楊春山，莫海鴻，李亞?wèn)|

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣州　510060；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州　510640；3.廣州大學(xué)土木學(xué)院，廣州　510006)

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基于緊鄰隧道變形深基坑支護(hù)方案優(yōu)化

楊春山1，莫海鴻2，李亞?wèn)|3

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣州510060；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510640；3.廣州大學(xué)土木學(xué)院，廣州510006)

摘要：以典型工程為依托，借助有限元軟件，開(kāi)展基坑施工過(guò)程模擬，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)評(píng)價(jià)，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化基坑支護(hù)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證。研究表明：采用原有支護(hù)方案基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，存在安全隱患，有必要進(jìn)行優(yōu)化；基于計(jì)算結(jié)果作支護(hù)方案調(diào)整后，車(chē)站與隧道最大位移較原有方案減小29%和27%；緊鄰地鐵側(cè)采用灌注樁圍護(hù)引起的位移小于連續(xù)墻，究其原因是連續(xù)墻成槽影響產(chǎn)生可觀(guān)的變形；同時(shí)采用灌注樁圍護(hù)能顯著降低工程造價(jià)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)施工應(yīng)引起重視。與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，實(shí)例基坑采用的計(jì)算模型具備合理性。

關(guān)鍵詞：深基坑；既有結(jié)構(gòu)；響應(yīng)評(píng)價(jià)；方案優(yōu)化；數(shù)值模擬

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程常處于密集的既有建筑物附近，基坑施工受到了更加嚴(yán)格的環(huán)境制約，如何確保支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的穩(wěn)定是深基坑施工的首要問(wèn)題[1-5]。

基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化涉及其自身和周邊環(huán)境的穩(wěn)定安全，同時(shí)需考慮工程費(fèi)用。國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者針對(duì)基坑支護(hù)優(yōu)化選型做了相關(guān)研究。蔡海波等[6]用有限差分軟件，用延伸開(kāi)挖方法對(duì)既有支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。黃躍翔[7]通過(guò)兩相鄰深基坑交叉施工影響分析，從施工角度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。何暉[8]等探討了基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)原理及途徑，并對(duì)典型基坑工程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了較好的借鑒。但總的來(lái)看，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，這些研究對(duì)于合理優(yōu)化復(fù)雜環(huán)境中深基坑支護(hù)方案還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如緊鄰運(yùn)營(yíng)隧道的深基坑工程大多要求采用連續(xù)墻圍護(hù)，認(rèn)為連續(xù)墻剛度大而產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)小，而實(shí)際上考慮墻體成槽作用引起的擾動(dòng)往往較支護(hù)樁大。

基于此，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以廣州金融城深基坑工程為背景，借助有限元軟件GTS建立較為精細(xì)的三維有限元模型，通過(guò)對(duì)基坑自身與周邊環(huán)境的響應(yīng)評(píng)價(jià)，開(kāi)展了基坑支護(hù)方案優(yōu)化。研究結(jié)果對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有顯著的意義。

1工程背景

金融城基坑位于廣州市黃埔大道與科韻路交匯處，緊鄰車(chē)站與隧道埋深分別為3 m和9 m的地鐵5號(hào)線(xiàn)?；娱_(kāi)挖面積約為22 175 m2，開(kāi)挖深度為26.4 m。基坑與地鐵結(jié)構(gòu)位置關(guān)系見(jiàn)圖1，與科韻路地鐵站最小相距為17.4 m，與區(qū)間隧道最小距離為22 m?；幽蟼?cè)為華城大道，東側(cè)為待建深基坑。

圖1　基坑與地鐵結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

根據(jù)勘察資料，土層參數(shù)如表1所示。地下水為潛水型，通過(guò)排水溝導(dǎo)流入集水井。

基坑設(shè)計(jì)方案為西北角、北側(cè)及東北角采用1 m厚的地下連續(xù)墻，其余采用φ1 000@1 200 mm灌注樁+3道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用對(duì)撐加環(huán)梁的形式；灌注樁區(qū)段采用φ850@600 mm三軸攪拌樁止水，基坑支護(hù)平面布置如圖2所示。該方案鄰近地鐵側(cè)采用地下連續(xù)墻，認(rèn)為結(jié)構(gòu)剛度大、整體性及防滲性好，是一種相對(duì)可靠的基坑支護(hù)方式。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2　基坑圍護(hù)平面布置

