龔旭東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，陜西西安 710043)

由于城市地鐵大多修建在高樓林立的地區(qū)，為降低地鐵隧道始發(fā)井、風(fēng)井等基坑施工對(duì)建筑物的影響，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中所產(chǎn)生的地層變形與地表沉降提出了嚴(yán)格的要求。目前，對(duì)深基坑支護(hù)方式、時(shí)機(jī)以及鋼支撐等支護(hù)位置的選取并沒(méi)有十分明確的方法，大多停留在經(jīng)驗(yàn)類比法加模型驗(yàn)證，這在一定程度上能滿足施工需求，但是對(duì)于變形控制要求嚴(yán)格，支護(hù)結(jié)構(gòu)層次繁多的復(fù)雜深基坑，這種方法往往不能滿足要求或者偏于安全。

本文針對(duì)實(shí)際工程中的問(wèn)題，應(yīng)用力學(xué)原理及數(shù)學(xué)原理對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力方程，再運(yùn)用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化后的支護(hù)位置，再通過(guò)有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，以臺(tái)階開(kāi)挖模擬現(xiàn)場(chǎng)的坡面開(kāi)挖，模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合良好，并以此為基礎(chǔ)建立優(yōu)化對(duì)比方案，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的效果。

1 深基坑支護(hù)優(yōu)化方法的提出

依據(jù)成都地鐵某始發(fā)井對(duì)鋼支撐軸力的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施加給支撐的作用力大小只是設(shè)計(jì)值的60%～70%，鋼支撐由于承載強(qiáng)度不足而導(dǎo)致基坑發(fā)生破壞的情況在實(shí)際施工中較少，而因圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞導(dǎo)致的基坑整體失穩(wěn)破壞則時(shí)有發(fā)生。在實(shí)際施工過(guò)程中，隨著開(kāi)挖深度加大，開(kāi)挖臨空面的增加，開(kāi)挖的危險(xiǎn)性也隨之增大。而通?；庸こ桃环矫嬗捎陂_(kāi)挖過(guò)程通常為連續(xù)的流水施工，施工速度快，土體的應(yīng)力釋放不充分，另一方面基坑開(kāi)挖完成后通常不會(huì)馬上修筑結(jié)構(gòu)體，而此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體在外部水土壓力的作用下，所形成的位移變化是較大的，這一點(diǎn)在成都地鐵2號(hào)線的實(shí)際監(jiān)測(cè)中也有所反應(yīng);所以本文將重點(diǎn)分析開(kāi)挖完成時(shí)，即基坑開(kāi)挖到最底部時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力，通過(guò)改變鋼支撐的分布位置來(lái)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況從而達(dá)到改善基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，最終找到鋼支撐的最適合支撐位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程為:初步設(shè)計(jì)(依據(jù)假設(shè)支撐初始位置得到支撐能力)→優(yōu)化設(shè)計(jì)(依據(jù)函數(shù)式得到支撐最優(yōu)位置)→模擬驗(yàn)算(對(duì)再設(shè)計(jì)的支撐位置進(jìn)行模擬驗(yàn)算)。

該優(yōu)化方法具體來(lái)說(shuō)可分為以下三點(diǎn):

1)在初始設(shè)計(jì)中，為了更好地利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)承受荷載，盡量避免結(jié)構(gòu)受力不均而導(dǎo)致的局部破壞，一般可以采用工程經(jīng)驗(yàn)類比的支撐位置或者按等間距設(shè)置鋼支撐進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)類比可以得到初步設(shè)計(jì)位置鋼支撐的受力值Fi。

2)為了充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減少結(jié)構(gòu)體的側(cè)移量，就必須使得結(jié)構(gòu)的受力更為均勻，為了這一目標(biāo)，通常可以采用兩種方法:①使得結(jié)構(gòu)體所承受的正負(fù)彎矩趨近相等;②使得結(jié)構(gòu)體所承受的彎矩的方差趨近最小。以上兩種優(yōu)化方式均可以通過(guò)編制相應(yīng)的C++或者M(jìn)atlab程序?qū)崿F(xiàn)。

3)最后依據(jù)得出的優(yōu)化支護(hù)位置建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)實(shí)際工程條件下鋼支撐支護(hù)位置優(yōu)化的效果進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比驗(yàn)算，找出最合理的鋼支撐支護(hù)位置。

2 實(shí)際工程應(yīng)用分析

2.1 工程概況

某地鐵工程盾構(gòu)始發(fā)井為明挖基坑，基坑深為14.0～17.5 m，寬為12～21 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用φ1200@2 200 mm的人工挖孔樁，盾構(gòu)洞門處采用φ1500@1 800 mm的人工挖孔樁，樁頂上設(shè)1 200 mm×1 000 mm的冠梁，圍護(hù)樁之間采用φ600 mm的鋼管支撐(t=12，14 mm)，具體支護(hù)情況如圖3所示。

根據(jù)鉆孔勘探結(jié)果，在場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土，厚度為0.4～5.7 m，其下為粉質(zhì)黏土，厚度為0.4～2.5 m;松散卵石土，厚度為0.5～4.0 m;稍密卵石，厚度為3.0～7.3 m;再次則為中密卵石，厚度為3.5～9.1 m;最后則為密實(shí)卵石。

