麻鳳海,陳霞,劉增斌

(大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧大連116622)

0 引言

深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對(duì)于施工安全與基坑的整體穩(wěn)定具有重要意義，其中降水過(guò)程會(huì)影響基坑內(nèi)外滲流場(chǎng)的變化，因此要選取適當(dāng)?shù)慕邓桨?，孔隙水壓、總水頭的變化能較好地反映降水進(jìn)程，降水方案的優(yōu)化可以減少基坑周圍地表沉降，保持基坑整體處于相對(duì)穩(wěn)定的彈性狀態(tài)；在開挖基坑的過(guò)程中，基坑除了自身的長(zhǎng)跨效應(yīng)外，還具有時(shí)空效應(yīng)，土體開挖卸荷作用改變了原有的應(yīng)力狀態(tài)，使得內(nèi)側(cè)土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐作用減小，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對(duì)基坑的穩(wěn)定有重要作用，土方開挖的方式也會(huì)影響基坑的穩(wěn)定，一般超挖到鋼支撐架設(shè)處以下0.5 m，如果超挖深度較大，將引起基坑發(fā)生較大變形，不利于基坑的穩(wěn)定；另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工也會(huì)影響土體的應(yīng)力重分布，適當(dāng)?shù)淖{方式能夠有效減少對(duì)土體的擾動(dòng)，有利于基坑的穩(wěn)定；基坑兩側(cè)堆載的形式也影響了基坑的穩(wěn)定，對(duì)稱荷載或不對(duì)稱荷載都會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降和變形，進(jìn)而影響基坑的穩(wěn)定性。因此，研究復(fù)雜條件下的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

李兵等[1]運(yùn)用理正深基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件研究了樁徑、樁間距的不同對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，結(jié)果表明：在基坑穩(wěn)定的前提下，增大樁間距能增大圍護(hù)樁的位移變形，減少圍護(hù)樁總數(shù)，節(jié)約了施工成本；李方明等[2]基于江漫灘地鐵深基坑的變形實(shí)測(cè)資料，采用了理論公式分析結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法，總結(jié)了懸掛式帷幕基坑的變形規(guī)律，結(jié)果表明：其地表沉降曲線呈凹槽形，地下連續(xù)墻的最終形態(tài)為內(nèi)凸脹肚型；夏元友等[3]對(duì)武漢市某一超大型深基坑地連墻跳躍式施工過(guò)程進(jìn)行了三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬，研究了對(duì)單個(gè)跳躍式開挖過(guò)程墻上土壓力的監(jiān)測(cè)，揭示了地下連續(xù)墻施工影響應(yīng)力重分布的變化規(guī)律；XIAO等[4]運(yùn)用有限元數(shù)值模擬的方法得出了深基坑開挖深度方向水平位移的變化規(guī)律和圍護(hù)樁的水平位移變化規(guī)律，得出圍護(hù)樁頂部的水平位移是基坑開挖深度的0.2 %～0.5 %，地表最大沉降發(fā)生在距離基坑頂部0.6倍開挖深度處附近；QING等[5]運(yùn)用一階可靠性方法、響應(yīng)面法即RSM法來(lái)進(jìn)行巖石隧道穩(wěn)定的可靠性分析，研究表明噴射混凝土厚度及其安裝的位置可以優(yōu)化圓形巖石隧道的設(shè)計(jì)；DEBASIS等[6]分析了幾種加固圍巖的數(shù)值分析方法，結(jié)果表明：?jiǎn)蝹€(gè)的節(jié)點(diǎn)、螺栓及它們之間的相互作用可以用來(lái)分析在加載條件下巖體開挖的穩(wěn)定性，得到的巖體應(yīng)力和位移的結(jié)果可以和未用螺栓加固的巖體模型進(jìn)行對(duì)比；席培勝等[7]利用MIDAS GTS NX對(duì)基坑典型控制截面建立二維模型，分析2種堆載：對(duì)稱和非對(duì)稱的情況下支護(hù)樁水平位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：堆載的形式對(duì)樁體水平位移有明顯影響，非對(duì)稱荷載作用下的樁體位移具有明顯的非對(duì)稱性；李濤等[8]以北京地鐵10號(hào)線一盾構(gòu)井深基坑工程為例，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了支撐軸力和樁體水平位移的相互作用機(jī)理，研究表明：鋼支撐軸力在安裝完成后不久達(dá)到最大值，然后逐漸減小趨于穩(wěn)定，其中最大值發(fā)生在角撐處；鋼支撐對(duì)樁體水平位移有一定限制作用，樁體最大水平位移的位置隨基坑開挖的深度逐漸下降；王佳慶等[9]以成都地鐵2號(hào)線一深基坑為例，考慮到該基坑處于膨脹土地區(qū)，必須考慮水平膨脹力的影響，運(yùn)用MIDAS/GEN軟件模擬了膨脹力作用下圍護(hù)樁的受力，結(jié)果表明：考慮膨脹力之后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系造價(jià)增大，加大了安全儲(chǔ)備又合理地控制了施工成本；代祥等[10]運(yùn)用PLAXIS 2D模擬基坑開挖過(guò)程中有無(wú)架設(shè)鋼支撐支護(hù)樁內(nèi)力和位移變化規(guī)律，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：架設(shè)鋼支撐能減緩基坑偏移速率，在距圍護(hù)樁樁底H/3-2H/3處，偏移量最大，呈“弓”形分布；YAN等[11]運(yùn)用應(yīng)變軟化模型來(lái)模擬巖體，用剪切和螺栓拉伸失穩(wěn)來(lái)檢驗(yàn)巖體支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：當(dāng)k0取0.5～1.25時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有較好的吻合，且?guī)r體當(dāng)中的主要斷層和軟弱夾層對(duì)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力有顯著的影響；SUN等[12]建立二維和三維有限元模型，詳細(xì)分析了由于作用在深基坑內(nèi)外土體壓力的不同，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載和水平位移的不同；李四維等[13]分析了基坑尺寸、樁體的嵌固深度、施工工況對(duì)基坑變形規(guī)律的影響；安建永等[14]提出了地層損失隨時(shí)間變化的模型，給出了地表沉降隨時(shí)間、施工參數(shù)變化的函數(shù)表達(dá)式；付濤等[15]研究了懸臂式排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和彎矩的分布規(guī)律，并將解析法和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；張明遠(yuǎn)等[16]研究了順作、逆作工法下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰隧道的位移特點(diǎn)以及兩者之間的關(guān)系，結(jié)果表明：逆作法會(huì)明顯減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移；趙秀紹等[17]運(yùn)用FLAC3D建立了深基坑開挖支護(hù)的模型，得到了不同開挖階段的地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律。

