大型平面異形基坑地下連續(xù)墻的優(yōu)化設計

劉新龍，張智朋

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

基坑工程中，支護結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。地下連續(xù)墻主要用于開挖深度大于10 m的深基坑工程，作為支護結(jié)構(gòu)，地連墻不僅被用于擋土、止水結(jié)構(gòu)，而且也作為基坑主體結(jié)構(gòu)使用。若設計偏于保守可能會造成很多不必要的浪費，若為了追求經(jīng)濟效益，設計偏差太大，可能會釀成更大的工程事故[1]。因此，對是必要的。文獻[2]利用三維有限元模擬方法分析內(nèi)外坑開挖過程中外坑地下連續(xù)墻的變形以及外坑連續(xù)墻最大水平位移與內(nèi)外坑間距的影響關(guān)系。文獻[3]基于敏感環(huán)境下基坑數(shù)值模擬分析中土體本構(gòu)模型，分析了地連墻水平變形，對地下連續(xù)墻進行優(yōu)化設計。文中基于工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，采用MIDAS GTS NX軟件對基坑工程支護結(jié)構(gòu)進行三維建模分析，分析基坑變形規(guī)律，為基坑支護施工提供參考。

1 工程及地質(zhì)概況

廣州市某地鐵車站為地下四層箱型結(jié)構(gòu)，外包長度185 m，基坑支護采用明挖順作法施工，基坑長為82.0 m，寬為58.9 m，基坑開挖深度約為31.48 m；附屬結(jié)構(gòu)共有4個出入口及3組活塞風亭。車站兩端暗挖站臺層隧道長103 m。按照使用功能空間關(guān)系和施工規(guī)范[4]初步將基坑支護體系確定為地下連續(xù)墻+五道內(nèi)支撐支護型式，支護結(jié)構(gòu)為砼支撐，共計63 幅，臨時中立柱27 根。第一道對撐為800 mm×1 000 mm鋼筋砼支撐，水平間距9 m，斜撐采用600 mm×800 mm的砼支撐，冠梁為1 000 mm×1 000 mm；第二道對撐采用1 000 mm×1 200 mm鋼筋砼支撐，間距9 m，1 000 mm×1 200 mm鋼筋砼腰梁，斜撐采用800 mm×1 000 mm的砼支撐；第三、四道對撐采用1 000 mm×1 200 mm鋼筋砼支撐，間距9 m，1 000 mm×1 200 mm鋼筋砼腰梁，斜撐采用1 000 mm×1 000 mm的砼支撐；第五道對撐采用800 mm×1 000 mm鋼筋砼支撐，間距9 m，1 000 mm×1 000 mm鋼筋砼腰梁，斜撐采用800 mm×800 mm的砼支撐。

地層自上而下的地質(zhì)情況詳見表1。

表1 地層地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計表

2 建立模型

2.1 模型簡化及邊界條件

采用MIDAS GTS NX軟件進行三維建模分析，為提高計算效率，適當簡化計算模型，做出合理假設：① 土體材料采用Mohr-Coulomb準則；② 假定各土層為成層分布；③ 內(nèi)支撐、冠梁、腰梁和立柱采用梁單元進行模擬；④ 水位已降到基坑坑底以下，不考慮地下水的滲流作用；⑤ 模型邊界取基坑開挖深度的3倍，深度取基坑開挖深度的2倍[4-6]。

定義模型的邊界條件：頂面為自由邊界，側(cè)面水平方向約束，底面水平和垂直方向都約束，立柱底端約束Z軸的旋轉(zhuǎn)。

2.2 模型材料屬性

結(jié)合實際工程的地質(zhì)勘察報告，該工程的材料參數(shù)見表2～3。

2.3 模擬施工工況

MIDAS GTS NX軟件中，通過激活或鈍化網(wǎng)格組來模擬相應的工況，按照施工步驟來定義本模型的施工工況：① 施工地下連續(xù)墻；② 開挖至距地面-2 m處，在-1 m處施作第一道支撐，并施工立柱；③ 開挖至距地面-9 m處，在-8 m處施作第二道支撐；④ 開挖至距地面-15 m處，在-14 m處施作第三道支撐；⑤ 開挖至距地面-22 m處，在-21 m 處施作第四道支撐；⑥ 開挖至距地面-28 m處，在-27 m處施作第五道支撐；⑦ 開挖至基底。

