兩側(cè)小基坑開挖對深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究

呂金華

（沿海鐵路浙江有限公司，浙江 寧波 315012）

1 工程概況

沿海軟土地區(qū)某大型鐵路樞紐改建工程站房共設(shè)3層，地下1層，地上兩層。地鐵2號線鐵路南站位于國鐵南北通道下方，為地下二層，呈南北走向，屬寧波站的地下交通配套工程，與國鐵車站一體化共建。

該工程所在場地位于軟土斷陷向斜盆地中部，地形平坦開闊，地貌類型單一，屬第四系沖湖積平原?；又饕獛r性為淤泥質(zhì)黏性土及黏性土，屬典型的軟土地基，場地內(nèi)地下水位埋深0.9～1.2m，受氣候影響，水位有一定的變化，但變化幅度不大。

沿海軟土地區(qū)某大型鐵路樞紐改建工程深基坑工程開挖總面積約28000m，國鐵南北通道開挖深度10.15m，寬度124m；地鐵車站開挖深度20.9～23.7m，寬度40.9～60.2m；地鐵結(jié)構(gòu)為地下兩層四柱五跨鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。基坑安全等級為一級。在深基坑的四個角有四個耳房，耳房中又夾有地鐵出入口，耳房基坑最大開挖深度10m，該工程在設(shè)計時要求深基坑開挖完成，澆筑底板后，方能開挖兩側(cè)小基坑，這樣也延長了工期。本文主要研究了若兩側(cè)基坑同時開挖，對深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地基穩(wěn)定性到底產(chǎn)生多大影響。某大型鐵路樞紐改建工程深基坑工程開挖局部圖如圖1所示。

圖1 某大型鐵路樞紐改建工程深基坑工程開挖局部圖

2 基坑開挖的三維有限元模型的模擬

深基坑工程進(jìn)行計算分析，因某大型鐵路樞紐改建工程深基坑開挖面較大，南北距離長，且南北端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式不同，再加上兩側(cè)小基坑不對稱開挖，基坑形式復(fù)雜。因此，有限元模型應(yīng)抓住基坑開挖有限元模型的主要因素，建立模型之前應(yīng)對實際工程做出適當(dāng)簡化。根據(jù)工程經(jīng)驗和文獻(xiàn)資料，對于深基坑開挖其影響范圍寬度一般為挖深的3～4倍，影響深度為挖深的2～4倍。

該工程的基坑開挖有限元模型，取模型寬度為最大開挖深度的約4倍，深度取到⑤1粉質(zhì)黏土，取南端基坑簡化成模型進(jìn)行分析，模型的基本尺寸為長×寬×高=240m×150m×90m。模型建立的示意如圖2所示。

圖2 基坑三維模型示意圖

2.1 模型單元及邊界條件

選做基坑數(shù)值計算模型的共設(shè)置為921210個單元，314182個節(jié)點?；舆吔鐥l件是整體模型的底面約束X與Z方向位移，左右側(cè)邊界約束X方向位移，背面約束Y方向位移，由于基坑支撐只取實際支撐的一半，所以在正面施加Y方向位移約束與X、Z方向位移轉(zhuǎn)動約束，立柱樁樁端約束豎直方向的轉(zhuǎn)動。頂面土體施加-1kN/m的超載。

2.2 模型計算的主要參數(shù)

2.2.1 土體參數(shù)

該工程實際土層數(shù)較多，但考慮到將計算模型簡化的需要，本文模型將土層性質(zhì)相近的土層合并，模型計算的具體參數(shù)如表1所示。土體設(shè)置為三維實體單元。

表1 模型各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑外側(cè)的三軸水泥土攪拌樁設(shè)置為水泥土板重力壩，深度為地面下10m范圍，厚度為1.5m；國鐵通道范圍的鉆孔灌注樁是有單一的鉆孔樁組成，其受力形式與連續(xù)墻類似。因此，可以根據(jù)其抗彎剛度相等的原則，將鉆孔灌注樁等效為一定寬度的地下連續(xù)墻形式，進(jìn)行模型分析。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和相關(guān)的工程經(jīng)驗表明，將鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻，其結(jié)果偏于安全，因此是合理的。按照抗彎剛度相等原則，根據(jù)該工程鉆孔灌注樁的直徑為900mm，間距為1050mm，由剛度相等原則可得：

