深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移監(jiān)測和數(shù)值模擬分析

齊朋， 張宇奇， 王寧

(1.中建八局第一建設(shè)有限公司， 山東 濟(jì)南 250100； 2.中國建筑股份有限公司技術(shù)中心， 北京市 101300)

1 引言

深基坑開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移既會影響現(xiàn)有基坑的工程質(zhì)量，也會影響未來主體結(jié)構(gòu)施工和使用安全性、耐久性，還可能導(dǎo)致周邊建(構(gòu))筑物傾斜、開裂。所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移是反映基坑安全的重要指標(biāo)，在設(shè)計和施工中均受到各方的重視[1-3]。

許多學(xué)者針對深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地面的內(nèi)力、變形、位移等問題采取不同的方法從多種角度進(jìn)行深入研究，取得了眾多成果。以圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移為例，Clough等將內(nèi)支撐和錨拉系統(tǒng)的開挖所導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分類，并給出了預(yù)估墻體位移圖表[4]；王磊等通過將模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析了地下連續(xù)墻入土深度和地面堆載對逆作法地下連續(xù)墻墻體橫向位移的影響[5]；許杰等使用Abaqus有限元平臺對不同斷面形式的地鐵隧道基坑進(jìn)行模擬，研究了基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響[6]；許昭依托天津體育中心地鐵站，對地下連續(xù)墻的最大橫向位移和所在位置進(jìn)行了深入研究[7]；王紹君等使用數(shù)值模擬方法研究了在考慮凍脹條件下的深基坑支護(hù)體系變形及控制方法[8]；和孫文等采用有限元方法，研究了蓋挖逆作法基坑變形規(guī)律及穩(wěn)定性[9]；劉曉峰等利用監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了深基坑二次開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與控制措施[10]；金生吉采用有限元軟件Midas/GTS研究了基坑支撐軸力與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系[11]；萬志輝等研究了土層的彈性模量和內(nèi)摩擦角與深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系[12]；張少文等通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與有限元軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，研究了地下連續(xù)墻豎向位移規(guī)律[13]；孫鍇等結(jié)合深基坑工程實例，研究了泥炭土深基坑施工的基坑變形規(guī)律和對周邊環(huán)境的影響[14]。

該文依托北京通州廣渠路東延道路工程某標(biāo)段的工程實際，利用通用有限元軟件Abaqus，依據(jù)勘查和設(shè)計文件，對基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)修建過程建立三維動態(tài)模型，與施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。同時針對施工中易于實施的改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移控制能力的措施進(jìn)行模擬研究，并分別與實際施工方案進(jìn)行對比分析，研究各項措施的可行性，并對實際工程提出建議。

2 工程概況

2.1 工程簡介

廣渠路東延工程作為廣渠路的一部分，位于北京市通州區(qū)，起點為怡樂西路，終點與東六環(huán)路相交，沿通朝大街、運河西大街、運河?xùn)|大街布置。該文研究標(biāo)段全長1.604 km，工程項目的90%為隧道和管廊，其橫斷面采用明挖雙洞隧道形式，開挖最深處達(dá)32 m，其中約400 m的隧道需下穿河道。該標(biāo)段基坑深度較深，涉水，且位于中心城區(qū)，靠近道路、橋梁、生活區(qū)，部分管線毗鄰或需要穿越基坑，施工難度和風(fēng)險較大。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告的描述以及鉆探資料和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，工程場區(qū)地面以下70 m深度范圍內(nèi)地層按其沉積年代及工程性質(zhì)可分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層3大類。

2.3 基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹

全標(biāo)段的基坑采取明挖法施工，下穿河道部分采用圍堰明挖法施工。隧道主體結(jié)構(gòu)寬30.5 m，高13.8 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.4 m，側(cè)墻厚1.0 m，采用C35P10鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加支撐的形式，地下連續(xù)墻采用C40P8鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在支撐方面，首排撐為1 m×0.8 m的C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫向間距9 m。其余支撐均為Q235鋼管撐，鋼管支撐的外徑為0.8 m，壁厚為20 mm，橫向間距為3 m。所有支撐中部均使用埋深為700 mm的鋼板格構(gòu)柱對其進(jìn)行支撐。

該文選擇下穿運河段基坑中24 m長的一段基坑，該段基坑典型斷面設(shè)計圖見圖1，基坑深約20 m，地下連續(xù)墻厚0.8 m，墻深36 m，共使用5排支撐(1排混凝土支撐，4排鋼支撐)，每道鋼支撐均施加1 000 kN的預(yù)應(yīng)力。每排支撐的中心到地下連續(xù)墻墻頂?shù)木嚯x分別為：0.5、3.9、7.7、11.4、15.8 m。土體分層開挖，前5層土體的開挖底面位于該土層對應(yīng)支撐底面標(biāo)高下0.3～0.5 m，第6層土體直接開挖至基坑底面。

