地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑開挖過程分析

曹文峰，張俊騰，張李平

（1.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，福建 福州 350119；2.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 南平 353000）

0 引言

自世界上第一條地鐵在英國倫敦誕生以來，地鐵作為一種大運(yùn)量、長(zhǎng)距離、環(huán)保低碳、高效便捷的運(yùn)輸工具在城鎮(zhèn)內(nèi)部大量出現(xiàn)。與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國地鐵建設(shè)雖然起步較晚，但隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，我國地鐵迎來建設(shè)高潮。截至 2018 年 12 月底，我國已有 32 個(gè)城市開通地鐵，運(yùn)營總里程已達(dá) 5 066.76 km，車站 3 202 座，通車總里程居世界第一位。在地鐵的建設(shè)過程中，區(qū)間一般采用盾構(gòu)方式，但車站建設(shè)一般采用開挖基坑的方式建設(shè)。由于受道路、管線和建筑物密集的限制，一般均采用有支護(hù)形式開挖。在開挖的過程中，各種荷載疊加，工況復(fù)雜，因此地鐵車站深基坑開挖施工過程的安全性成為施工中必須面對(duì)和解決的重要問題［1］。

從地鐵車站基坑支護(hù)形式來看，主要有混凝土地下連續(xù)墻、混凝土圍護(hù)樁、土釘墻、SMW 工法樁、鉆孔灌注樁等形式。其中混凝土地下連續(xù)墻整體剛度大、防滲效果好、安全系數(shù)高、可兼做主體結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是地鐵車站建設(shè)過程中常用的一種支護(hù)形式。

地鐵車站基坑開挖將會(huì)導(dǎo)致基坑周邊土體位移和應(yīng)力的改變，且這種改變?cè)谲浲恋貐^(qū)變化更為明顯［2-4］，因此在基坑開挖前，需對(duì)基坑內(nèi)土體分層開挖，并對(duì)基坑各工況下穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算［5-7］。本文以某地鐵車站基坑開挖為例，利用 PLAXIS2D 有限元軟件，對(duì)該基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，論證各開挖工況下基坑的安全情況。

1 PLAXIS 軟件

1.1 軟件簡(jiǎn)介

1987 年，荷蘭 Technische Universiteit Delft 開發(fā)設(shè)計(jì)了 PLAXIS 軟件，目的是為了解決荷蘭國內(nèi)的軟土地基開挖穩(wěn)定性工程問題。目前該軟件廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的路堤工程、基礎(chǔ)工程和基坑工程領(lǐng)域，在國內(nèi)各設(shè)計(jì)、施工等單位也得到廣泛應(yīng)用。

1.2 本構(gòu)模型

PLAXIS 軟件提供了 2 種常用的土體分析本構(gòu)模型，分別是 MOHR-COULOMB 模型（理想塑性）和HARDENING-SOIL 模型（各向同性 HARDENING）。本文采用 MOHR-COULOMB 模型進(jìn)行計(jì)算。

2 工程概況

某地鐵車站總長(zhǎng)度 386.7 m，站臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)段寬 20.2 m，底板埋深約為 15.46 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)撐形式。地下連續(xù)墻厚度 800 mm，采用 C30 鋼筋混凝土。坑內(nèi)共設(shè)置 3 道內(nèi)撐，從上到下第 1 道為鋼筋混凝土（C 30）支撐，截面尺寸為 0.8 m×0.9 m，水平間距 6 m；第 2、3 道為鋼管支撐，尺寸為φ=609 mm，t=16 mm，水平間距 3 m，分別位于地下 1.5、5.5、10.5 m。根據(jù) GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，本基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)取 1.1；支護(hù)結(jié)構(gòu)最大允許水平位移≤0.25 % H（H 為基層開挖深度）且≤0.03 m；地面最大允許沉降≤0.15 % H 且≤0.03 m?；炷羶?nèi)支撐和鋼管內(nèi)支撐主要計(jì)算參數(shù)如表 1～2 所示。

3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及有關(guān)設(shè)計(jì)資料，車站基坑內(nèi)各地層巖性特征如下：第①層為素填土，平均層厚3.2 m，主要由黏性土回填形成，中夾雜少量中砂和碎石；第②層為中硬黏性土，平均層厚 3.4 m，中密，壓縮性低；第③層為砂性土，平均層厚 3.6 m，含黏粒，夾雜少量有機(jī)質(zhì)；第④層為中密卵石，平均層厚 2.8 m，分選性好，局部夾雜黏土；第⑤層為中風(fēng)化花崗巖，未揭穿，有少量風(fēng)化裂隙。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表 3 所示。

表1 混凝土內(nèi)支撐主要計(jì)算參數(shù)

表2 鋼管內(nèi)支撐主要計(jì)算參數(shù)

