上軟下硬地層深基坑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)及分析*

黃 鶯，方中義，李學(xué)聰，周清才，梅 源

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510308；3.中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市土地資源日趨緊張，開發(fā)地下空間是提升土地利用率的有效手段之一[1]?；庸こ套鳛榈叵鹿こ痰闹匾M成部分，保障其在施工階段的安全穩(wěn)定具有重要意義。我國基坑工程為基于變形的設(shè)計(jì)理念，該理念對(duì)認(rèn)識(shí)基坑變形，特別是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形提出了更高的要求[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同影響因素下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Tan等[3]通過對(duì)上海軟土地區(qū)多個(gè)深基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，發(fā)現(xiàn)長寬比較大的狹長型基坑，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑角處表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗變形能力，即坑角效應(yīng)。Cui等[4]、李濤等[5]以實(shí)際工程為依托，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法探討鋼支撐軸力與圍護(hù)樁體水平位移之間的作用機(jī)理，并得出相應(yīng)的形變規(guī)律。吳波等[6]以某軟土地區(qū)2個(gè)相鄰深基坑開挖為背景進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)2基坑同步開挖時(shí)應(yīng)注意保持開挖深度的一致性。郭海慶等[7]通過設(shè)計(jì)離心模型試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)圓形基坑相對(duì)于矩形基坑，受力更合理、變形量更小。陳保國等[8]通過模型試驗(yàn)得出地連墻最大水平位移、內(nèi)支撐軸力與內(nèi)支撐體系調(diào)節(jié)方式之間的協(xié)調(diào)變形規(guī)律，并以此說明支護(hù)體系安全性與合理的內(nèi)支撐長度調(diào)節(jié)密切相關(guān)。針對(duì)不同地質(zhì)條件下深基坑開挖所導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形問題，部分學(xué)者采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合有限元模擬的方法，對(duì)基坑開挖不同階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)，提出適用于對(duì)應(yīng)地層條件下結(jié)構(gòu)變形的控制方法[9-13]。

上述研究推動(dòng)了我國基坑工程的發(fā)展，但由于我國不同區(qū)域土層地質(zhì)條件差異極大，針對(duì)上軟下硬地層條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析仍不夠充分。因此，本文以廣州地區(qū)上軟下硬地層某地鐵盾構(gòu)井深基坑工程為依托，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，建立深基坑開挖三維有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，以期可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州地區(qū)某地鐵盾構(gòu)始發(fā)井深基坑項(xiàng)目，基坑平面呈矩形布置，凈空尺寸為16.5 m×12.5 m，開挖深度37.2 m，開挖面積206 m2。

工程基坑地貌區(qū)域上屬于珠江三角洲沖積平原，上覆地層主要為第4系海陸交互相和沖、洪積地層，下部基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，具體土層分布狀況與參數(shù)如表1所示，由表1可知，開挖深度范圍內(nèi)地層具有明顯的上軟下硬特性。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

由于該地區(qū)地下水豐富，基坑開挖深度較大，本工程采用地下連續(xù)墻+5道環(huán)框梁支撐作為其支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。其中地連墻厚1 m，嵌固深度1.5 m，采用C35P8水下澆筑混凝土。環(huán)框梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)同地連墻，設(shè)計(jì)標(biāo)高(底標(biāo)高)從上至下依次為-2，-9.25，-15.5，-21.25，-27.25 m。截面尺寸(寬×高)：第1道環(huán)框梁為2 m×1 m，第3道環(huán)框梁為2.5 m×2 m，其余環(huán)框梁均為2.5 m×1.5 m。基坑剖面結(jié)構(gòu)與地層位置關(guān)系如圖1所示。詳細(xì)施工工況及實(shí)際施工天數(shù)如表2所示。

表2 基坑施工工況Table 2 Construction conditions of foundation pit

圖1 盾構(gòu)井剖面及對(duì)應(yīng)地層分布關(guān)系Fig.1 Distribution relationship of shield well section and corresponding stratum

2 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

由于基坑開挖深度大，地層條件復(fù)雜，對(duì)施工全過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。本文主要分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、內(nèi)支撐軸力變化量，故選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為長邊中點(diǎn)ZQT3和短邊中點(diǎn)ZQT2，軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于每道環(huán)框梁各邊中點(diǎn)位置，由于環(huán)框梁數(shù)量較多，故選取第1，3，5道環(huán)框梁進(jìn)行軸力分析，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為ZCL1，ZCL2，ZCL3，ZCL4。所使用儀器主要為測(cè)斜儀、測(cè)斜管及軸力計(jì)，監(jiān)測(cè)平面布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.2 Monitoring plane layout

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要為地下連續(xù)墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否直接關(guān)系到基坑整體的穩(wěn)定與安全。本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含基坑開挖全過程，長邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT3及短邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT2處水平位移變化曲線分別如圖3和圖4所示，正值表示偏向基坑側(cè)位移。

