柴 磊,孫亞星

(中鐵七局集團鄭州工程有限公司,鄭州 450052)

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)，基坑工程已成為市政建設中重要的工程課題之一。目前我國地下工程建設區(qū)域多分布在地質(zhì)種類多樣且復雜的城市中心，使基坑工程具有深度深、面積大、工期緊等特點?；庸こ虒嵤r既要加快施工進度，也要保證基坑安全，近年來許多專家學者對基坑問題進行研究，在理論和實踐方面都取得了進展。由于有限元分析方法可以考慮樁、土的互相作用，協(xié)調(diào)兩者變形并模擬基坑的施工過程，因此該方法在基坑工程中被廣泛應用。高文華等[1]為上海香港廣場深基坑圍護結構建立三維有限元分析模型，并與實測結果進行對比，獲得了圍護結構水平位移的空間部分規(guī)律和隨開挖時間延誤而發(fā)生變化的相關規(guī)律。俞建霖等[2]用空間有限單元法研究了基坑開挖過程中圍護結構變形、周圍地表沉降、基坑底部隆起的空間分布以及影響圍護結構變形的主要因素，并通過杭州市某基坑開挖工程實例驗證了有限元分析的合理性。

傳統(tǒng)的鋼支撐支護一般采用加斜撐的方式增強結構穩(wěn)定性，該施工方案使用鋼板材料較多，且必須使用配套的切割及焊接設備。由于施工中切割與焊接難度較大，產(chǎn)生廢料較多，會浪費人力、物力和財力，且作業(yè)效率較低，無法滿足施工進度要求。因此本項目提出一種新的施工方案，即取消斜撐，抬高第一道鋼管支撐標高來增強結構穩(wěn)定性。這種優(yōu)化方案有三大優(yōu)勢：①加快施工進度，減少施工工序；②材料損耗低，節(jié)約施工成本；③降低拆除第一道鋼支撐的難度系數(shù)。依托南通嗇園路隧道深基坑開挖工程，利用MIDAS GTS軟件建立面向深基坑分步開挖和支護結構施工過程的三維有限元模型，模擬基坑開挖過程，考察支護結構位移、坑底變形和周圍地表沉降位移等基坑變形特性。通過對比有無斜撐的2種方案下支護結構的位移和應力，驗證優(yōu)化施工方案的有效性和可行性，在確保支護結構穩(wěn)定的前提下，依據(jù)數(shù)值分析結果確定第一道鋼支撐的合理標高。

1 工程概況

1.1 工程介紹

依托南通嗇園路隧道項目的一個施工標段作為研究對象，該標段全長為1.55 km，隧道采用明挖順作法施工。該標段隧道基坑開挖深度為1.015～18.7 m。根據(jù)開挖深度的不同分別采用放坡、水泥土重力墻、鉆孔樁+三軸止水帷幕或型鋼+SMW(soil mixing wall)工法樁等圍護結構方式，支撐主要采用Φ609×16鋼管撐?；娱_挖過程中的降水措施為基坑開挖前20 d進行降水，基坑內(nèi)采用管井降水，基坑設置四周隔水帷幕，降水深度控制在坑底以下1 m?；觾?nèi)外設置適量的水位監(jiān)測井(孔)以監(jiān)測基坑范圍內(nèi)地下水位，并檢測降水對周圍水位的影響，控制周圍地面沉降。選取該標段中MK3+465～MK3+490段作為研究對象，該段基坑的地質(zhì)層由上到下分別為填筑土、1-3粉土、1-3a軟粉質(zhì)黏土、2-3粉砂和2-4粉質(zhì)黏土夾粉砂。支護結構采用Φ800@1 000鉆孔樁+Φ850@600三軸攪拌樁止水帷幕的結構形式。MK3+465～MK3+490段傳統(tǒng)支護結構橫剖面如圖1所示，傳統(tǒng)的支護結構采用1道混凝土支撐+2道鋼支撐+1道斜撐的方式。該項目為加快工期，提出免斜撐的優(yōu)化施工技術方案，即在傳統(tǒng)支護結構的基礎上取消其中兩側斜撐，并適當抬高第一道鋼支撐標高。優(yōu)化后的施工方案可減少斜撐鋼材的預埋，節(jié)省鋼材使用量并加快施工進度。

圖1 MK3+465～MK3+490段傳統(tǒng)支護結構橫剖面(單位：mm)