運用MIDAS GTS NX軟件，按照上述步驟建立三維模型，共有55 070個單元，54 340個節(jié)點，基坑整體模型和地下連續(xù)墻模型如圖1～2所示。

表2 土層材料參數(shù)

表3 圍護結(jié)構(gòu)材料屬性

圖1基坑整體模型
Fig.1 Integral model ofthe foundation pit

圖2地下連續(xù)墻模型

Fig.2 Underground continuous wall model

3 數(shù)值分析

3.1 計算結(jié)果及分析

該基坑工程并不是規(guī)則的矩形形式，長邊即X軸方向有一定的傾斜角度。現(xiàn)分析隨著基坑開挖，不規(guī)則截面與規(guī)則截面的位移變化情況。地連墻墻厚1 m，嵌固深度10 m時，計算得到各個工況開挖時的位移云圖如圖3～4所示。

從云圖上提取出每個開挖工況施工時，地連墻長邊的最大水平位移和最大水平位移出現(xiàn)的深度，見表4～5。

從云圖上提取出每個開挖工況施工時，地連墻短邊的最大水平位移和最大水平位移出現(xiàn)的深度，見表6～7。

圖3 各開挖工況下基坑長邊的位移

工 況①②③④⑤⑥位移/mm2.075.305.879.3211.2012.90深度/m-11-17-19-17-19-22

表5 斜截面的最大位移和深度(長邊)

圖4 各開挖工況下基坑短邊的位移Fig.4 Displacement of the short side of foundation pits under excavation conditions

工 況①②③④⑤⑥位移/mm2.305.815.238.539.9710.30深度/m-14-19-11-17-19-19

表7 短邊的最大位移和深度(斜截面)

基坑開挖過程中，基坑長邊負向斜截面的水平位移如圖5所示，基坑長邊正向正截面如圖6所示，各個工況下地下連續(xù)墻的最大水平位移如圖7所示。其中X1為基坑長邊正向正斜面最大位移，X2為基坑長邊負向斜截面最大位移，Y1為基坑短邊正向正截面最大位移，Y2為基坑短邊負向正截面最大位移。

圖5 基坑長邊負向斜截面的水平位移

圖6 基坑長邊正向正截面的水平位移

圖7 各工況下最大水平位移

由圖5可以看出，隨著基坑開挖，地下連續(xù)墻的水平位移逐漸增大，基坑開挖完成后，地下連續(xù)墻的最大水平位移16.9 mm。沿著基坑深度方向，地下連續(xù)墻的水平位移逐漸增加，每一工況下，地下連續(xù)墻的最大水平位移總是出現(xiàn)在地下連續(xù)墻的中下部位置，總體呈現(xiàn)兩端位移小，中間位移大的特點，基坑開挖完成，最大水平位移出現(xiàn)在-19 m處。

圖6為沿著基坑長邊地下連續(xù)墻的正截面選取一組節(jié)點，得到各開挖工況下水平位移的變化曲線。從圖6中發(fā)現(xiàn)，基坑水平位移變形趨勢與斜截面一致，呈現(xiàn)兩端位移小，中間位移大的特點。但隨著基坑開挖，地連墻頂端位移向坑外側(cè)移動。這是因為隨著基坑開挖時地連墻頂端會受到內(nèi)支撐的約束作用。

基坑長邊正截面的最大水平變形是12.9 mm，出現(xiàn)在-22 m處，基坑長邊斜截面的最大水平變形是16.9 mm，出現(xiàn)在-19 m處，改變了4 mm；而基坑短邊正向與負向正截面的最大水平變形分別是10.3 mm和10.7 mm，改變了0.4 mm。基于以上數(shù)據(jù)分析，當基坑平面呈現(xiàn)不規(guī)則形式時，基坑的最大側(cè)向變形發(fā)生在不規(guī)則邊，實際工程中應加強對這一薄弱區(qū)域的監(jiān)測控制。

