施工，就必須保證施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生較大的側(cè)向變形。因此對采用上述方案進(jìn)行地下人防結(jié)構(gòu)處理的深基坑的開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并據(jù)此對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析，對方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本標(biāo)段為長條形地鐵深基坑，沿著人民路縱向分布，圖2（b）是該標(biāo)段的標(biāo)準(zhǔn)基坑支護(hù)形式。計(jì)算模型選取最不利的橫切面建立（圖4）。模型邊界距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)50 m，整體模型為120 m×75 m的幾何矩形。地表荷載取20 kPa；模型兩側(cè)限制其水平位移；模型底部同時(shí)限制水平和豎直位移；模型頂面設(shè)置為自由表面。地下人防及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬均采用Plate單元，應(yīng)用Anchor單元模擬基坑支撐的作用[6]。各結(jié)構(gòu)的EI或EA等力學(xué)參數(shù)見表2。為確保土層變形模擬準(zhǔn)確，土體采用硬化土本構(gòu)模型（HS），各土層的力學(xué)參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[7]推薦的方案選??；人防結(jié)構(gòu)及連續(xù)墻與土體之間相互作用應(yīng)用彈塑性無厚度接觸面單元模擬。

圖4 數(shù)值模型

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

為反應(yīng)初始應(yīng)力狀態(tài)和施工的真實(shí)過程中，計(jì)算按10個(gè)施工步驟，如表3所示。開挖第一層土體之后，人防結(jié)構(gòu)的頂板和底板開始工作，充當(dāng)兩道支撐的角色，數(shù)值模擬過程采用激活模型中頂板和底板的方式模擬現(xiàn)實(shí)工況。

表3 剖面計(jì)算工況

4 基坑變形結(jié)果分析

4.1 地下連續(xù)墻墻體變形特征分析

參照上文，對選定模型進(jìn)行真實(shí)工況下的開挖模擬，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行比較分析。

圖5（a）為地連墻在不同工況下的水平位移，最大水平位移為 28.35 mm，低于規(guī)范要求，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于人防結(jié)構(gòu)的頂板和底板充當(dāng)了支撐的作用，step3工況下，墻體在6.6 m以上的位置位移很小，這是由于人防結(jié)構(gòu)的頂板和底板有效的限制了墻體側(cè)移。人防結(jié)構(gòu)以下，土拱效應(yīng)使得墻體側(cè)移反而最大。在拆除了人防結(jié)構(gòu)之后（step5），由于相對于人防結(jié)構(gòu)的底板和頂板，混凝土支撐的剛度要小一些，因而上部墻體的側(cè)移相對拆除之前有所增大。隨著基坑挖深持續(xù)增加，連續(xù)墻的最大側(cè)移也持續(xù)增大，但都是維持在開挖面上下的位置；圖5（b）為不同工況下墻體最大側(cè)向位移的變化，直觀的表明隨著土體挖深的增大，墻身最大側(cè)位移也不斷增加，但在人防結(jié)構(gòu)拆除之前位移變化較小?；油馏w開挖到 10 m左右的位置，開挖面處于力學(xué)參數(shù)相對較弱的粉土夾粉砂層，坑內(nèi)土體不能有效的抵制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，因此墻體側(cè)向位移的增長速度變快，當(dāng)施工進(jìn)行到 16.45 m，到達(dá)深基坑設(shè)計(jì)的最終深度，此時(shí)墻體變形達(dá)到最大值，為防止變形增長過快，需要迅速澆筑底板。

圖5 地下連續(xù)墻水平位移變化特征

4.2 即有人防結(jié)構(gòu)支撐效應(yīng)分析

圖6（a）為采用采用相同工況建立的正常加撐開挖到 6.60 m的連續(xù)墻墻體水平位移與本工程的對比分析圖，正常開挖過程中無人防結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)支撐，其中A表示正常工況，B表示人防結(jié)構(gòu)在處理過程中作為臨時(shí)支撐作用?？梢钥吹介_挖1 m的工況下，墻體在6.6 m以上的位置變形很小，墻頂幾乎沒有位移，位移集中在開挖面以下,相反無人防支撐的工況下墻頂位移最大。這是因?yàn)槿朔澜Y(jié)構(gòu)的支撐作用，墻體側(cè)移被有效的控制了；開挖到 6.6 m時(shí)，拆除了人防結(jié)構(gòu)，改為混凝土支撐，由于剛度小于人防底板，因而連續(xù)墻側(cè)移小范圍增大，但相對于無人防臨時(shí)支撐開挖仍然較小。

圖6 人防結(jié)構(gòu)支撐作用連續(xù)墻側(cè)移對比

圖6（b）為兩種工況下墻身的最終變形，位移最大的位置均處于開挖面的附近。由于人防結(jié)構(gòu)的前期支撐作用，B工況下最終變形小于A工況，并且開挖面以上部分變形整體小于 A工況，開挖面以下基本重合。由于A，B兩種工況下唯一不同點(diǎn)就在于 B工況前期采用了人防結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)支撐，因而造成最終結(jié)果差異的原因就在于采用了我們提出的地下人防結(jié)構(gòu)的處理技術(shù)。