1.2 工程地質(zhì)情況

該項目位于新三角洲平原地質(zhì)區(qū)，地勢低平，線路總體走向自東向西，地面標高為2.0～4.5 m?？碧劫Y料揭示地層主要為全新統(tǒng)松散層及上更新統(tǒng)黏性土、粉土、粉細砂層。全新統(tǒng)土層分布及工程特性如表1所示。

表1 全新統(tǒng)土層分布及工程特性

2 基坑支護結構的三維數(shù)值建模

2.1 基本假定與材料參數(shù)選取

采用巖土隧道有限元分析軟件MIDAS GTS NX，基于南通嗇園路隧道基坑開挖工程的實際情況建立有限元仿真分析模型。有限元分析模型土中水的滲流規(guī)律遵循達西定律，應力和滲流耦合基于太沙基一維固結理論，通過一維固結理論計算滲流時孔隙水壓力，再由太沙基原理得到土的等效應力。為簡化計算，模型采用以下基本假定[3-6]。

(1)假定基坑周圍各土層均勻?qū)訝罘植?，土體、首層混凝土支撐和冠梁均采用各向同性實體單元模擬。與冠梁連接的鉆孔樁和三軸攪拌樁也采用實體單元建模。下層鋼支撐、斜撐、圍檁等支護結構以及抗拔樁均采用梁單元模擬。支護樁樁體中插入鋼筋籠以提高強度，為簡化有限元模型，略去樁體中鋼筋，以等效彈性模量取代鋼筋作用。彈性模量利用剛度等效原則換算獲得，以鉆孔樁為例，剛度等效原則示意如圖2所示。

圖2 剛度等效原則示意

采用實體單元模擬的混凝土鉆孔樁的主要參數(shù)包括：樁的彈性模量、樁的泊松比、樁的截面面積、樁的慣性矩和樁體密度。其彈性模量E利用剛度等效原則換算獲得，如式(1)所示。

(1)

式中，Ac為支護樁體中混凝土的橫截面積；Ec為支護樁體中混凝土的彈性模量；Ag為支護樁體中鋼筋籠的橫截面積；Eg為支護樁體中鋼筋籠的彈性模量；Ae為支護樁體中混凝土保護層的橫截面積；Ee為支護樁體中混凝土保護層的彈性模量。

為簡化模型單元，提高計算效率，將鉆孔樁和SMW工法樁等效為一定厚度的連續(xù)墻。鉆孔樁的厚度如式(2)所示進行等效計算。

(2)

式中，D為樁直徑，t為樁縫長度，h為等效厚度。

(2)首層混凝土支撐、鋼支撐和圍檁的材料均采用彈性本構模型，基坑周圍各土層土體本構模型采用修正的摩爾-庫倫彈塑性模型。

(3)基坑開挖前土體的初始應力假設為靜止土壓力。

2.2 計算模型建立及網(wǎng)格劃分

由彈性力學分析理論可知，基坑開挖施工對周邊土體的影響范圍約為3倍左右的基坑開挖深度。因此所選取的總體有限元分析模型的水平邊界為總開挖深度的4倍。MK3+465～MK3+490標段的基坑長度為25 m、寬度為38.3 m、深度為11.656～12.440 m。采用MIDAS GTS NX軟件的混合網(wǎng)格生成器對有限元模型中的實體單元和梁單元進行自動單元網(wǎng)格劃分，土體+支護結構的有限元模型如圖3(a)所示，傳統(tǒng)包含斜撐的支護結構有限元模型如圖3(b)所示。隧道為暗埋型隧道，高度為9.65 m，在MK3+465標段處隧道深度為地下11.656 m，MK+490標段處深度為地下12.44 m。

(a)土體+支護結構的有限元模型

3 采用傳統(tǒng)鋼支撐結構的施工過程仿真分析

在MIDAS GTS軟件中考慮降水對施工過程的影響，將整個開挖過程和隧道施工過程分為16個計算工況：工況1為初始滲流分析，即針對初始水位的滲流分析；工況2為初始應力場分析；工況3為圍護結構施工；工況4為開挖前降水；工況5為降水應力分析；工況6為第一次開挖，架設第一道混凝土支撐；工況7為第二次降水；工況8為第二次降水應力分析；工況9為第二次開挖，架設第一道鋼支撐；工況10為第三次降水；工況11為第三次降水應力分析；工況12為第三次開挖，架設第二道鋼支撐；工況13為第一層隧道施工，拆除第二道鋼支撐；工況14為第二層隧道施工，架設斜撐并拆除第一道鋼支撐；工況15為第三層隧道施工，拆除第一道混凝土支撐；工況16為回填土并拆除斜撐。

