唐福源， 衣利偉， 曹勇， 陳正紅， 陳秋南*， 吳岑佳

(1.中國建筑第五工程局有限公司， 長沙 410004； 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 湘潭 411201)

在基坑施工過程中，基坑開挖將引起周圍土體發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致基坑發(fā)生變形。對于軟土地基中深基坑施工而言，由于開挖深度大，土體力學(xué)性能差，為控制基坑變形，對深基坑施工技術(shù)有著更高的要求。為此，眾多研究人員對軟土中深基坑的支護和變形進行了研究。如Shakeel等[1]對軟土地基深基坑樁群的沉降與荷載傳遞機理進行了研究。Tan等[2]通過對上海多個自上而下開挖的軟土深基坑現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了比較分析，研究了基坑尺寸對開挖的影響規(guī)律。徐中華等[3]對通過現(xiàn)場測量，對深基坑開挖對鄰近建筑的影響進行了研究。也有研究人員基于工程實測數(shù)據(jù)，對軟黏土地區(qū)深大基坑開挖全過程中的開挖性狀的發(fā)展演變規(guī)律進行了分析[4-5]。劉銘等[6]通過數(shù)值分析研究了軟土地區(qū)基坑施工對其附近土堤穩(wěn)定性的影響,并對基坑施工影響的控制措施進行了研究。黃偉[7]通過下臥海相沉積軟土的蠕變力學(xué)特性和本構(gòu)模型的研究，探索了填海造陸地區(qū)深大基坑變形時空效應(yīng)及最優(yōu)變形控制方案。喻衛(wèi)華[8]根據(jù)結(jié)構(gòu)計算和現(xiàn)場實測，探討了軟土地區(qū)深基坑設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)。李海亮等[9]利用層次分析法與模糊數(shù)學(xué)理論，對臨海富水軟弱地層中深基坑支護方案進行了優(yōu)選?？拙S耀[10]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，提出了在軟土地區(qū)超大規(guī)模深基坑進行整體順逆結(jié)合設(shè)計方法。蘇秀婷等[11]以濟南黃河隧道北岸盾構(gòu)工作井基坑工程為依托，對軟土地層深基坑連續(xù)墻的變形進行預(yù)測，同時論證了改進的可動強度設(shè)計(mobilizable strength design, MSD)法預(yù)測體系的可靠性。

從上述近年來的一些代表性研究不難看出，雖然目前對軟土地層中基坑開挖的支護和變形進行了大量研究，但缺少對處于復(fù)雜填海區(qū)域的軟土地層中狹長帶狀深大基坑支護方案的優(yōu)選研究與基坑變形分析?；诖耍F(xiàn)以深圳地鐵13號線深登明挖區(qū)間配線段的填海軟土地層基坑項目為依托，通過對基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移和內(nèi)力的設(shè)計計算，對支護結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)進行優(yōu)選，同時將優(yōu)選結(jié)果應(yīng)用到數(shù)值模擬中，預(yù)測基坑土體的變形，并與最終地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，補充了深圳地區(qū)復(fù)雜填海軟土地層中的深基坑工程研究工作，以期為后續(xù)深基坑研究工作提供一定的指導(dǎo)。

1 工程背景

1.1 基坑概況

深圳地鐵13號線的深圳灣口岸站～登良東站明挖區(qū)間配線段項目位于深圳灣口岸附近，配線段北側(cè)為東濱路、南側(cè)為深圳灣口岸。地面現(xiàn)狀主要有在建的東濱路隧道施工圍擋、綠化用地、道路，配線段基坑影響范圍內(nèi)無建構(gòu)筑物，存在少量管線，在基坑施工之前均已遷移出基坑范圍?；悠矫鎴D如圖1所示，左右線路總長386.76 m，基坑大致呈矩形形狀，長約194 m，寬11.5～13.33 m，基坑深度為19.6～22 m。