圖1 廣渠路北運河節(jié)點隧道典型斷面設(shè)計圖(單位：cm)

2.4 基坑監(jiān)測方案

在施工中對基坑、地面、道路、地面以下設(shè)施的沉降、位移、傾斜、裂縫等均進(jìn)行了監(jiān)測。文中所涉及到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測點位布置見圖2。其中，地下連續(xù)墻頂部水平位移使用徠卡TSO9全站儀、鋼卷尺和棱鏡進(jìn)行檢測；地下連續(xù)墻的深層位移使用SINCO測斜儀和測斜管進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 地下連續(xù)墻位移測點布置圖(單位：m)

3 基坑影響因素分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測工作從地下連續(xù)墻澆筑完成后開始，一直到主體結(jié)構(gòu)施工完成后結(jié)束，根據(jù)研究關(guān)注對象，節(jié)選從基坑開始開挖至完成開挖的時間段。測點ZQT7-2各工況下地下連續(xù)墻水平位移與其埋深的關(guān)系曲線見圖3，曲線中橫向位移的正方向為基坑內(nèi)部方向(與后文圖中一致，不再贅述)。

由圖3可見：基坑開挖首層土體時，因破壞了原有土體間的受力平衡，使基坑內(nèi)、外側(cè)土壓力不平衡，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)變形，最大水平位移在墻頂處，為1.8 mm。繼續(xù)開挖，由于首排混凝土支撐剛度較大，再加上不平衡土壓力逐漸增大且合力點逐漸下移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移曲線逐漸形成“C”形曲線。隨著開挖深度的加深，地下連續(xù)墻最大水平位移逐漸增大，出現(xiàn)最大水平位移的位置逐漸下移，開挖第3層土?xí)r，地下連續(xù)墻的最大水平位移大致出現(xiàn)在開挖深度的60%處。在每種工況下地下連續(xù)墻與土體的接觸處尚存在橫向位移值，但在埋置深度內(nèi)，地下連續(xù)墻的橫向位移逐漸趨近于0以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖3 測點ZQT7-2各工況下地下連續(xù)墻橫向位移曲線

3.2 模型建立

使用通用有限元軟件Abaqus建立基坑動態(tài)模型。模型參數(shù)依據(jù)勘察文件和設(shè)計圖紙，模擬從地下連續(xù)墻澆筑完成開始到基坑開挖完畢結(jié)束，一共包括6層土體的開挖和5道支撐的施加。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，土體使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，材料參數(shù)見表1。由于地下連續(xù)墻及支撐的變形量遠(yuǎn)小于其幾何參數(shù)，故采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，材料參數(shù)見表2。選用禁止穿透的面-面接觸模型對地下連續(xù)墻-土體間的接觸特性進(jìn)行模擬，接觸面采用有限滑動的庫侖摩擦模型。

表1 土體材料參數(shù)

表2 地下連續(xù)墻及支撐材料參數(shù)

在土體最下側(cè)施加固定約束，前后左右4個方向施加對稱約束，在土體的上表面施加20 kPa的地面荷載。所有構(gòu)件均施加重力，重力加速度為9.8 m/s2，方向向下，土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)均使用C3D8R單元。

通過利用單元生死的方法，分步在各施工步驟中移除相應(yīng)的土體單元和激活相應(yīng)的支撐單元以模擬各工況下土體和支撐幾何模型的變化，工況(時間步)設(shè)置見表3。在工況0-1和0-2通過施加地應(yīng)力和重力保證初始地應(yīng)力平衡，在工況1-1到6-1實現(xiàn)基坑的逐層開挖和各排支撐的設(shè)置。

表3 工況(時間步)設(shè)置情況

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層橫向位移控制是設(shè)計和施工中的重點之一，該節(jié)將考察3種施工中易于實施的改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移控制能力的措施——改變地下連續(xù)墻的混凝土等級、厚度和長度，分別對基坑開挖的過程進(jìn)行模擬，以研究上述3種方法的可行性。