這些文章極大程度地推動(dòng)了對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展，但對(duì)于復(fù)雜條件下深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少，大部分?jǐn)?shù)值模擬對(duì)工況的模擬過(guò)于理想化，不能全面反映基坑整體變形。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

本文以沈陽(yáng)市地下綜合管廊(南運(yùn)河段)第20號(hào)盾構(gòu)始發(fā)井深基坑工程為背景，運(yùn)用MidasGTS軟件建立基坑開挖三維地層模型，對(duì)開挖支護(hù)的全過(guò)程進(jìn)行模擬，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到了始發(fā)井深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

本文選取盾構(gòu)始發(fā)井(D5)進(jìn)行研究，該盾構(gòu)井起點(diǎn)里程右線：K8+202.769，終點(diǎn)里程右線：K8+254.369,位于萬(wàn)泉公園湖水中,沿南運(yùn)河南側(cè)東西向布置，中心里程為K8+228.569，結(jié)構(gòu)平面外輪廓尺寸為51.6 m×22.6 m，坑深約21.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度約18.8 m，深約18.6 m該盾構(gòu)始發(fā)井為三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁+坑內(nèi)鋼支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，基坑采用坑外降水的方式，樁間土采用掛網(wǎng)噴射混凝土保護(hù)。鋼支撐采用直徑609 mm，厚度16 mm的鋼管撐，共設(shè)3道，兩端盾構(gòu)井增設(shè)一道換撐。為減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，本工程對(duì)所架設(shè)鋼支撐預(yù)加軸向力。圍護(hù)樁樁徑800 mm,樁間距1 200 mm。地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層土體的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Numerical simulation parameter of stratum list

2 數(shù)值模擬

圖1 修正摩爾—庫(kù)倫模型在p-q平面屈服準(zhǔn)則Fig.1 Yield criterion of modified Mohr-Coulomb Model in P-q plane

利用MidasGTS軟件建立基坑三維模型，考慮到基坑周圍土體開挖的影響范圍，本盾構(gòu)始發(fā)井基坑所建模型的長(zhǎng)、寬、深空間尺寸為150 m×150 m×63 m。計(jì)算模型的三維單元網(wǎng)格如圖2所示，其中單元總數(shù)為69 658，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為42 388。主要影響范圍內(nèi)的地層土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。其中，圍護(hù)樁和鋼支撐選擇彈性模型，其中鋼支撐的彈模取2.1×108kN/m2，直徑為609 mm,厚度為16 mm，泊松比取0.2，圍護(hù)樁的彈模取3.15×107kN/m2，泊松比取0.2。用梁?jiǎn)卧M鋼支撐、冠梁和腰梁，板單元模擬圍護(hù)樁，三維實(shí)體單元模擬土體。模型的邊界條件為：模型上部的邊界是地表，為自由界面，側(cè)面和底面為位移邊界，底面的位移邊界為固定邊界，約束水平和豎直方向的移動(dòng)；側(cè)面的邊界條件是約束水平方向上的移動(dòng)。

