復雜條件下深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形演化規(guī)律研究

麻鳳海,陳霞,劉增斌

(大連大學建筑工程學院，遼寧大連116622)

0 引言

深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對于施工安全與基坑的整體穩(wěn)定具有重要意義，其中降水過程會影響基坑內(nèi)外滲流場的變化，因此要選取適當?shù)慕邓桨?，孔隙水壓、總水頭的變化能較好地反映降水進程，降水方案的優(yōu)化可以減少基坑周圍地表沉降，保持基坑整體處于相對穩(wěn)定的彈性狀態(tài)；在開挖基坑的過程中，基坑除了自身的長跨效應(yīng)外，還具有時空效應(yīng)，土體開挖卸荷作用改變了原有的應(yīng)力狀態(tài)，使得內(nèi)側(cè)土體對圍護結(jié)構(gòu)的支撐作用減小，此時圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對基坑的穩(wěn)定有重要作用，土方開挖的方式也會影響基坑的穩(wěn)定，一般超挖到鋼支撐架設(shè)處以下0.5 m，如果超挖深度較大，將引起基坑發(fā)生較大變形，不利于基坑的穩(wěn)定；另外，圍護結(jié)構(gòu)的施工也會影響土體的應(yīng)力重分布，適當?shù)淖{方式能夠有效減少對土體的擾動，有利于基坑的穩(wěn)定；基坑兩側(cè)堆載的形式也影響了基坑的穩(wěn)定，對稱荷載或不對稱荷載都會影響圍護結(jié)構(gòu)的沉降和變形，進而影響基坑的穩(wěn)定性。因此，研究復雜條件下的深基坑圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

李兵等[1]運用理正深基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件研究了樁徑、樁間距的不同對圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，結(jié)果表明：在基坑穩(wěn)定的前提下，增大樁間距能增大圍護樁的位移變形，減少圍護樁總數(shù)，節(jié)約了施工成本；李方明等[2]基于江漫灘地鐵深基坑的變形實測資料，采用了理論公式分析結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法，總結(jié)了懸掛式帷幕基坑的變形規(guī)律，結(jié)果表明：其地表沉降曲線呈凹槽形，地下連續(xù)墻的最終形態(tài)為內(nèi)凸脹肚型；夏元友等[3]對武漢市某一超大型深基坑地連墻跳躍式施工過程進行了三維有限差分數(shù)值模擬，研究了對單個跳躍式開挖過程墻上土壓力的監(jiān)測，揭示了地下連續(xù)墻施工影響應(yīng)力重分布的變化規(guī)律；XIAO等[4]運用有限元數(shù)值模擬的方法得出了深基坑開挖深度方向水平位移的變化規(guī)律和圍護樁的水平位移變化規(guī)律，得出圍護樁頂部的水平位移是基坑開挖深度的0.2 %～0.5 %，地表最大沉降發(fā)生在距離基坑頂部0.6倍開挖深度處附近；QING等[5]運用一階可靠性方法、響應(yīng)面法即RSM法來進行巖石隧道穩(wěn)定的可靠性分析，研究表明噴射混凝土厚度及其安裝的位置可以優(yōu)化圓形巖石隧道的設(shè)計；DEBASIS等[6]分析了幾種加固圍巖的數(shù)值分析方法，結(jié)果表明：單個的節(jié)點、螺栓及它們之間的相互作用可以用來分析在加載條件下巖體開挖的穩(wěn)定性，得到的巖體應(yīng)力和位移的結(jié)果可以和未用螺栓加固的巖體模型進行對比；席培勝等[7]利用MIDAS GTS NX對基坑典型控制截面建立二維模型，分析2種堆載：對稱和非對稱的情況下支護樁水平位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：堆載的形式對樁體水平位移有明顯影響，非對稱荷載作用下的樁體位移具有明顯的非對稱性；李濤等[8]以北京地鐵10號線一盾構(gòu)井深基坑工程為例，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，分析了支撐軸力和樁體水平位移的相互作用機理，研究表明：鋼支撐軸力在安裝完成后不久達到最大值，然后逐漸減小趨于穩(wěn)定，其中最大值發(fā)生在角撐處；鋼支撐對樁體水平位移有一定限制作用，樁體最大水平位移的位置隨基坑開挖的深度逐漸下降；王佳慶等[9]以成都地鐵2號線一深基坑為例，考慮到該基坑處于膨脹土地區(qū)，必須考慮水平膨脹力的影響，運用MIDAS/GEN軟件模擬了膨脹力作用下圍護樁的受力，結(jié)果表明：考慮膨脹力之后的圍護結(jié)構(gòu)體系造價增大，加大了安全儲備又合理地控制了施工成本；代祥等[10]運用PLAXIS 2D模擬基坑開挖過程中有無架設(shè)鋼支撐支護樁內(nèi)力和位移變化規(guī)律，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：架設(shè)鋼支撐能減緩基坑偏移速率，在距圍護樁樁底H/3-2H/3處，偏移量最大，呈“弓”形分布；YAN等[11]運用應(yīng)變軟化模型來模擬巖體，用剪切和螺栓拉伸失穩(wěn)來檢驗巖體支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：當k0取0.5～1.25時，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測有較好的吻合，且?guī)r體當中的主要斷層和軟弱夾層對結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力有顯著的影響；SUN等[12]建立二維和三維有限元模型，詳細分析了由于作用在深基坑內(nèi)外土體壓力的不同，導致圍護結(jié)構(gòu)所受荷載和水平位移的不同；李四維等[13]分析了基坑尺寸、樁體的嵌固深度、施工工況對基坑變形規(guī)律的影響；安建永等[14]提出了地層損失隨時間變化的模型，給出了地表沉降隨時間、施工參數(shù)變化的函數(shù)表達式；付濤等[15]研究了懸臂式排樁圍護結(jié)構(gòu)的位移和彎矩的分布規(guī)律，并將解析法和模擬結(jié)果進行對比分析；張明遠等[16]研究了順作、逆作工法下，基坑圍護結(jié)構(gòu)和相鄰隧道的位移特點以及兩者之間的關(guān)系，結(jié)果表明：逆作法會明顯減少圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移；趙秀紹等[17]運用FLAC3D建立了深基坑開挖支護的模型，得到了不同開挖階段的地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律。