表3 基坑各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

4 模型構(gòu)建

因該車站基坑為狹長(zhǎng)型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取最不利斷面進(jìn)行分析計(jì)算。因本基坑長(zhǎng)度相對(duì)于寬度較大，最不利斷面為橫斷面，故本基坑可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，可只取基坑寬度 1/2 進(jìn)行計(jì)算。為更好地模擬荷載分布情況，本工程計(jì)算寬度取 40 m。一般而言，深基坑開挖過程中，荷載在一倍于開挖深度內(nèi)有較大的影響，故本工程模型計(jì)算深度取 50 m。由此建立寬度為 40 m、深度為50 m 的計(jì)算模型。地面荷載按 25 kN/m 等效設(shè)置，布置在基坑邊緣 5 m 處。

4.1 計(jì)算模型

本工程網(wǎng)格疏密程度為中等，采用 15 節(jié)點(diǎn)單元模擬土體，間距為 1 m，格柵間分隔數(shù)為 1，重力加速度取 9.8 m/s2。為提高地下連續(xù)墻附近變形情況模擬的精確性，在地下連續(xù)墻附近對(duì)網(wǎng)格線加密，共劃分單元數(shù)177，節(jié)點(diǎn)數(shù) 1 555，應(yīng)力點(diǎn)數(shù) 2 100，網(wǎng)格數(shù)為 2 684 個(gè)。鋼筋混凝土地下連續(xù)墻用板單元進(jìn)行模擬，鋼筋混凝土內(nèi)撐和鋼管內(nèi)撐均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元進(jìn)行模擬。根據(jù)本工程實(shí)際情況，設(shè)定各邊界位移條件，其中基坑模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發(fā)生變形；下邊界任意方向的變形為零。計(jì)算模型如圖 1 所示。

圖1 計(jì)算模型圖

4.2 計(jì)算工況

根據(jù)經(jīng)批準(zhǔn)的專項(xiàng)施工方案，將本車站基坑開挖劃分為如下 8 個(gè)施工加載工況：工況①施工鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，施加地面荷載；工況②開挖第一層土體至第一道內(nèi)撐下 0.5 m；工況③施作第一道鋼筋混凝土內(nèi)撐；工況④待第一道鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，開挖第二層土體至第二道內(nèi)撐下 0.5 m 處；工況⑤施作第二道內(nèi)撐；工況⑥開挖第三層土體至第三道內(nèi)撐下 0.5 m 處；工況⑦施作第三道內(nèi)撐；工況⑧開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。對(duì)工況①～⑧進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出各施工工序下坑底、地下連續(xù)墻變形和內(nèi)撐軸力及地下連續(xù)墻剪力、彎矩變化情況和坑外土體變形情況。

5 各工況數(shù)值模擬情況

5.1 地下連續(xù)墻水平變形情況

經(jīng)分析計(jì)算可知，地下連續(xù)墻水平位移隨著開挖深度的增加而變大。由于坑內(nèi)土體開挖導(dǎo)致基坑外土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)的土壓力，且由于第 1 道支撐在墻頂以下1.5 m 處，此時(shí)地下連續(xù)墻相當(dāng)于懸臂梁狀態(tài)，因此地下連續(xù)墻水平位移最大值出現(xiàn)在墻頂位置。在工序 2 狀態(tài)下，基坑第一層土體已經(jīng)開挖，此時(shí)地下連續(xù)墻最大水平位移為 3.03 mm；工序 3 狀態(tài)下，施加第一道內(nèi)支撐，地下連續(xù)墻最大水平位移為 3.38 mm，水平位移有增大的趨勢(shì)，主要是由于第一道內(nèi)撐為鋼筋混凝土內(nèi)撐，施工完畢后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要一定時(shí)間，此時(shí)地下連續(xù)墻仍屬于無內(nèi)撐狀態(tài)，在坑外土體壓力下，向坑內(nèi)水平位移進(jìn)一步增大。隨著開挖工序的進(jìn)行，坑內(nèi)土體不斷被挖除，地下連續(xù)墻下部水平位移也不斷增大。在第 2、3 道橫撐處，由于橫撐的支撐作用，地下連續(xù)墻水平位移受到一定約束。工序 2～8 地下連續(xù)墻水平位移情況如圖 2 所示。

5.2 坑內(nèi)土體回彈情況

圖2 工序 2～8 地下連續(xù)墻水平位移情況

在基坑施工前，坑內(nèi)外土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著基坑的開挖，這種原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，變形隨之發(fā)生。隨著基坑開挖的進(jìn)行，坑內(nèi)土體不斷處于卸載狀態(tài)，坑底土體有回彈和涌起現(xiàn)象發(fā)生。在工序 2 狀態(tài)下，第一層土體已經(jīng)被開挖，此時(shí)坑底土體有回彈現(xiàn)象，變形為 2.8 mm。在工序 4 狀態(tài)下，此時(shí)底 2 層土體已經(jīng)開挖且第 2 道內(nèi)撐尚未施加，此時(shí)坑底土體有明顯的回彈現(xiàn)象，變形為 4.79 mm，且越接近基坑中心位置，位移越大（見圖 3）。在工序 8（見圖 4）狀態(tài)下，基坑土體進(jìn)一步卸載，坑內(nèi)土體最大位移量已接近 10.92 mm，且最大變形量仍出現(xiàn)在基坑中心位置。