1.2 地質(zhì)概況

深登明挖區(qū)間配線段的基坑工程周邊地面高程3.07～9.57 m，地面坡度一般小于15°。地層結(jié)構(gòu)為復(fù)雜軟弱填海地層，從上到下依次為：素填土、填碎石土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、礫砂、礫(砂)質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖。地下水穩(wěn)定水位埋深2.80～6.00 m，以孔隙潛水為主，孔隙水主要賦存于第四系人工填土、海相沉積淤泥質(zhì)砂層及礫(砂)質(zhì)黏性土層中。本工程具體土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 咬合樁施工原理及結(jié)構(gòu)計算原理

2.1 咬合樁施工原理

根據(jù)該基坑工程地質(zhì)情況和周圍環(huán)境，該基坑圍護結(jié)構(gòu)采用“套管咬合樁+支撐”的支護措施。套管咬合樁的施工流程，如圖2所示。樁的排列方式按照素混凝土樁(A樁)和鋼筋混凝土樁(B樁)間隔布置，施工時先施工A樁后施工B樁，施工工藝流程是：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……，如圖2所示。A樁混凝土采用超緩凝混凝土，要求必須A樁混凝土初凝之前完成B樁的施工。B樁施工時采用全套管鉆機切割掉相鄰A樁相交部分的混凝土，以實現(xiàn)AB樁的咬合。

圖1 基坑平面布置圖Fig.1 Layout of foundation pit

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical Parameters of soil layers

圖2 套管咬合樁施工工藝流程Fig.2 Construction process of secant piles

2.2 咬合樁結(jié)構(gòu)計算原理

當咬合樁的咬合良好，咬合面滿足剪應(yīng)力傳遞的情況下，A樁和B樁達到變形協(xié)調(diào)狀態(tài)，可將其作為一個整體進行分析。因此，在計算咬合樁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時，可按照抗彎剛度等效原則將其等效為一定厚度的地下連續(xù)墻，如圖3所示。

將咬合樁視為線彈性材料，根據(jù)抗彎剛度等效原則可得

(1)

d為樁徑；a為咬合量；咬合樁結(jié)構(gòu)可等效為長度2(d-a)、厚度h 的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)圖3 咬合樁等效為地下連續(xù)墻Fig.3 Secant pile is equivalent to diaphragm wall

等效地連墻截面的慣性矩；E1、E2、E3分別為素混凝土、鋼筋混凝土、等效地下連續(xù)墻混凝土的彈性模量。慣性矩I1的計算方法如圖4所示，I1=I2-4I′1，I′1為1/4咬合區(qū)截面的慣性矩，計算公式為

(2)

圖4 咬合樁慣性矩計算簡圖Fig.4 Inertia moment calculation of secant pile

3 基坑支護整體方案

深登明挖區(qū)間配線段基坑工程選用“套管咬合樁+內(nèi)撐”的支護方案，基坑支護方案內(nèi)容主要有以下3個方面。

(1) 咬合樁支護方案。配線段基坑周邊按照施工原理布置相互咬合的A樁和B樁，樁徑和樁間距根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果確定。咬合樁嵌固深度取8 m，局部樁底未穿過透水層的地方應(yīng)嵌固加深穿過透水層不小于1 m，嵌固段中有淤泥質(zhì)土等軟弱土層時，按軟弱地層最大厚度相應(yīng)加深嵌固深度。

(2) 內(nèi)撐支護方案。內(nèi)支撐豎向設(shè)置4道支撐，第1、3道采用鋼筋混凝土支撐(800×1 000 mm)，第2道和第4道采用Φ800 mm鋼支撐。

(3) 主要工程材料。咬合樁B樁樁身砼采用C35水下P6，A樁樁身砼采用超緩凝C35水下P6；冠梁、腰梁、砼支撐采用C30混凝土；鋼筋：采用HPB300、HRB400鋼筋；鋼支撐采用Φ800 mm，壁厚20 mm，材料為Q235-B。

4 支護截面參數(shù)優(yōu)化分析

通過改變咬合樁的樁徑和咬合量，并分析不同樁徑和咬合量對咬合樁內(nèi)力和位移的影響結(jié)果，對支護參數(shù)進行優(yōu)選。分別取樁徑800、1 000、1 200、1 400、1 600 mm，咬合量100、200、300、400、500 mm，對其進行優(yōu)化分析。