這些文章極大程度地推動了對基坑圍護結(jié)構(gòu)的認識和發(fā)展，但對于復雜條件下深基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究相對較少，大部分數(shù)值模擬對工況的模擬過于理想化，不能全面反映基坑整體變形。因此，有必要進一步進行研究。

本文以沈陽市地下綜合管廊(南運河段)第20號盾構(gòu)始發(fā)井深基坑工程為背景，運用MidasGTS軟件建立基坑開挖三維地層模型，對開挖支護的全過程進行模擬，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，得到了始發(fā)井深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為類似工程的設(shè)計和施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

本文選取盾構(gòu)始發(fā)井(D5)進行研究，該盾構(gòu)井起點里程右線：K8+202.769，終點里程右線：K8+254.369,位于萬泉公園湖水中,沿南運河南側(cè)東西向布置，中心里程為K8+228.569，結(jié)構(gòu)平面外輪廓尺寸為51.6 m×22.6 m，坑深約21.6 m，標準段寬度約18.8 m，深約18.6 m該盾構(gòu)始發(fā)井為三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁+坑內(nèi)鋼支撐的圍護結(jié)構(gòu)體系，基坑采用坑外降水的方式，樁間土采用掛網(wǎng)噴射混凝土保護。鋼支撐采用直徑609 mm，厚度16 mm的鋼管撐，共設(shè)3道，兩端盾構(gòu)井增設(shè)一道換撐。為減小圍護結(jié)構(gòu)的變形，本工程對所架設(shè)鋼支撐預加軸向力。圍護樁樁徑800 mm,樁間距1 200 mm。地層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 地層土體的物理力學指標Tab.1 Numerical simulation parameter of stratum list

2 數(shù)值模擬

圖1 修正摩爾—庫倫模型在p-q平面屈服準則Fig.1 Yield criterion of modified Mohr-Coulomb Model in P-q plane

利用MidasGTS軟件建立基坑三維模型，考慮到基坑周圍土體開挖的影響范圍，本盾構(gòu)始發(fā)井基坑所建模型的長、寬、深空間尺寸為150 m×150 m×63 m。計算模型的三維單元網(wǎng)格如圖2所示，其中單元總數(shù)為69 658，節(jié)點總數(shù)為42 388。主要影響范圍內(nèi)的地層土的物理力學指標見表1。其中，圍護樁和鋼支撐選擇彈性模型，其中鋼支撐的彈模取2.1×108kN/m2，直徑為609 mm,厚度為16 mm，泊松比取0.2，圍護樁的彈模取3.15×107kN/m2，泊松比取0.2。用梁單元模擬鋼支撐、冠梁和腰梁，板單元模擬圍護樁，三維實體單元模擬土體。模型的邊界條件為：模型上部的邊界是地表，為自由界面，側(cè)面和底面為位移邊界，底面的位移邊界為固定邊界，約束水平和豎直方向的移動；側(cè)面的邊界條件是約束水平方向上的移動。