3.1 基坑周邊地表位移

在基坑土體施工過程中，由于基坑開挖導致坑底凸起，與基坑內(nèi)土體接觸的支護結構和與支護結構連接的坑外局部地表相應也處于凸起狀態(tài)。分析總結各工況下豎向位移模擬結果，基坑周邊地表位移如圖4所示。地表沉降最大值為6.18 mm，隆起最大值為13 mm。依據(jù)基坑支護結構設計要求，基坑待開挖深度>10 m，并且地表沉降應≤0.15%的基坑深度[6]，此段基坑深度>10 m，地表位移的安全值約為17.48 mm，在施工過程中地表沉降和隆起均小于安全值，故此段基坑施工過程中地表位移滿足設計要求。

(a)第一次開挖后

3.2 冠梁位移

冠梁的水平位移和總位移如圖5所示，冠梁處的水平位移在x方向位移很少，為10-2mm級別，可忽略不計，故圖5中水平位移為y方向位移。水平位移隨著施工的進行不斷增大，由第一次開挖的1.452 34 mm到施工結束的5.484 33 mm。x、y和z這3個方向總位移在施工過程中最大值產(chǎn)生在工況12的第三次基坑開挖施工時，數(shù)值為13.845 70 mm。依據(jù)設計要求，對于基坑深度>10 m的工況，變形控制標準的水平位移應≤0.18%的基坑深度[6]，故水平位移控制值為20.98 mm，此外該項目支護結構的水平和豎向總位移控制在27 mm。此段基坑在施工過程中水平位移和總位移均小于設計值，故此段基坑施工過程中樁頂位移滿足設計要求。

圖5 冠梁的水平位移和總位移

3.3 鋼支撐軸力

鋼支撐軸力如圖6所示，在基坑施工階段，始終是第一道鋼支撐的軸力較大，最大值為753.772 kN；隧道施工架設斜撐后，斜撐始終處于受拉狀態(tài)，最大拉力為741.439 kN；第三次開挖后第二道鋼支撐軸力最大值為703.885 kN。根據(jù)本項目給定的支撐設計軸力限值，該分析區(qū)段第一道鋼支撐設計軸力為2 433 kN，第二道鋼支撐設計軸力為1 415 kN，斜撐設計軸力為1 144 kN。

(a)第二次開挖后

因此，圖6分析得到的第一道鋼支撐、第二道鋼支撐和斜撐軸力均未超過限值。

4 優(yōu)化后的施工過程仿真分析

為加快南通嗇園路隧道工程施工進度，通過取消斜撐并抬高第一道鋼支撐標高的方式優(yōu)化施工過程，現(xiàn)對施工過程進行仿真分析。通過將MK3+465～MK3+490標段中第一道鋼支撐抬高0.5 m，分析該工況地表位移、冠梁位移和鋼支撐軸力等重要參數(shù)，反映結構安全性和穩(wěn)定性，通過與傳統(tǒng)方案對比驗證優(yōu)化方案的合理性。

4.1 優(yōu)化后的基坑周邊地表位移

抬高0.5 m支撐后的基坑周邊地表位移如圖7所示，地表沉降最大值為6.2 mm，隆起最大值為12.4 mm。在施工過程中地表沉降值和隆起值均遠小于安全值17.48 mm，且與傳統(tǒng)鋼支撐結構施工過程模擬得到的數(shù)值相差不大。

4.2 優(yōu)化后的冠梁總位移

冠梁總位移如圖8所示，由圖8可知，支撐抬高0.5 m后冠梁總位移最大值為13.875 10 mm，在支護結構水平位置控制范圍內(nèi)。對比傳統(tǒng)施工方案發(fā)現(xiàn)支撐抬高0.5 m后，冠梁總位移略大于含換撐工況下的最大位移13.845 70 mm。

圖8 冠梁總位移

4.3 優(yōu)化后的鋼支撐軸力

支撐抬高0.5 m后在第二層施工時，抬高的第一道鋼支撐代替了換撐的作用，抬高0.5 m支撐后的鋼支撐軸力如圖9所示。鋼支撐軸力為643.3 kN，為第一道鋼支撐在基坑施工過程中最大軸力，此軸力值高于傳統(tǒng)施工方案中換撐在第二層隧道施工時最大軸力585.74 kN，但低于傳統(tǒng)施工方案中第一道鋼支撐最大軸力；第二道鋼支撐的最大軸力為755.1 kN，遠高于含換撐施工方案中相同工況下的最大軸力703.885 kN，主要由于第一道支撐抬高后，第一道支撐距離第三次開挖坑底距離變大，第二道鋼支撐承受載荷變大。