2數(shù)值計(jì)算

基坑工程結(jié)構(gòu)-土相互作用異常復(fù)雜，難以通過(guò)簡(jiǎn)單理論分析評(píng)判不同方案的變形響應(yīng)，而數(shù)值計(jì)算法能夠較好地刻畫(huà)基坑開(kāi)挖過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的變形響應(yīng)，故此采用有限元法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1計(jì)算模型與工況

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[9]，基坑開(kāi)挖影響寬度約為基坑開(kāi)挖深度的3～5倍，影響深度為開(kāi)挖深度的2～4倍。因此計(jì)算模型幾何尺寸X、Y、Z分別取300、400 m及80 m；考慮到周邊地鐵離得最近，故周邊環(huán)境主要探討地鐵變形響應(yīng)，模型側(cè)向加水平位移約束，底部加豎向位移約束，頂為自由面。

模型中土體、連續(xù)墻和樁用實(shí)體單元模擬；車(chē)站板墻、基坑板撐及管片采用殼單元模擬，車(chē)站柱子、基坑立柱、內(nèi)支撐梁、冠梁與腰梁采用梁?jiǎn)卧M，錨桿采用植入式桁架單元。土層用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)用彈性模型?？傮w計(jì)算模型、支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)模型如圖3～圖4所示，總體計(jì)算模型含319 793個(gè)單元，239 844個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3　整體計(jì)算模型

圖4　優(yōu)化后支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)模型(局部)

在地鐵車(chē)站和出入口連接部位設(shè)置變形縫，以考慮兩者之間的差異變形，模型中通過(guò)設(shè)置低模量單元模擬。為了充分考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土層之間的滑移與脫離，在兩者界面間設(shè)置接觸單元，接觸單元采用非線(xiàn)性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中Goodman單元[10]。

模型計(jì)算包括8種計(jì)算工況，具體如表2所示?；禹敳扛叱虨?2.5 m，支撐高程為支撐中心的高程。

表2　模型計(jì)算工況

2.2計(jì)算結(jié)果與分析

圖5～圖7為初始方案基坑開(kāi)挖至坑底后支護(hù)結(jié)構(gòu)、既有地鐵車(chē)站及隧道變形云圖。定義水平位移指向坑外為正，豎向位移向上為正。

圖5　連續(xù)墻水平方向位移云圖

圖6　地鐵車(chē)站水平位移云圖

圖7　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

由圖5～圖7可知，基坑開(kāi)挖卸載引起地層損失向周?chē)耐翆雍徒Y(jié)構(gòu)傳遞，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)的位移。連續(xù)墻水平位移最大值出現(xiàn)在坑深中部偏下位置，符合圍護(hù)墻+內(nèi)支撐常見(jiàn)的變形規(guī)律；最大水平位移為22.67 mm，滿(mǎn)足基坑規(guī)范要求[11]，基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。地鐵車(chē)站最大變形出現(xiàn)在臨近基坑一側(cè)為5.03 mm，而區(qū)間隧道位移在與地鐵車(chē)站連接處達(dá)到最大為3.99 mm；由此可知，基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，計(jì)算增量位移達(dá)到限值[12]的83%，且參考文獻(xiàn)[13]計(jì)算管片張開(kāi)量為3.15 mm，超過(guò)了廣州地鐵張開(kāi)量控制值3 mm[14-15]。此外，還發(fā)現(xiàn)車(chē)站變形縫兩側(cè)最大差異變形有1.2 mm，存在滲漏隱患?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，有必要對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

3支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

原有支護(hù)方案基坑施工引起的變形偏大，在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提高內(nèi)支撐剛度，改為板撐+桁架撐的支護(hù)形式，具體布置見(jiàn)圖8。板撐整體剛度更大，且施工較靈活，但支撐結(jié)構(gòu)材料費(fèi)用較原有方案略有增加。

圖8　初步優(yōu)化后基坑支護(hù)平面布置

圖9～圖10為初步優(yōu)化后既有地鐵結(jié)構(gòu)水平位移云圖。由圖可知，支護(hù)方案優(yōu)化后基坑施工引起的位移減小，車(chē)站與隧道結(jié)構(gòu)最大位移分別為3.57 mm與2.9 mm，較原有方案分別減小29%和27%；相應(yīng)的管片張開(kāi)量為2.4 mm，小于張開(kāi)量控制值，可見(jiàn)方案優(yōu)化可行，也從一側(cè)面說(shuō)明優(yōu)化有必要。