本文土體采用修正摩爾—庫倫(MM-C)模型進行模擬。修正摩爾—庫倫本構(gòu)模型，是在摩爾—庫倫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上加以改進而得到的，他的壓縮屈服面呈“帽子形”，剪切屈服面和摩爾—庫倫模型的相同，偏平面采用圓角處理的方式，和摩爾—庫倫模型相比，計算結(jié)果更易于收斂。圖中，橫坐標p表示主應(yīng)力，縱坐標q表示等效剪應(yīng)力,構(gòu)成的應(yīng)力空間為p-q應(yīng)力空間，φ為內(nèi)摩擦角，pc為平均主應(yīng)力，α和下式中的β1、β2都是蓋帽屈服面的參數(shù)，Δp表示移動剪切屈服面，可以反應(yīng)粘聚力的效果。

圖2 三維有限元計算模型Fig.2 Three-dimensional model diagram

圖3 圍護樁墻和鋼支撐模型圖Fig.3 Model diagram of retaining pile and steel shotcrete

施工階段分析過程如下：第1步平衡初始地應(yīng)力； 第2步開挖2.8 m厚的回填土；第3步施工圍護樁墻；第4步開挖第一層1.1 m厚的土體；第5步激活冠梁和第一道支撐并開挖6.4 m厚土體；第6步激活第1道腰梁和第2道支撐并開挖7.1 m厚土體；第7步激活第3道腰梁和第3道支撐并開挖3.48 m至坑底；第8步激活第4道支撐和第4道腰梁。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

在開挖基坑之前，布設(shè)相關(guān)監(jiān)測點，在基坑開挖的過程中，進行圍護樁水平側(cè)向位移的監(jiān)測，監(jiān)測點的布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測布點平面示意圖Fig.4 Planar graphs of monitoring points

圖5 開挖結(jié)束后樁身水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curve of end of pile excavation

3.1 圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移分析

本始發(fā)井深基坑采用鉆孔灌注樁作為圍護結(jié)構(gòu)，對圍護樁的位移進行實時監(jiān)測有著重要的現(xiàn)實意義：確?；?、周邊建筑物、地表沉降、地下管線的穩(wěn)定，要確保樁體的最大位移不能超過控制值(累計值達25 mm)，采用測斜儀對測斜管雙向監(jiān)控量測，對圍護結(jié)構(gòu)豎直方向的不同深度在不同開挖階段內(nèi)進行測量，及時記錄圍護結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律。圖5為開挖結(jié)束后樁體的深層水平位移曲線。

選取ZQT1與ZQT5斷面進行研究，由圖5可知：

①架設(shè)鋼支撐能夠明顯限制圍護樁的水平位移，由于第一道鋼支撐不能及時架設(shè)，此時的圍護樁近似于懸臂梁的狀態(tài)，上部發(fā)生較大的變形，位移明顯前傾，但架設(shè)鋼支撐之后，預加力發(fā)揮明顯作用，顯著限制樁體位移；

②鋼支撐的架設(shè)時間、預加軸力的大小、開挖的深度等都對圍護樁的位移有較大的影響。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

在本工程中，土體、圍護樁、鋼支撐作為相互作用的一個整體，土方開挖基坑卸荷，改變了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力重分布。圖6～圖9為各開挖步驟下圍護結(jié)構(gòu)的水平位移云圖。

(a) 開挖1位移云圖

(b) 開挖2位移云圖

(c) 開挖3位移云圖

(d)開挖4位移云圖

圖7 基坑總體位移云圖Fig.7 Total displacement of foundation pit

從數(shù)值模擬的計算結(jié)果可知：①隨著基坑開挖深度的不斷增加，圍護結(jié)構(gòu)水平位移也不斷增加，兩者的變化量成正比。第1步開挖后，圍護樁墻的水平位移不大，受力類似于懸臂梁，其位移最大值在樁頂，此后不斷減少；第2步開挖完成后，位移分布有了一些變化，位移最大值出現(xiàn)在開挖面8 m附近的位置；第3步開挖后，隨著前2道鋼支撐的架設(shè)，圍護樁墻的最大位移開始向基坑的中下部移動；第四部開挖結(jié)束后，可以明顯看出，基坑中部位移量最大，上部位移變化穩(wěn)定。因此，需要在基坑中部位置加強架設(shè)鋼支撐，且要及時架設(shè)，減少土體暴露在外的時間。②圍護結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移具有顯著的角部效應(yīng)，其影響范圍約為基坑開挖深度的2.5～3.0倍，在基坑角部附近較小，而后呈逐漸增大的趨勢。③基坑長邊和短邊的最大位移值均在開挖結(jié)束后，短邊最大水平位移值為10.8 mm，長邊最大位移值為16.7 mm，小于警戒值25 mm，所以圍護結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)，基坑較為穩(wěn)定。④鋼支撐的架設(shè)對限制圍護結(jié)構(gòu)的水平位移較為顯著，架設(shè)鋼支撐后，圍護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，類似于桿件體系，抵擋土壓力的能力增強，使作用在圍護樁墻上的部分土壓力轉(zhuǎn)向了基坑的另一側(cè)。第1道鋼支撐架設(shè)完，約束作用最為明顯，但隨著開挖深度的增加，鋼支撐對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的約束效果逐漸降低。⑤土體開挖，使圍護樁內(nèi)側(cè)的壓力降低，部分土體卸荷回彈，豎直方向上得到恢復，產(chǎn)生了水平方向上的移動，圍護結(jié)構(gòu)底部的位移增加。⑥基坑長邊的變形明顯大于短邊，靠近基坑方向的位移大于遠離基坑方向的位移，且基坑總體位移的影響范圍約為1.5倍的基坑深度。