根據(jù)式(1)和式(2)，計算不同樁徑和咬合量所對應(yīng)的等效地下連續(xù)墻厚度h，結(jié)果如表2所示。將表2中的h代入地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)計算模型中進行計算。計算模式為荷載-結(jié)構(gòu)模式，模擬施工過程中支護結(jié)構(gòu)的受力及變形特點。支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力按彈性地基桿系有限元法分析，模擬開挖、支撐的實際施工過程，基坑外側(cè)土壓力按照朗肯土壓力計算。本基坑為狹長形，可沿開挖寬度選取典型斷面進行研究，本節(jié)取該項目的Y(Z)DK1+042.228斷面為對象進行分析，其開挖深度為20.5 m，地面超載按20 kPa計算，考慮施工期間的各種工況，對本基坑的支護結(jié)構(gòu)進行位移和內(nèi)力計算。

表2 不同咬合樁尺寸對應(yīng)的等效地下連續(xù)墻厚度Table 2 Equivalent thickness of diaphragm wall to the size of secant pile

4.1 截面參數(shù)對支護樁水平位移和彎矩的影響

在上述5種不同樁徑和4種不同咬合量情況下，根據(jù)基坑支護計算模型得到的樁身水平位移和彎矩如圖 5和圖6所示?？梢钥闯?，隨著樁徑的增大，樁身水平位移逐漸減小，樁身彎矩逐漸增大，但是樁身水平位移和彎矩分布規(guī)律基本不變，每種樁徑下最大水平位移發(fā)生在距樁頂 17.5 m左右，最大彎矩發(fā)生在距樁頂18 m左右。同時，當樁徑從 0.8 m 增加到 1.2 m 的過程中，樁身的水平位移明顯減小，但當樁徑從 1.2 m繼續(xù)增加至 1.6 m 的過程中，樁身的水平位移減小的幅度較小。樁身的彎矩的增大幅度基本不變。另外，咬合量的變化對樁身位移的大小和位移分布規(guī)律影響較小。

4.2 截面參數(shù)的優(yōu)選

圖7為不同樁徑和咬合量下樁身最大水平位移和最大彎矩圖。由圖7可以看出，隨著咬合量和樁徑的增大，樁身最大水平位移逐漸減小，最大彎矩逐漸增大。因此，為了獲得更小的樁身水平位移，需要增大樁徑和咬合量，而為了獲得更小的樁身彎矩，需要減小樁徑和咬合量。若樁徑和咬合量太小，將導(dǎo)致樁體水平位移大幅提高，給施工安全方面帶來無窮后患；反之若樁徑和咬合量太大，盡管一定程度上能夠保證施工安全性能，但也帶來了樁體彎矩值變大的情況，加大了工程造價成本。所以，咬合量和樁徑不能過大或過小，選擇合適的樁徑和咬合量可以控制支護樁位移效果，并降低工程造價。

圖5 不同樁徑和咬合量下樁身位移圖 Fig.5 Pile displacement under different pile diameters and occlusal quantities

圖6 不同樁徑和咬合量下樁身彎矩圖Fig.6 Pile bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

圖7 不同樁徑和咬合量下樁身最大位移和彎矩圖Fig.7 Maximum horizontal displacement and bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

根據(jù)得到的不同樁徑和咬合量下樁身最大水平位移和最大彎矩值，將二者分別分為4個等級，A、B、C、D，其中A代表等級最優(yōu)，即更小的位移或者彎矩值(圖8)。從圖8中等級劃分結(jié)果可以看出，當位移和彎矩重要性一致的條件下，不同樁徑和咬合量下，截面參數(shù)的優(yōu)劣程度可以組合得到4種不同的分類，即AD(DA)、BC(CB)、AC(CA)、BB。若要同時保證位移和彎矩較小，則本工程案例支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳選擇是樁徑1 200 mm、咬合量300 mm。

圖8 不同樁徑和咬合量下最大位移和最大彎矩等級劃分Fig.8 Classification of maximum displacement and maximum bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