圖3 工序 4 狀態(tài)下基坑垂直變形情況

圖4 工序 8 狀態(tài)下基坑垂直變形情況

5.3 基坑外土體變形情況

由于考慮到地面荷載按 25 kN/m 布置，因此經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在地面荷載處出現(xiàn)沉降溝現(xiàn)象。在工況1～3，地面最大沉降均出現(xiàn)在荷載布置處，最大沉降為5.21 mm。隨著開挖工作的進(jìn)行，地面荷載處位移雖繼續(xù)增大，但速率明顯放緩。從計(jì)算情況來看，坑外一定范圍內(nèi)的土體均有位移現(xiàn)象發(fā)生。從橫向來看，在工序 1 情況下，在基坑外側(cè) 30 m 處仍監(jiān)測(cè)到位移現(xiàn)象發(fā)生，且隨著開挖的進(jìn)行，坑外土體的位移影響范圍逐漸縮小，到了工序 8 情況下，最大影響范圍為基坑外20 m 左右。從縱向來看，隨著基坑開挖深度的增加，坑內(nèi)土體位移影響范圍隨之增大。在工序 2 情況下，坑內(nèi)土體位移約延伸到地面以下 35 m 處；在工序 8 情況下，在地面以下 45 m 處仍有位移現(xiàn)象發(fā)生。

5.4 地下連續(xù)墻內(nèi)力情況

在工序 2 狀態(tài)下，地下連續(xù)墻處于懸臂狀態(tài)，承受負(fù)彎矩，最大彎矩值為 79.75 kN·m，出現(xiàn)在第一道橫撐處。隨著開挖的進(jìn)行，彎矩極值隨之下探，且最大彎矩值不斷增大。在工序 6 狀態(tài)下，最大彎矩值為 100.73 kN·m，出現(xiàn)在深度約 13 m 處；在工序8狀態(tài)下，最大彎矩值為 156.01 kN·m，出現(xiàn)在深度約 16 m 處，且在 3 道支撐處，彎矩明顯有反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，工序 2、4、6、8 地下連續(xù)墻彎矩圖如圖 5 所示。從剪力情況來看，隨著開挖深度的增加，坑外土體向坑內(nèi)的擠入效應(yīng)更加明顯，墻內(nèi)剪力也隨之增大，在三道內(nèi)撐處均出現(xiàn)剪力極值現(xiàn)象，且由于內(nèi)撐的支撐作用，剪力出現(xiàn)正負(fù)突變。

圖5 工序 2 、4、6 、8 地下連續(xù)墻彎矩圖

6 結(jié)論

由于地質(zhì)情況復(fù)雜，危險(xiǎn)性大，因此深基坑工程是跨多學(xué)科的系統(tǒng)工程［8］，且風(fēng)險(xiǎn)貫穿勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)，坑外不當(dāng)堆載、降雨、開挖、擾動(dòng)等各種不利因素都可能對(duì)其造成安全影響［9］，因此在基坑施工前，通過有限元分析軟件對(duì)基坑的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況進(jìn)行模擬計(jì)算是很有必要的。

1）該地鐵車站基坑工程采用地下連續(xù)墻 +1 道鋼筋混凝土內(nèi)撐 +2 道鋼管內(nèi)撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，整體剛度較大、穩(wěn)定性較好，滿足施工要求。地下連續(xù)墻水平位移和豎直位移均小于 30 mm，最大側(cè)向位移為基坑開挖深度的 0.022 %，小于報(bào)警值。地下連續(xù)墻側(cè)向變形形態(tài)為內(nèi)弧形，且最大位移出現(xiàn)在墻頂位置。受 3 道內(nèi)支撐的作用，其變形在橫撐處有縮減現(xiàn)象發(fā)生。

2）隨著坑內(nèi)土體的不斷卸載，坑內(nèi)土體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，坑內(nèi)土體有明顯的回彈現(xiàn)象，且越靠近基坑中心位置回彈現(xiàn)象越明顯。因此開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高處時(shí)，為了基坑安全需及時(shí)施作底板。

3）坑外土體影響范圍一般為基坑寬度的 3 倍左右，深度為基坑深度的 2 倍左右。在地面荷載處，出現(xiàn)沉降溝現(xiàn)象，因此需對(duì)地面構(gòu)筑物沉降現(xiàn)象加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

PLAXIS2D 有限元分析軟件能夠精確模擬基坑開挖過程，能對(duì)基坑土體變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化數(shù)值模擬，精度能夠滿足施工需要。在實(shí)際施工過程中，基坑的變形、地表沉降及支撐內(nèi)力等受坑外堆載、基坑暴露時(shí)間、降雨等外界環(huán)境因素影響較大，因此應(yīng)對(duì)基坑變形情況加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)有效應(yīng)對(duì)，確?；诱w安全穩(wěn)定。