圖3 各開挖工況下ZQT3水平位移變化曲線Fig.3 Change curves of ZQT3 horizontal displacement under various excavation conditions

圖4 各開挖工況下ZQT2水平位移變化曲線Fig.4 Change curves of ZQT2 horizontal displacement under various excavation conditions

由圖3可知，墻體頂部和底部處位移變化量較小，墻體中部位移變化量較大。且隨著開挖深度的增大，位移最大值位置不斷下降，至開挖結(jié)束，位移最大值位于自然地表以下約27 m位置，約為0.7H(H為基坑開挖深度)，最大值為11.78 mm，小于警戒值(30 mm)。工況12處水平位移變化量較快，分析原因，主要由于基坑開挖面狹小，為滿足后續(xù)大型機(jī)械進(jìn)駐基坑工作面破洞門的需要，在第5道環(huán)框梁施工前地層超挖3 m所致。

如圖4所示，為短邊ZQT2監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線，頂部水平位移最大值為4.08 mm，略大于長邊對(duì)應(yīng)處位移。該側(cè)地面為進(jìn)場(chǎng)材料堆放用地，使得該處地連墻上部位移較大。整體上看，ZQT2處水平位移變化趨勢(shì)與圖3保持一致，隨著開挖深度的增加，各工況下最大水平位移值逐漸增加，至開挖結(jié)束，最大位移位于0.7H附近，為8.97 mm。

綜上可知，本基坑至開挖結(jié)束，最大水平位移所處深度約為0.7H，上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律能夠較好地反映出上軟下硬地層圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，即最大水平位移所處位置有所上升，最大位移相對(duì)量明顯減小。這主要與基坑下部地層自身性質(zhì)較好，地下連續(xù)墻加環(huán)框梁組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較高有關(guān)。

2.3 內(nèi)支撐軸力變化分析

內(nèi)支撐作為支護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，布設(shè)方式直接關(guān)系到圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化大小。盾構(gòu)井因后期盾構(gòu)機(jī)吊裝需要，且下部土層狀況較好，所以該基坑沒有選擇傳統(tǒng)的水平對(duì)撐，而是設(shè)置多道環(huán)框梁作為其內(nèi)支撐體系。

圖5，圖6和圖7分別為第1，3，5道環(huán)框梁軸力變化曲線，正值表示環(huán)框梁受壓，負(fù)值表示環(huán)框梁受拉。如圖5可知，隨著開挖深度的增加，第1道環(huán)框梁軸向力逐漸由受壓變?yōu)槭芾蚱渚嗟乇磔^近，受地面施工機(jī)械荷載，渣土、材料堆載影響，使得軸力變化差異較大，但最大軸力始終低于設(shè)計(jì)允許值(4 300 kN)。

圖5 第1道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.5 Change curves of axial force of first ring frame beam

圖6 第3道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.6 Change curves of axial force of third ring frame beam

圖7 第5道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.7 Change curves of axial force of fifth ring frame beam

第3和第5道環(huán)框梁埋設(shè)位置較深，受地面荷載變化影響較小，整體軸力變化較為穩(wěn)定，二者變化趨勢(shì)相似。隨著開挖深度的增加，支撐軸力先增加后保持穩(wěn)定，短邊處軸力值明顯大于長邊位置。第5道環(huán)框梁處于微風(fēng)化粉砂巖層，地層條件較好，故趨于穩(wěn)定后的軸力值略小于第3道環(huán)框梁。至開挖完成階段，第3和第5道環(huán)框梁軸力最大值分別為5 645，4 559 kN(預(yù)警值分別為7 800，6 400 kN)，均低于設(shè)計(jì)預(yù)警值。

由圖3～7可知，隨著開挖深度的增加，各道內(nèi)支撐軸力最大值和墻體水平位移值整體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。基坑短邊方向墻體水平位移值較長邊方向較小，但軸力大小恰好相反，短邊方向軸力值顯著大于長邊方向。原因是該工程采用多道環(huán)框梁作為其內(nèi)支撐形式，同一道環(huán)框梁各邊截面面積相同，在所受土壓力相近的情況下，短邊處環(huán)框梁所受彎矩值較小。因而能維持較小的形變量，承擔(dān)大部分土壓力，從而使得墻體所受被動(dòng)區(qū)土壓力減小，水平位移值降低，長邊方向則恰好相反。

3 有限元模擬結(jié)果分析

選用MIDAS/GTS/NX巖土工程軟件進(jìn)行基坑開挖有限元分析。模型尺寸為237 m×233 m×110 m(長×寬×高)[14]。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格生成器，劃分單元尺寸約4 m。

假定各土層為規(guī)則分布的長方體，按實(shí)際土層厚度平均值對(duì)模型土層進(jìn)行劃分。土體本構(gòu)模型選用“修正摩爾-庫侖模型”，該模型能夠較好地模擬基坑開挖所引起的地層變形[15]。具體土層模型參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻采用二維板單元模擬，環(huán)框梁采用一維梁?jiǎn)卧M。開挖具體工況如表2所示。模擬得到的開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖如圖8所示。