可得：

通過計算式（2），可得換算連續(xù)墻厚度為565mm來建立計算模型。取內(nèi)地連墻800mm，外地連墻1000mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為實體單元，通過布爾運算——差集實現(xiàn)與巖土體間的聯(lián)系，通過匹配面線實現(xiàn)接觸面共享。三維模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)

2.2.3 支撐等結(jié)構(gòu)

I-1深基坑共設(shè)3道支撐，每一道支撐有主撐、斜撐、圍檁，第1道支撐還有用于提供施工作業(yè)場地的棧橋面板；I-4小基坑開挖深度4m，無支撐，為懸臂結(jié)構(gòu)；由于I-4重力壩區(qū)域是地鐵出入口，開挖深度14.5m，設(shè)2道支撐；I-5小基坑開挖深度9m，上部4.5m為懸臂結(jié)構(gòu)，在4.5m處設(shè)有1道支撐；考慮到主撐、斜撐、圍檁的截面尺寸差不多，為了方便計算，其單元形式采用線性梁單元，截面統(tǒng)一為1000mm×1000mm混凝土矩形截面，棧橋面板采用500mm厚板單元。

2.2.4 格構(gòu)柱與立柱樁

I-1深基坑立柱樁—格構(gòu)柱的截面形式都為四肢角鋼格構(gòu)柱，但截面尺寸不一，但多數(shù)格構(gòu)柱的角鋼尺寸為L145×16，綴板尺寸為400×200×10mm，間距600mm，為簡化計算模型，格構(gòu)柱都設(shè)置為線性梁單元，且將格構(gòu)柱都等效為圓形空心鋼柱。以下為等效換算方法：

（1）格構(gòu)柱構(gòu)件長細(xì)比，按下式計算：

式（3）～（4）中：、為構(gòu)件對主軸x和y的計算長度；i、i為構(gòu)件截面對主軸x和y的回轉(zhuǎn)半徑，其中i=0.43b，i=0.43h。

（2）格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性按實腹式公式計算，但對虛軸x、y的長細(xì)比應(yīng)取換算長細(xì)比。四肢組合的角鋼構(gòu)件，其采用的綴件為綴板時，按下式簡化計算：

式（5）～（6）中：λ、λ為整個構(gòu)件對x、y軸的長細(xì)比；為分肢對最小剛度軸1—1的長細(xì)比，其計算長度取為：焊接時，為相鄰兩綴板的凈距離；螺栓連接時，為相鄰兩綴板邊緣螺栓的距離。

（3）根據(jù)抗彎剛度相等原則，角鋼格構(gòu)柱對x、y軸的剛度均相等，則有：

根據(jù)式（3）～式（7），并代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以算的等效空心鋼柱的直徑為600mm，厚度12mm。

I-1深基坑立柱樁—格構(gòu)柱的形式種類繁多，橋梁立柱樁由20根φ1500，69根φ900的樁組成，最深埋深深度約80m，嵌入圓礫層。

2.2.5 土體本構(gòu)關(guān)系

本跨既有線深基坑有限元模型的土體本構(gòu)模型采用彈塑性的摩爾-庫倫（C-M或M-C）強度理論。

1773年Coulomb針對巖土特性，提出了土體對任何一個受力面上的極限抗剪強度的表達(dá)式：

式（8）中：為土體的內(nèi)摩擦角；σ為土體的受力面上的法向應(yīng)力；為土的黏聚力。

1910年摩爾（Mohr）提出材料的破壞是剪切破壞，并指出在破壞面上的剪應(yīng)力是為該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即：