本文土體采用修正摩爾—庫(kù)倫(MM-C)模型進(jìn)行模擬。修正摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，是在摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而得到的，他的壓縮屈服面呈“帽子形”，剪切屈服面和摩爾—庫(kù)倫模型的相同，偏平面采用圓角處理的方式，和摩爾—庫(kù)倫模型相比，計(jì)算結(jié)果更易于收斂。圖中，橫坐標(biāo)p表示主應(yīng)力，縱坐標(biāo)q表示等效剪應(yīng)力,構(gòu)成的應(yīng)力空間為p-q應(yīng)力空間，φ為內(nèi)摩擦角，pc為平均主應(yīng)力，α和下式中的β1、β2都是蓋帽屈服面的參數(shù)，Δp表示移動(dòng)剪切屈服面，可以反應(yīng)粘聚力的效果。

圖2 三維有限元計(jì)算模型Fig.2 Three-dimensional model diagram

圖3 圍護(hù)樁墻和鋼支撐模型圖Fig.3 Model diagram of retaining pile and steel shotcrete

施工階段分析過(guò)程如下：第1步平衡初始地應(yīng)力； 第2步開挖2.8 m厚的回填土；第3步施工圍護(hù)樁墻；第4步開挖第一層1.1 m厚的土體；第5步激活冠梁和第一道支撐并開挖6.4 m厚土體；第6步激活第1道腰梁和第2道支撐并開挖7.1 m厚土體；第7步激活第3道腰梁和第3道支撐并開挖3.48 m至坑底；第8步激活第4道支撐和第4道腰梁。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在開挖基坑之前，布設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在基坑開挖的過(guò)程中，進(jìn)行圍護(hù)樁水平側(cè)向位移的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)平面示意圖Fig.4 Planar graphs of monitoring points

圖5 開挖結(jié)束后樁身水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curve of end of pile excavation

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分析

本始發(fā)井深基坑采用鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)圍護(hù)樁的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義：確?；?、周邊建筑物、地表沉降、地下管線的穩(wěn)定，要確保樁體的最大位移不能超過(guò)控制值(累計(jì)值達(dá)25 mm)，采用測(cè)斜儀對(duì)測(cè)斜管雙向監(jiān)控量測(cè)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎直方向的不同深度在不同開挖階段內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)記錄圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律。圖5為開挖結(jié)束后樁體的深層水平位移曲線。

選取ZQT1與ZQT5斷面進(jìn)行研究，由圖5可知：

①架設(shè)鋼支撐能夠明顯限制圍護(hù)樁的水平位移，由于第一道鋼支撐不能及時(shí)架設(shè)，此時(shí)的圍護(hù)樁近似于懸臂梁的狀態(tài)，上部發(fā)生較大的變形，位移明顯前傾，但架設(shè)鋼支撐之后，預(yù)加力發(fā)揮明顯作用，顯著限制樁體位移；

②鋼支撐的架設(shè)時(shí)間、預(yù)加軸力的大小、開挖的深度等都對(duì)圍護(hù)樁的位移有較大的影響。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

在本工程中，土體、圍護(hù)樁、鋼支撐作為相互作用的一個(gè)整體，土方開挖基坑卸荷，改變了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力重分布。圖6～圖9為各開挖步驟下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移云圖。