圖8 開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.8 Cloud diagram of retaining structure displacement after completion of excavation

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬對(duì)比

為驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，將開挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖9所示，在基坑開挖完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)保持一致，隨著開挖深度的增加逐漸呈“凸”字型分布，最大水平位移值位于基坑深28.1 m處，與實(shí)測(cè)值基坑深27 m左右位置相近。模擬位移最大值為8.67 mm，與監(jiān)測(cè)值11.78 mm相比差值較小。如圖10～圖11所示，將支撐軸力監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比后可知，最大結(jié)果誤差為8.6%，誤差值較小，滿足工程應(yīng)用要求，故該模型具有一定的準(zhǔn)確性。

圖9 開挖完成后ZQT3水平位移變化對(duì)比曲線Fig.9 Contrast curves of ZQT3 horizontal displacement change after completion of excavation

圖10 開挖完成后第3道環(huán)框梁軸力變化對(duì)比曲線Fig.10 Contrast curves of axial force change of third ring frame beam after completion of excavation

圖11 開挖完成后第5道環(huán)框梁軸力變化對(duì)比曲線Fig.11 Contrast curves of axial force change of fifth ring frame beam after completion of excavation

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入地層深度分析

選取嵌固深度分別為0.5，1.5，3，4.5，6 m工況對(duì)其進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖12所示，模擬過程中沒有出現(xiàn)嵌固深度不足從而導(dǎo)致模型計(jì)算失效的問題。

圖12 不同嵌固深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比曲線Fig.12 Contrast curves of horizontal displacement of retaining structure under different embedded depths

由圖12可知，不同嵌固深度下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移基本保持一致，坑深15 m位置處，不同工況下結(jié)構(gòu)水平位移變化量開始發(fā)生改變，但整體變化趨勢(shì)保持一致。圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固0.5 m時(shí)，水平位移最大值相比于1.5 m工況略微有所增加，為9.2 mm。隨著嵌固深度的增加，結(jié)構(gòu)水平位移逐漸減小，但當(dāng)嵌固深度增加至3 m工況時(shí)，因其地層條件較好，后續(xù)增加嵌固深度對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移幾乎不產(chǎn)生影響。從施工現(xiàn)場(chǎng)安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮，該地層條件下，類似基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)定在1.5～3 m較為適宜。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體厚度分析

結(jié)構(gòu)主體厚度是影響地連墻水平位移的另1個(gè)重要因素。設(shè)置0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種地連墻厚度進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，相較于嵌入深度，不同結(jié)構(gòu)厚度對(duì)水平位移的影響較大，隨著厚度的減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位水平位移均有所增加，但整體變化趨勢(shì)和最大變形所處位置與監(jiān)測(cè)值保持一致，最大位移均處于0.7H(H：基坑深度)附近。但結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到一定值后，通過增加結(jié)構(gòu)厚度來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移效果不明顯，且造價(jià)較高?？紤]到實(shí)際施工中可能產(chǎn)生的土體超挖和工程造價(jià)等因素，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體厚度選取0.8～1.0 m較為適宜。

4 結(jié)論

1)隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值逐漸增加，長邊方向位移變化曲線呈“凸”字型分布，短邊方向上部呈“前傾型”、下部呈“凸”字型分布，最大位移值分別為11.78，8.97 mm，均位于0.7倍開挖深度位置附近。最大水平位移均位于各邊中點(diǎn)位置，坑角處位移值最小。相較于其他地層，上軟下硬地層深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移所處位置有所上升，最大位移相對(duì)量明顯減小。

2)各道內(nèi)支撐施做完成后，支撐軸力隨著坑深的增加先增加后保持穩(wěn)定，短邊方向支撐軸力普遍大于長邊方向。至開挖完成，最大支撐軸力位于基坑中部第3道環(huán)框梁，為5 645 kN，小于警戒值。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度會(huì)對(duì)其水平位移產(chǎn)生一定影響，隨著嵌固深度的減小，坑深15 m以下結(jié)構(gòu)水平位移明顯增大，嵌固端變形明顯。當(dāng)嵌固深度增加至3 m以上時(shí)，更大的嵌固深度不會(huì)引起結(jié)構(gòu)水平位移產(chǎn)生明顯變化。類似工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)定在1.5～3 m較為合理。

4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體厚度對(duì)基坑整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著結(jié)構(gòu)厚度不斷增加，其整體水平位移值均有所降低。但厚度增加到一定大小時(shí)，僅通過增加結(jié)構(gòu)厚度來控制位移發(fā)展效果不甚顯著，考慮到實(shí)際工況及工程造價(jià)等因素，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體厚度選用0.8～1.0 m較為適宜。