4.3 與實(shí)測值的對比分析

基坑的施工是一個(gè)復(fù)雜的工程，連續(xù)墻的側(cè)移可能受到施工方法、施工機(jī)械等多種因素的影響，因此數(shù)值模擬存在局限，應(yīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析。

從圖7可以看出在開挖面上方數(shù)值計(jì)算的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值與實(shí)測值較為吻合。但開挖面下方，實(shí)測值相對計(jì)算值有明顯減小，初步分析這是由于施工后期嚴(yán)格限制基坑周邊人流車輛通行，使得地表超載大大降低，因而實(shí)測位移隨著開挖施工的進(jìn)行相對計(jì)算值有明顯降低。雖然計(jì)算值與實(shí)測值雖然在數(shù)量上不完全一致，但是所揭示的變形規(guī)律較為一致，說明本工程的數(shù)值模擬計(jì)算方法較符合實(shí)際施工情況。

圖7 拆除人防結(jié)構(gòu)之后墻體水平變形對比

圖8 墻體最終水平位移對比

圖8中實(shí)測基坑開挖完畢后最大側(cè)移為25.38 mm，低于計(jì)算值 28.35 mm，滿足施工要求。因而現(xiàn)場實(shí)測表明：本工程很好的控制了基坑的水平位移，地下人防結(jié)構(gòu)處理方案制定合理、施工措施得當(dāng)。

5 結(jié) 論

本文針對蘇州軌道交通四號線某標(biāo)段地鐵深基坑范圍內(nèi)存在大片地下人防結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)測，研究了深基坑施工過程中既有地下人防結(jié)構(gòu)的處理技術(shù)，主要結(jié)論如下：

1）采用既有人防結(jié)構(gòu)的頂（底）板作為臨時(shí)支撐，隨著基坑開挖的進(jìn)行，邊支護(hù)、邊拆除人防結(jié)構(gòu)的處理方案，保證了基坑在人防結(jié)構(gòu)拆除過程中的施工安全，減少基坑在無支護(hù)條件下的暴露時(shí)間。

2）建立了地下連續(xù)墻與既有人防結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型，分析了基坑開挖區(qū)域存在大剛度地下構(gòu)筑物如人防結(jié)構(gòu)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不同的特點(diǎn)：人防結(jié)構(gòu)處理為臨時(shí)支撐，由于頂板和底板剛度相對較大，有效的限制了開挖初期墻體側(cè)移。人防結(jié)構(gòu)以下，由于土拱效應(yīng)反而位移最大。人防結(jié)構(gòu)拆除以后，墻體最大變形位置逐步移到開挖面附近。與無人防結(jié)構(gòu)影響的基坑施工相比，既有人防結(jié)構(gòu)處理成為臨時(shí)支撐使得基坑在拆除人防結(jié)構(gòu)的過程中始終處于有支撐的狀態(tài)，這使得基坑開挖的初期變形被有效抑制，因而基坑的整體變形得以控制。

3）實(shí)測結(jié)果表明：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形整體較小，滿足規(guī)范要求?，F(xiàn)場實(shí)測值與模擬結(jié)果所表現(xiàn)的變形特征基本一致，說明本處理方案是科學(xué)合理的，相應(yīng)的施工舉措也處理得當(dāng)，因此基坑在施工過程中沒有發(fā)生較大變形。

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Research on Techniques of Treating Underground Air-defense Structure Used in Construction of Deep Foundation Pit

Yang Meng1,3,Li Wenfeng2,Tan Yuehu1,Li Erbing1,Zhou Jun1,Bian Shaoshuai1
(1.College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Suzhou Rail Transit Group Co.,Ltd.,Suzhou Jiangsu 215004,China; 3.Unit No.95526 of PLA,Lhasa Tibet 850000,China)

An introduction is made to the construction techniques of concrete diaphragm wall penetrating the existing air defense structure.A numerical model is also used to analyze the deformation characteristic of concrete diaphragm wall and the support effect of air defense structure while treating air defense structure.The analysis results are compared with the measured data.The results show that the deformation of concrete diaphragm wall accords with the calculated results well and meets the requirement of relevant specification during the construction.In the case,the combination of reasonable techniques of treating underground air defense structure and appropriate construction measures guarantees the safety of foundation pit in the project.

deep foundation pit project; underground air-defense structure; temporary support; construction techniques; numerical simulation

TV551.4

：A

：1004-9592（2016）06-0022-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160606

2015-12-01

蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（SZGDKY201304）

楊蒙（1989-），男，博士，主要從事巖土工程及地基處理方向的研究。