5 對比分析

選取ZQT1與ZQT5處的水平位移值與監(jiān)測值進行分析，兩個監(jiān)測點的水平位移曲線圖見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知：①數(shù)值模擬結(jié)果與實際檢測值的變化趨勢相同，但模擬值小于監(jiān)測值，這是由于在基坑開挖的過程中受到各種因素的影響(施工工藝，天氣等)，使得模擬值與監(jiān)測值有一定的出入，但這是正常的現(xiàn)象。也說明了模型參數(shù)、本構(gòu)的選取較為正確，符合工程實際情況。②模擬值與監(jiān)測值都表明，圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移值均在圍護結(jié)構(gòu)的中下部位。③當?shù)?步開挖后，模擬值與監(jiān)測值較為接近，但隨著開挖的進行，兩者出現(xiàn)一定的差別。這是因為，數(shù)值模擬過程中模擬的是理想的工況，鋼支撐及時架設(shè)且超挖范圍為0.5 m，但在實際基坑開挖過程中，往往超挖深度大于0.5 m，鋼支撐由于種種原因也不能及時完成架設(shè)工作，從而造成結(jié)構(gòu)變形增大。因此，可以利用數(shù)值模擬對基坑開挖進行超前了解(對圍護結(jié)構(gòu)的變形，地表沉降等)，進一步指導現(xiàn)場施工。

圖8 開挖完成后ZQT1水平位移曲線對比圖Fig.8 Horizontal displacement contrast curve of point ZQT1

圖9 開挖完成后ZQT5水平位移曲線對比圖Fig.9 Horizontal displacement contrast curve of point ZQT5

6 結(jié)論

本文利用MIDASGTS軟件，建立沈陽市綜合管廊第五盾構(gòu)井(D5)深基坑開挖的三維地層模型，具體分析了在基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

①圍護結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移具有顯著的角部效應(yīng)，其影響范圍約為基坑開挖深度的2.5～3.0倍，在基坑角部附近較小，而后呈逐漸增大的趨勢。

②鋼支撐的架設(shè)能夠顯著約束圍護結(jié)構(gòu)的水平側(cè)向位移，但隨著開挖深度的不斷增加，其約束作用不斷減小，因此，需要在開挖過程中設(shè)置其他結(jié)構(gòu)，保持基坑的整體穩(wěn)定，可在基坑中間設(shè)置腰梁、橫撐等。

③基坑長邊和短邊的最大位移值均在開挖結(jié)束后，短邊最大水平位移值為10.8 mm，長邊最大位移值為16.7 mm，小于警戒值25 mm，所以圍護結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)，基坑較為穩(wěn)定?；娱L邊的變形明顯大于短邊，靠近基坑方向的位移大于遠離基坑方向的位移，且基坑總體位移的影響范圍約為1.5倍的基坑深度。

④隨著基坑開挖深度的不斷增加，圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移位置也不斷向下移動，在基坑中部位移量最大，而此時基坑上部位移較為穩(wěn)定。因此需要在基坑的中部位置及時加強支撐，同時減少土體暴露的時間。

⑤始發(fā)井深基坑的圍護結(jié)構(gòu)水平位移曲線表現(xiàn)為中間凸起的“大肚”形，但是當?shù)谝坏冷撝紊形醇茉O(shè)時，圍護結(jié)構(gòu)的上部位移較大，表現(xiàn)為“前傾”形，圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值出現(xiàn)在基坑的中下部，在基坑底部，部分土體卸荷回彈，導致圍護結(jié)構(gòu)的水平位移出現(xiàn)增加的情況。