3.3 設(shè)計、監(jiān)測與模擬結(jié)果對比

通過對施工過程進(jìn)行模擬計算，可得出各工況的分析結(jié)果，在工況6-1下圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移最為嚴(yán)重，與監(jiān)測結(jié)果(測點ZQT7-2)和設(shè)計計算書中的結(jié)果一致。上述3種方法所得的地下連續(xù)墻橫向位移-地下連續(xù)墻埋深曲線見圖4。由圖4可見：3條曲線中圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移隨深度變化趨勢除頂端外基本一致，頂端的數(shù)值和趨勢均有較大差異是因為模擬與設(shè)計所采用的預(yù)估地面堆載數(shù)值難以完全符合實際。圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬橫向位移最大值為20 mm，監(jiān)測橫向位移最大值為23 mm，均小于設(shè)計文件中的橫向位移最大值28 mm，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相比其誤差約為11%。模擬中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大橫向位移值出現(xiàn)的深度為13.9 m，約為基坑開挖深度(22 m)的63.2%，監(jiān)測中最大橫向位移值出現(xiàn)的深度為14.8 m，約為基坑開挖深度的67.3%，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相比的誤差約為6%。墻體變形均呈現(xiàn)出“C”形的趨勢，說明混凝土支撐和鋼支撐有效阻止了墻體上部的變形。上述結(jié)果說明該模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確，可基本反映該圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時的變形情況。

圖4 工況5-2地下連續(xù)墻橫向位移對比曲線

3.4 地連墻混凝土等級對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的混凝土等級是基坑設(shè)計的重要參數(shù)，該節(jié)將通過修改模型中地下連續(xù)墻的材料屬性，分別使用C30、C35、C45混凝土，與實際情況下的C40混凝土共同進(jìn)行模擬和對比，所得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移與其埋深的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 不同混凝土等級的地下連續(xù)墻對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層橫向位移的影響曲線

由圖5可見：隨著地下連續(xù)墻混凝土等級的提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移值不斷減小，但減小值比較有限，如采用C45混凝土構(gòu)筑地下連續(xù)墻，相對實際情況(采用C40混凝土)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大橫向位移僅減少1.73 mm，約為3.5%。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻的混凝土等級滿足基坑變形穩(wěn)定性要求后，繼續(xù)提升混凝土等級對控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移的作用較小。

3.5 地連墻深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的深度是基坑設(shè)計的重要參數(shù)，該節(jié)將地下連續(xù)墻深度分別修改為30、33、39和42 m，與實際情況的36 m進(jìn)行模擬和對比分析，所得圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移與地下連續(xù)墻深度的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同深度的地下連續(xù)墻對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層橫向位移的影響曲線

由圖6可見：隨著地下連續(xù)墻深度的提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移值不斷減小，但減小值比較有限，如采用42 m深的地下連續(xù)墻相對30 m深的地下連續(xù)墻，埋深提升了40%，但其最大橫向位移僅減少3.75 mm，約為15%。但是所有超過實際深度(36 m)的地下連續(xù)墻的最下方的橫向位移基本接近于0，而小于實際深度的地下連續(xù)墻的入土深度內(nèi)的橫向位移會隨著深度的減小而增長迅速，會影響到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，地下連續(xù)墻最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，提升地下連續(xù)墻深度對控制橫向位移的作用有限，但可有效提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.6 地連墻厚度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的厚度是基坑設(shè)計的重要參數(shù)，該節(jié)將地下連續(xù)墻厚度分別修改為400、600、1 000和1 200 mm，與實際情況的800 mm進(jìn)行模擬和對比分析，所得圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移與地下連續(xù)墻厚度的關(guān)系曲線見圖7。

由圖7可見：隨著地下連續(xù)墻厚度的提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移值明顯減小，如采用1 200 mm厚的地下連續(xù)墻相對實際情況(800 mm厚的地下連續(xù)墻)，厚度提升了50%，其最大橫向位移減少5.78 mm，約為24%；采用400 mm厚的地下連續(xù)墻相對實際情況(800 mm厚的地下連續(xù)墻)，厚度減少了50%，其最大橫向位移增大11.09 mm，約為55%，同時，地下連續(xù)墻的入土深度內(nèi)的橫向變形增長迅速，尤其在埋深2～3 m處，遠(yuǎn)大于實際情況。此外，地下連續(xù)墻最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，提升地下連續(xù)墻厚度可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖7 不同厚度的地下連續(xù)墻的側(cè)移-埋深曲線

4 結(jié)論

通過對某基坑工程的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的修建過程進(jìn)行模擬，采取單因素分析方法依次對地下連續(xù)墻混凝土等級、地下連續(xù)墻深度、地下連續(xù)墻厚度等影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移的因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測值的誤差較小，變化趨勢基本一致，且均小于設(shè)計值，說明數(shù)值模型設(shè)置比較合理，模擬結(jié)果比較可信。

(2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大橫向位移出現(xiàn)在距墻頂約2/3的位置，且該位置基本不受地下連續(xù)墻混凝土等級、深度和厚度的影響，但位移受到上述因素的影響。

(3) 通過增大地下連續(xù)墻混凝土等級以試圖減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移的效果不明顯。

(4) 增大地下連續(xù)墻深度對減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移意義不大，但可有效減小地下連續(xù)墻埋藏深度內(nèi)的水平位移，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(5) 提升地下連續(xù)墻厚度可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移，并提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。