3.2 墻厚的優(yōu)化分析

對于墻厚分別為0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m的地下連續(xù)墻進行有限元分析，得到基坑側(cè)向變形曲線圖、基坑地表沉降曲線圖,如圖8～9所示。

圖8 基坑側(cè)向變形

圖9 基坑地表沉降

連續(xù)墻厚度為1.2 m時，基坑的最大水平變形為14.87 mm；連續(xù)墻厚度為1.0 m時，基坑的最大水平變形為17 mm；連續(xù)墻厚度為0.8 m時，基坑的最大水平變形為20.03 mm；連續(xù)墻厚度為0.6 m時，基坑的最大水平變形為23.88 mm。隨著地連墻墻厚增加，對水平變形的影響越來越小。

地連墻厚度設置為0.6 m時，最大地表沉降量達到-15.91 mm；地連墻厚度設置為0.8 m時，最大地表沉降量達-14.21 mm；地連墻厚度為1.0 m時，地表最大沉降量為-12.98 mm；地連墻厚度為1.2 m時，地表最大沉降量為-12.79 mm。隨著地連墻墻厚增加，對地表沉降的影響越來越小。

現(xiàn)以位移安全儲備系數(shù)為指標，綜合分析地下連續(xù)墻墻厚增加時，對水平變形與地表沉降的整體影響趨勢，圖10為不同墻厚的位移安全儲備系數(shù)曲線。

圖10 不同墻厚的位移安全儲備系數(shù)曲線

3.3 嵌固深度的優(yōu)化分析

對于地連墻嵌固深度分別為6 m，8 m，10 m，12 m進行有限元分析，結(jié)果如圖11～12所示。

圖11～12表明隨著地連墻嵌固深度增加，對水平變形的影響越來越小，對豎向沉降的影響越來越小。

圖11 不同嵌固深度對基坑水平變形的影響

圖12 不同嵌固深度對基坑周邊地表沉降的影響

以位移安全儲備系數(shù)為指標，綜合分析地下連續(xù)墻嵌固深度增加時，對水平變形與地表沉降的整體影響趨勢，圖13為不同嵌固深度的位移安全儲備系數(shù)曲線。

圖13 不同嵌固深度的位移安全儲備系數(shù)曲線

本基坑工程預警值為25 mm，施工控制值為20 mm，當?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度為6 m時，基坑水平變形的安全儲備系數(shù)為-3.76%，豎向變形的安全儲備系數(shù)為23.75%；當嵌固深度為8 m時，基坑水平變形的安全儲備系數(shù)為17.52%，豎向變形的安全儲備系數(shù)為30.20%；當嵌固深度為10 m時，基坑水平變形的安全儲備系數(shù)為32.00%，豎向變形的安全儲備系數(shù)為35.10%；當嵌固深度為12 m時，基坑水平變形的安全儲備系數(shù)為34.12%，豎向變形的安全儲備系數(shù)為37.10%；位移安全儲備系數(shù)隨地連墻的嵌固深度增加逐漸趨于平緩。

4 結(jié) 論

通過建立不同墻厚與不同嵌固深度的三維模型，分析不同墻厚與嵌固深度對基坑變形的影響規(guī)律，得出的主要結(jié)論為

1) 基坑開挖過程中，隨著墻厚增加，基坑變形逐漸減小。當墻厚增加，變形的位移安全儲備系數(shù)逐漸增大并最終趨于平緩，說明地下連續(xù)墻的厚度存在臨界值。當厚度從1.0 m增加到1.2 m時，位移安全儲備系數(shù)分別變化了8.52%和0.95%，可以發(fā)現(xiàn)，沉降的安全儲備系數(shù)僅僅變化了0.95%，結(jié)合安全與經(jīng)濟效益綜合考慮，地連墻的墻厚宜選用1 m。

2) 地下連續(xù)墻嵌固深度增加，變形的位移安全儲備系數(shù)逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，說明嵌固深度同樣存在臨界值，當超過此臨界值時，嵌固深度一味增加，對基坑變形的影響效果甚微?；诎踩c經(jīng)濟效益考慮，結(jié)合該基坑的地質(zhì)情況，嵌固深度的臨界值宜取10 m。