對于此函數(shù)，τ=()坐標(biāo)為一條曲線，叫作摩爾包線。土的摩爾包線通常近似用直線表示，即式（8）表示線性方程。通過簡化后的庫倫公式表示的摩爾包線的土體強度理論為摩爾-庫倫強度理論。

當(dāng)巖土處于應(yīng)力空間狀態(tài)時，此時的摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則的屈服面為不規(guī)則的六角形截面角錐體的表面，如圖3所示。

圖3 摩爾-庫倫屈服面

2.3 有限元模型模擬施工工況步驟

基坑的現(xiàn)場實際開挖工況，結(jié)合有限元模型模擬土層開挖，具體設(shè)定總體土層為9層，每次開挖一次開挖到位，即鈍化該層土，I-1基坑安置3道混凝土支撐。本文數(shù)值模擬實際開挖過程共設(shè)置10個施工階段，第一階段為土層未開挖狀態(tài)下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、立柱樁、初始地基平衡狀態(tài)。MIDAS/GTS模擬實際施工開挖工況的具體步驟如表3所示，第5階段的模型如圖4所示。

圖4 第5階段的模型圖

表3 MIDAS/GTS模擬實際開挖施工步驟

表3 續(xù)表

本文數(shù)值模擬深基坑和兩側(cè)小基坑同時開挖過程共設(shè)置5個施工階段，第一階段同樣為土層未開挖狀態(tài)下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、立柱樁、初始地基平衡狀態(tài)。MIDAS/GTS模擬假定施工開挖工況的具體步驟如表4所示，全部開挖完后的模型如圖5所示。

表4 MIDAS/GTS模擬假定開挖施工步驟

圖5 全部開挖完后的模型圖

3 模擬實際開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與監(jiān)測結(jié)果

3.1 初始地應(yīng)力分析

對于深基坑工程，土方的開挖是在土體自重作用下固結(jié)沉降完成后開始。對基坑開挖進(jìn)行前應(yīng)對自重應(yīng)力作用下的土體應(yīng)力和土體位移完成后的原狀進(jìn)行模擬，作為后續(xù)施工階段的初始階段。建立模型時將土體實體單元和模型邊界激活，位移值設(shè)置為零，作為自重應(yīng)力階段計算。MIDAS/GTS計算模型的土體自重應(yīng)力平衡如圖6所示。

圖6 自重應(yīng)力平衡云圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

該基坑工程最外層為雙軸攪拌樁，外側(cè)圍護(hù)為鉆孔灌注樁，內(nèi)側(cè)為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。隨著深基坑的施工開挖，基坑區(qū)域的原有土體平衡狀態(tài)被改變，而由于存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)等的作用，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)會隨著施工開挖深度的加深而導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。由于基坑內(nèi)側(cè)土體卸荷，基坑外側(cè)土體會對圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向作用。圖7為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維圖。

圖7 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維圖

3.2.1 模擬實際開挖與假定開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

經(jīng)模型分析，在兩種不同工況下，I-1基坑地連墻在深基坑開挖到底面后，最大深層水平位移東西側(cè)均約為14mm，整體變形較大在地下連續(xù)墻頂面以下約17m處；東西兩側(cè)地連墻頂面最大位移約為8mm；南端頭地連墻最大深層水平位移在跨中頂面以下約12m處，變形約20mm；基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大深層水平位移的位置不同，主要和基坑開挖過程中所受超載及支撐位置、地連墻的長度，從而影響墻體的整體剛度所致。在本模型計算中，沒有考慮地下水的變化影響，但是在該工程實際監(jiān)測過程中，水位的變小很小，均在土層面以下1～2m深度處，所以本模型靜態(tài)情況下，模擬基本合理。