5 基坑變形數(shù)值模擬

5.1 數(shù)值模型的建立

在確定支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對基坑典型斷面Y(Z)DK1+042.228進行有限差分法數(shù)值模擬，以獲得基坑變形結(jié)果。數(shù)值模型如圖9所示，基坑深20.5 m、長12.5 m。對于軟土，沉降影響范圍約為2倍開挖深度[12]，因此，模型總長度取112.5 m，模型總高度取約兩倍基坑深，即40 m，模型厚度取單位厚度 1 m。土層通過Mohr-Coulomb本構(gòu)模型和對應(yīng)力學(xué)參數(shù)進行模擬。采用的樁徑1 200 mm、咬合量300 mm的咬合樁按照表2等效為1 115 mm的地下連續(xù)，并利用Elastic本構(gòu)模型對其進行模擬。內(nèi)撐通過Beam結(jié)構(gòu)進行模擬。同時，在樁頂進行1.5 m的放坡處理，坡后0.5 m外的地表作用20 kPa的地面超載。

5.2 基坑變形分析

為驗證數(shù)值模型準確性，將右側(cè)樁的水平位移與第4節(jié)中通過彈性法得到的水平位移進行對比。從圖10中可以看出，數(shù)值模擬得到的樁身水平位移變化規(guī)律與彈性法得到的基本相同：數(shù)值模擬得到的最大水平位移為27.85 mm，位于距樁頂18 m處，彈性法得到的最大水平位移為28.02 mm，也發(fā)生在距樁頂17.5 m處，因此，模型合理。

圖9 基坑數(shù)值模型Fig.9 Numerical model of foundation pit

圖10 右側(cè)樁水平位移圖 Fig.10 Horizontal displacement diagram of the right pile

圖11為不同工況下土體豎向位移場。由圖11可以看出，工況1完成時，最大土體沉降值為24.77 mm，最大土體回彈值為16.65 m。工況2、工況3和工況4施工過程中，沉降趨勢平緩，但坑內(nèi)土回彈現(xiàn)象明顯。工況5、工況6和工況7、工況8施工過程中，土層發(fā)生較大沉降和回彈，最大土體沉降值為14.34 mm，土體回彈96.27 mm。在工況9開挖完成后，最大沉降值為16.99 mm。按照一級基坑要求，沉降值小于基坑開挖深度的千分之三，該基坑的沉降滿足該要求，且未超過警戒值，但最大土體回彈值達到110.45 mm。因此在本基坑的施工過程中應(yīng)密切注意防止坑底隆起，在施工過程中采用了石子包增加壓重，并在基坑開挖至坑底時盡快完成墊層澆筑。

圖11 土體豎向位移場Fig.11 Vertical displacement field of soil mass

圖12為工況9完成后，右側(cè)坑外地表沉降的模擬值與實測值對比。由圖12可以看出，地表沉降表現(xiàn)出“凹槽”形，模擬值與實測值基本吻合。地表沉降的主要影響范圍距離放坡位置30 m以內(nèi)，地表最大沉降量δvm發(fā)生在0.5倍基坑深度的附近，即距離放坡邊緣10 m左右的位置。

圖12 右側(cè)坑外地表沉降圖 Fig.12 Surface subsidence map on the right side of the foundation pit

6 結(jié)論

基于深圳地鐵13號線的深圳灣口岸站～登良東站明挖區(qū)間項目，對支護結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力以及基坑土體變形進行全面分析。主要結(jié)論如下。

(1)隨著樁徑和咬合量的增大，樁身水平位移逐漸減小，彎矩逐漸增大，但水平位移和彎矩沿樁身的分布規(guī)律基本不變，最大水平位移和最大彎矩分別發(fā)生在距樁頂17.5 m和18 m左右。

(2)根據(jù)對應(yīng)的最大水平位移和最大彎矩值，可將不同截面參數(shù)下的支護結(jié)構(gòu)優(yōu)劣組合為4種不同等級。在保證基坑安全和降低造價的前提下，該工程支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)選擇是樁徑1 200 mm，咬合量300 mm。

(3)在最優(yōu)支護結(jié)構(gòu)參數(shù)下，開挖完成后基坑土體最大沉降為16.99 mm，滿足要求，但土層回彈值達到110.45 mm，因此在基坑的施工過程中應(yīng)密切注意防止坑底隆起。