圖9　地鐵車(chē)站水平位移云圖

圖10　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

值得注意的是，該項(xiàng)目起初沿用了近既有構(gòu)筑物一側(cè)采用剛度相對(duì)大的連續(xù)墻思路，而忽視了連續(xù)墻成槽過(guò)程引起的擾動(dòng)。鑒于此，筆者提出進(jìn)一步優(yōu)化方案，將原有靠近地鐵一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改為φ1 000@1 200 mm灌注樁(圖11)。

圖11　最終基坑支護(hù)平面布置

圖12　灌注樁水平方向位移云圖

圖13　地鐵車(chē)站水平位移云圖

圖14　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

圖12～圖14為維護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后既有地鐵結(jié)構(gòu)位移云圖。該方案引起的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)最大位移為3.3 mm，區(qū)間隧道位移最大值為2.3 mm，均略小于方案初步優(yōu)化后產(chǎn)生的位移；究其原因?yàn)檫B續(xù)墻剛度雖大，但成槽過(guò)程產(chǎn)生了比較可觀(guān)的位移，相比之下灌注樁施工階段產(chǎn)生的位移更小。這一特點(diǎn)在工程實(shí)踐中應(yīng)給予充分考慮，此外灌注樁可以顯著降低工程造價(jià)。

該項(xiàng)目最終支護(hù)方案采用了灌注樁+板撐+桁架撐的支護(hù)形式。為了確保鄰近地鐵運(yùn)營(yíng)安全，基坑施工過(guò)程對(duì)地鐵車(chē)站和局部隧道區(qū)間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)控，取隧道部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)實(shí)測(cè)結(jié)果與本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，如圖15所示。

圖15　隧道水平位移計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比曲線(xiàn)

從對(duì)比結(jié)果看，數(shù)值計(jì)算值反映了隧道實(shí)際水平位移的趨勢(shì)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。隧道水平位移實(shí)測(cè)值總體比計(jì)算值大，最大相差0.28 mm。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是因?yàn)榛邮┕ぶ?，土體狀況和地下水情況都有很大的不確定性所致。上述結(jié)論可知，模型具備一定的合理性。

4結(jié)語(yǔ)

基坑支護(hù)方案研究對(duì)于基坑工程的設(shè)計(jì)、施工具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下深大基坑工程支護(hù)方案計(jì)算優(yōu)化，主要得到如下認(rèn)識(shí)。

(1)基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，所得增量位移達(dá)到位移限值的83%，管片張開(kāi)量超過(guò)了控制值；同時(shí)變形縫兩側(cè)存在明顯的不同，最大差異變形為1.2 mm，存在滲漏隱患。

(2)支護(hù)方案優(yōu)化后位移減小，車(chē)站與隧道最大位移較原有支護(hù)方案分別減小29%和27%，相應(yīng)的管片張開(kāi)量小于控制值，說(shuō)明方案優(yōu)化可行。

(3)連續(xù)墻成槽影響產(chǎn)生了可觀(guān)的變形，導(dǎo)致近地鐵側(cè)采用連續(xù)墻圍護(hù)時(shí)引起的位移大于灌注樁；且用灌注樁能顯著降低工程造價(jià)，這一現(xiàn)象在工程實(shí)踐中應(yīng)給予充分考慮。

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收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508119)

作者簡(jiǎn)介：楊春山(1986—)，男，工程師，工學(xué)博士，E-mail：13808843

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0125-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.029

Optimization of Deep Foundation Pit Support Based on Deformation Evaluation of Adjacent Subway Tunnel

YANG Chun-shan1， MO Hai-hong2， LI Ya-dong3

(1.Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute， Guangzhou 510060， China; 2.School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3.School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China)

Abstract：Based on typical engineering examples， the foundation pit excavation process is simulated with finite element software to evaluate the construction supporting and the impact on surrounding environment. On this basis， the foundation pit supporting is optimized and verified. The results show that the influence of foundation excavation on existing subway structures is significant， which may cause hidden danger. The displacements of station and tunnel decrease respectively by 29% and 27% after supporting optimization based on calculation results. The subway displacement caused by foundation excavation where retaining structures adopts bored pile on the subway side is smaller than that of the diaphragm wall on account of the remarkable deformation caused by the form slot of the diaphragm. Meanwhile， the bored pile can significantly reduce the construction cost， which should be fully considered during design and construction. The comparison with the measured results indicates that the calculation model is reasonable．

Key words：Deep foundation pit; Existing structure; Response evaluation; Scheme optimization; Numerical simulation

193@163.com。