2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化分析

該工程的整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用外部人工挖孔樁+內(nèi)部鋼支撐的支護(hù)形式，沿基坑深度方向設(shè)置3道鋼支撐。由于整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中一直進(jìn)行深井點(diǎn)降水，所以在計(jì)算分析時(shí)，沒(méi)有考慮水壓的影響。

在基坑的縱深方向取單位寬度圍護(hù)結(jié)構(gòu)，則可以把整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)樁(墻)受力簡(jiǎn)化圖式

根據(jù)上述簡(jiǎn)化的受力圖1，可以得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及其相應(yīng)的限制條件為

式中:Fi表示對(duì)應(yīng)位置的軸力設(shè)計(jì)值，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，這里為了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備量選取軸力設(shè)計(jì)值60%代入進(jìn)行計(jì)算，kN;Mi表示對(duì)應(yīng)于z處的橫斷面彎矩值，kN·m;x表示第2道鋼支撐所處的位置，m;y表示第3道鋼支撐所處的位置，m。

實(shí)際工程中圍護(hù)樁的樁長(zhǎng)18.5 m，樁尖埋深3.5 m，可選作為結(jié)構(gòu)受力計(jì)算的樁長(zhǎng)l為15 m，根據(jù)公式(1)用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，可得支撐結(jié)構(gòu)的3種彎矩狀態(tài)(表1)。

表1 鋼支撐結(jié)構(gòu)的彎矩狀態(tài)分析

將表1所得鋼支撐位置參數(shù)代入到公式(1)，通過(guò)origin出圖可以得到各支撐位置時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩圖，如圖2所示。

圖2 三種彎矩狀態(tài)彎矩分布

2.3 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證分析

為了對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)的一般情況進(jìn)行分析，這里選取基坑開(kāi)挖的某一典型區(qū)段進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程的模擬分析，模型實(shí)際選取斷面如圖3所示。

整個(gè)開(kāi)挖工程采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，模型具體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=97.8 m×16.0 m×68.0 m。由于在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)的降水，因此，在模擬過(guò)程中也沒(méi)有考慮水壓的影響。具體基坑支護(hù)模型如圖4所示。

為了貼近實(shí)際的施工情況，模型采取逐層分步開(kāi)挖的方法進(jìn)行開(kāi)挖，并及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土以及鋼支撐的架設(shè)模擬，為了避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，這里對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的提取均選自模型中間某一斷面數(shù)據(jù)，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況分別見(jiàn)圖5及圖6。

圖3 模擬區(qū)間的選取示意(單位:m)

圖4 基坑支護(hù)

圖5 設(shè)計(jì)位置與實(shí)際測(cè)量樁身側(cè)移對(duì)比

圖6 設(shè)計(jì)位置與實(shí)際測(cè)量地表沉降對(duì)比

由圖5、圖6可以看出，按設(shè)計(jì)要求設(shè)置的鋼支撐位置進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)的結(jié)果相比，兩者樁身位移、地表沉降均比較符合，可以認(rèn)為此時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)位置的模擬即為對(duì)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程的模擬。

為了對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，將設(shè)計(jì)位置作為結(jié)構(gòu)分析對(duì)比的參照標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了對(duì)比分析更具有針對(duì)性，優(yōu)化后的兩種鋼支撐位置的模擬只改變了支撐所在的位置參數(shù)，其他模擬參數(shù)均與設(shè)計(jì)位置保持一致，具體的模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 三種支撐位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向位移

圖8 三種支撐位置的地表沉降

從圖7的對(duì)比中可以看出，當(dāng)鋼支撐的位置使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的正負(fù)彎矩相等時(shí)，圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)本身的受力比設(shè)計(jì)位置更均勻，從而導(dǎo)致樁身的變形更協(xié)調(diào)，減小了樁身的總體側(cè)移量，最大側(cè)移量也由11.784 mm減少到10.253 mm，減少了近15%。從圖8可以看出，鋼支撐位置變化后的地表沉降幾乎不變;計(jì)算還表明，正負(fù)彎矩相等時(shí)的樁頂沉降量也相差極小，可以看出對(duì)鋼支撐位置的優(yōu)化對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起到很大的改善作用的同時(shí)，對(duì)于地表、樁頂沉降的影響極小。

通過(guò)表1選取彎矩方差最小時(shí)的支撐位置，此時(shí)由圖2可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力更為均勻。通過(guò)圖7(a)可以看出隨著樁身受力的進(jìn)一步改善，樁身側(cè)移進(jìn)一步減小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算分析，找到一種優(yōu)化支撐支護(hù)的方法，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力更均勻合理，更利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了樁身的側(cè)移，改善了隨后的施工凈空條件，這對(duì)于一些對(duì)凈空控制要求嚴(yán)格的深基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

［1］李啟森，吳秀國(guó)，張厚美.盾構(gòu)深基坑施工監(jiān)測(cè)及分析［J］.隧道建設(shè)，2006，26(增 2):14-18.

［2］徐少平.成都砂卵石地層大型地鐵基坑施工穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)［J］.鐵道建筑，2011(1):58-60.

［3］尹光明.城市隧道臨近建筑物超深基坑支護(hù)理論與安全控制技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2012.

［4］李曉芳.深基坑支護(hù)施工技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［5］王瑞科.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

［6］李琨，康健，商嘯，等.城市復(fù)雜環(huán)境中深大基坑支護(hù)開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.建筑機(jī)械化，2011(增2):55-58.

［7］陳鐘頤.土力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1995.

［8］夏明耀.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［9］謝李釗.深基坑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2009.