(a)第二次開挖后

5 優(yōu)化方案的驗證和比對

5.1 數(shù)值模擬結果比對

2種方案數(shù)值模擬結果對比如圖10所示，圖10(a)給出傳統(tǒng)方案和取消斜撐、抬高第一道鋼支撐0.5 m的優(yōu)化方案下，鋼支撐的軸力圖。4種施工工況分別為第二次土體開挖、第三次土體開挖、第一層隧道施工和第二層隧道施工，均為較危險工況。由圖10(a)可知，2種方案下鋼支撐的軸力最大值分別為-755 kN和-753 kN，均顯著低于本項目施工說明規(guī)定的軸力限值，表明支護結構強度滿足要求。

圖10(b)給出傳統(tǒng)方案和取消斜撐、抬高第一道鋼支撐0.5 m的優(yōu)化方案下，冠梁的位移圖。6種施工工況分別對應第一次土體開挖、第二次土體開挖、第三次土體開挖、第一層隧道施工、第二層隧道施工和第三層隧道施工。由圖10(b)可知，第三次土體開挖時冠梁位移達到最大值，2種方案下分別為13.88 mm和13.85 mm。依據(jù)基坑支護結構設計要求，對于基坑深度>10 m的工況，總位移應控制在27 mm以內(nèi)，故2種方案下樁頂位移均滿足要求。

(a)2種方案下鋼支撐的軸力

5.2 基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測驗證

南通嗇園路隧道項目采用優(yōu)化方案進行施工，在MK3+475段對應的冠梁位置和MK3+483段對應的鋼支撐位置布置傳感器，監(jiān)測冠梁的累計豎向位移、水平位移和第一道鋼支撐的軸力，對109 d的基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測結果如圖11所示。根據(jù)基坑支護設計要求[6]，冠梁累計豎向位移報警值≥15 mm，水平位移報警值≥25 mm，鋼支撐軸力設計值為1 850 kN。由圖11(a)和圖11(b)可知，支護結構冠梁在62 d后才出現(xiàn)監(jiān)測值，因為在62 d前未進行土方開挖。支護結構冠梁的累計豎向位移和水平位移最大值分別為12 mm和23 mm，未超過報警值，在施工過程中是安全的。由圖11(c)可知，在施工過程中最大軸力值為1 820 kN，未達到鋼支撐軸力設計值。通過對基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測結果的分析，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

(a)支護結構冠梁累計豎向位移曲線

6 結論

以南通嗇園路隧道工程為研究背景，利用MIDAS GTS模擬了有無斜撐2種施工方案下的基坑開挖過程，獲得基坑支護結構位移、周圍地表沉降位移等變形特性以及鋼支撐內(nèi)力特性，結論如下。

(1)采用傳統(tǒng)帶有斜撐的施工方案能滿足安全性和穩(wěn)定性要求。在基坑土體施工過程中，受基坑開挖坑底凸起的影響，基坑周邊地表小范圍處于凸起狀態(tài)；地表沉降最大值位置距基坑面有一定距離，地表沉降最大值為6.18 mm，隆起最大值為13 mm，滿足設計要求。冠梁總水平位移最大值為13.845 70 mm，小于限值，故樁頂位移滿足要求。在基坑施工階段，始終是第一道鋼支撐的軸力較大，最大值為753.772 kN；隧道施工架設斜撐后，斜撐始終處于受拉狀態(tài)，最大拉力為741.439 kN，均未超過限值。

(2)采用取消斜撐、抬高第一道鋼支撐0.5 m的優(yōu)化方案能滿足基坑支護結構設計要求。優(yōu)化方案下，基坑地表沉降和隆起最大值分別為6.2 mm和12.4 mm，均滿足設計的安全值要求。鋼支撐的最大軸力為643.3 kN，顯著低于本項目施工說明規(guī)定的限值，表明支護結構強度滿足要求。第三次開挖土體時冠梁總位移達到最大值13.88 mm。依據(jù)基坑支護結構設計要求，對于深度>10 m的基坑，總位移應控制在27 mm以內(nèi)，故該種方案下樁頂總位移滿足要求。

(3)所提出的去除斜撐的優(yōu)化施工方案與傳統(tǒng)方案相比，無論是強度還是剛度方面，均未降低傳統(tǒng)支護結構和隧道施工的安全性和穩(wěn)定性，同時也起到顯著加快工期、降低造價的作用，為同類深基坑開挖工程提供參考。