(a) 開挖1位移云圖

(b) 開挖2位移云圖

(c) 開挖3位移云圖

(d)開挖4位移云圖

圖7 基坑總體位移云圖Fig.7 Total displacement of foundation pit

從數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可知：①隨著基坑開挖深度的不斷增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移也不斷增加，兩者的變化量成正比。第1步開挖后，圍護(hù)樁墻的水平位移不大，受力類似于懸臂梁，其位移最大值在樁頂，此后不斷減少；第2步開挖完成后，位移分布有了一些變化，位移最大值出現(xiàn)在開挖面8 m附近的位置；第3步開挖后，隨著前2道鋼支撐的架設(shè)，圍護(hù)樁墻的最大位移開始向基坑的中下部移動(dòng)；第四部開挖結(jié)束后，可以明顯看出，基坑中部位移量最大，上部位移變化穩(wěn)定。因此，需要在基坑中部位置加強(qiáng)架設(shè)鋼支撐，且要及時(shí)架設(shè)，減少土體暴露在外的時(shí)間。②圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移具有顯著的角部效應(yīng)，其影響范圍約為基坑開挖深度的2.5～3.0倍，在基坑角部附近較小，而后呈逐漸增大的趨勢(shì)。③基坑長(zhǎng)邊和短邊的最大位移值均在開挖結(jié)束后，短邊最大水平位移值為10.8 mm，長(zhǎng)邊最大位移值為16.7 mm，小于警戒值25 mm，所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)，基坑較為穩(wěn)定。④鋼支撐的架設(shè)對(duì)限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移較為顯著，架設(shè)鋼支撐后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，類似于桿件體系，抵擋土壓力的能力增強(qiáng)，使作用在圍護(hù)樁墻上的部分土壓力轉(zhuǎn)向了基坑的另一側(cè)。第1道鋼支撐架設(shè)完，約束作用最為明顯，但隨著開挖深度的增加，鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的約束效果逐漸降低。⑤土體開挖，使圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)的壓力降低，部分土體卸荷回彈，豎直方向上得到恢復(fù)，產(chǎn)生了水平方向上的移動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的位移增加。⑥基坑長(zhǎng)邊的變形明顯大于短邊，靠近基坑方向的位移大于遠(yuǎn)離基坑方向的位移，且基坑總體位移的影響范圍約為1.5倍的基坑深度。

5 對(duì)比分析

選取ZQT1與ZQT5處的水平位移值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線圖見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知：①數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)值的變化趨勢(shì)相同，但模擬值小于監(jiān)測(cè)值，這是由于在基坑開挖的過(guò)程中受到各種因素的影響(施工工藝，天氣等)，使得模擬值與監(jiān)測(cè)值有一定的出入，但這是正常的現(xiàn)象。也說(shuō)明了模型參數(shù)、本構(gòu)的選取較為正確，符合工程實(shí)際情況。②模擬值與監(jiān)測(cè)值都表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值均在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中下部位。③當(dāng)?shù)?步開挖后，模擬值與監(jiān)測(cè)值較為接近，但隨著開挖的進(jìn)行，兩者出現(xiàn)一定的差別。這是因?yàn)椋瑪?shù)值模擬過(guò)程中模擬的是理想的工況，鋼支撐及時(shí)架設(shè)且超挖范圍為0.5 m，但在實(shí)際基坑開挖過(guò)程中，往往超挖深度大于0.5 m，鋼支撐由于種種原因也不能及時(shí)完成架設(shè)工作，從而造成結(jié)構(gòu)變形增大。因此，可以利用數(shù)值模擬對(duì)基坑開挖進(jìn)行超前了解(對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，地表沉降等)，進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖8 開挖完成后ZQT1水平位移曲線對(duì)比圖Fig.8 Horizontal displacement contrast curve of point ZQT1

圖9 開挖完成后ZQT5水平位移曲線對(duì)比圖Fig.9 Horizontal displacement contrast curve of point ZQT5

6 結(jié)論

本文利用MIDASGTS軟件，建立沈陽(yáng)市綜合管廊第五盾構(gòu)井(D5)深基坑開挖的三維地層模型，具體分析了在基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

①圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移具有顯著的角部效應(yīng)，其影響范圍約為基坑開挖深度的2.5～3.0倍，在基坑角部附近較小，而后呈逐漸增大的趨勢(shì)。

②鋼支撐的架設(shè)能夠顯著約束圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)向位移，但隨著開挖深度的不斷增加，其約束作用不斷減小，因此，需要在開挖過(guò)程中設(shè)置其他結(jié)構(gòu)，保持基坑的整體穩(wěn)定，可在基坑中間設(shè)置腰梁、橫撐等。

③基坑長(zhǎng)邊和短邊的最大位移值均在開挖結(jié)束后，短邊最大水平位移值為10.8 mm，長(zhǎng)邊最大位移值為16.7 mm，小于警戒值25 mm，所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)，基坑較為穩(wěn)定。基坑長(zhǎng)邊的變形明顯大于短邊，靠近基坑方向的位移大于遠(yuǎn)離基坑方向的位移，且基坑總體位移的影響范圍約為1.5倍的基坑深度。

④隨著基坑開挖深度的不斷增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移位置也不斷向下移動(dòng)，在基坑中部位移量最大，而此時(shí)基坑上部位移較為穩(wěn)定。因此需要在基坑的中部位置及時(shí)加強(qiáng)支撐，同時(shí)減少土體暴露的時(shí)間。

⑤始發(fā)井深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線表現(xiàn)為中間凸起的“大肚”形，但是當(dāng)?shù)谝坏冷撝紊形醇茉O(shè)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的上部位移較大，表現(xiàn)為“前傾”形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值出現(xiàn)在基坑的中下部，在基坑底部，部分土體卸荷回彈，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移出現(xiàn)增加的情況。