圖8和圖9為實際開挖計算模型和假定開挖施工工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)中部地連墻深層水平位移曲線，圖10和圖11為實際開挖計算模型和假定開挖施工工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)西側(cè)中部地連墻深層水平位移曲線。從這兩組圖形可以看出，I-1深基坑開挖對地連墻變形的影響較大，特別在基坑開挖的最后一層土更甚，這時地連墻容易達(dá)到受力極限狀態(tài)，開挖時需實時監(jiān)測地連墻變形情況，從而保證深基坑的安全施工；從這兩組圖形還可以看出，兩側(cè)耳房小基坑的開挖對地連墻變形的影響不大，主要由于小基坑開挖深度不深，對土體平衡影響不大，但是在西側(cè)開挖深度較大的出入口處，還是有一定的影響，施工單位在開挖時應(yīng)做好充分的施工前分析，保證安全施工。圖12為實際開挖工況下南端頭地連墻位移圖，該處深層水平位移量較大，模型計算達(dá)到了20mm，但在實際監(jiān)測過程中達(dá)到了40mm，臨近了設(shè)計報警值，主要因為該處經(jīng)常堆放大量建材以及停放大型機械設(shè)備，施工荷載很大，基坑邊上盡量不要堆放建材，大型施工機械要與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保持一定距離。

圖8 實際開挖東側(cè)地連墻位移圖

圖9 假定開挖東側(cè)地連墻位移圖

圖10 實際開挖西側(cè)地連墻位移圖

圖11 假定開挖西側(cè)地連墻位移圖

圖12 實際開挖南端地連墻位移圖

3.2.2 模擬實際開挖與假定開挖工況下支撐軸力

從圖13和圖14可以看出，各道支撐軸力均隨著基坑開挖深度的增加而增加，當(dāng)?shù)诙乐伟仓煤?，第一道支撐軸力基本穩(wěn)定，無明顯增長變化，當(dāng)?shù)谌乐伟仓煤?，第二道支撐軸力無明顯增長變化，其中第一道支撐軸力最大值為-2180.56kN，第二道支撐軸力最大為-2580.23kN，第三道支撐軸力最大約-3810.41kN。小基坑開挖時能輕微的釋放I-1深基坑支撐軸力。小基坑的開挖時，I-5支撐支撐軸力最大值為-1341.64kN，I-4重力壩第一道支撐支撐軸力最大值-782.05kN，I-4重力壩第二道支撐支撐軸力最大值-1591.11kN。

圖13 實際開挖最大支撐軸力

圖14 假定開挖最大支撐軸力

表5所示為基坑支撐開挖模擬計算最大值與最大監(jiān)測值、最大設(shè)計報警值對比，從表中可以看出，I-1基坑支撐最大監(jiān)測軸較計算值大的有第一、二道支撐，第三道支撐最大監(jiān)測值較計算值?。欢鞯乐卧O(shè)計軸力安全系數(shù)相對較高，其比值均小于0.5，說明支撐的設(shè)計偏于安全。最大計算支撐軸力與監(jiān)測軸力的比值在0.7～1.2，模型還是比較真實地反映了實際工程。

表5 水平支撐軸力開挖模擬計算最大值與最大監(jiān)測值、設(shè)計報警值對比

表5 續(xù)表

4 結(jié)語

由模型分析數(shù)據(jù)可知，兩側(cè)小基坑同時開挖有利于釋放I-1深基坑?xùn)|西兩側(cè)土壓力，反而減小深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移和支撐軸力，但是兩側(cè)小基坑開挖深度較小，且每個小基坑內(nèi)的地鐵出入口，由于出入口開挖深度較大（約為15m），出入口施工時要鑿開深基坑地連墻與深基坑相通，待出入口施工完成后，兩側(cè)耳房小基坑才能進(jìn)行下一步施工，所以必須在深基坑下部結(jié)構(gòu)都完成，保證深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定后，才能進(jìn)行出入口的施工，否則無法控制深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。兩側(cè)小基坑與深基坑同時開挖，坑內(nèi)結(jié)構(gòu)物也無法同時完成，從而無法縮短工期，并且導(dǎo)致施工作業(yè)面緊張，施工混亂，管理困難，容易造成安全隱患。所以在深基坑開挖完成后再開挖兩側(cè)耳房小基坑較為合理。