齊朋， 張宇奇， 王寧

(1.中建八局第一建設有限公司， 山東 濟南 250100； 2.中國建筑股份有限公司技術中心， 北京市 101300)

1 引言

深基坑開挖過程中，圍護結構橫向位移既會影響現(xiàn)有基坑的工程質量，也會影響未來主體結構施工和使用安全性、耐久性，還可能導致周邊建(構)筑物傾斜、開裂。所以圍護結構橫向位移是反映基坑安全的重要指標，在設計和施工中均受到各方的重視[1-3]。

許多學者針對深基坑圍護結構及周邊地面的內(nèi)力、變形、位移等問題采取不同的方法從多種角度進行深入研究，取得了眾多成果。以圍護結構橫向位移為例，Clough等將內(nèi)支撐和錨拉系統(tǒng)的開挖所導致的圍護結構變形進行了分類，并給出了預估墻體位移圖表[4]；王磊等通過將模擬結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析了地下連續(xù)墻入土深度和地面堆載對逆作法地下連續(xù)墻墻體橫向位移的影響[5]；許杰等使用Abaqus有限元平臺對不同斷面形式的地鐵隧道基坑進行模擬，研究了基坑開挖對圍護結構和周邊環(huán)境的影響[6]；許昭依托天津體育中心地鐵站，對地下連續(xù)墻的最大橫向位移和所在位置進行了深入研究[7]；王紹君等使用數(shù)值模擬方法研究了在考慮凍脹條件下的深基坑支護體系變形及控制方法[8]；和孫文等采用有限元方法，研究了蓋挖逆作法基坑變形規(guī)律及穩(wěn)定性[9]；劉曉峰等利用監(jiān)測與數(shù)值模擬相結合的方法研究了深基坑二次開挖支護結構的變形與控制措施[10]；金生吉采用有限元軟件Midas/GTS研究了基坑支撐軸力與圍護結構變形的關系[11]；萬志輝等研究了土層的彈性模量和內(nèi)摩擦角與深基坑圍護結構變形的關系[12]；張少文等通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析并與有限元軟件的模擬結果進行對比，研究了地下連續(xù)墻豎向位移規(guī)律[13]；孫鍇等結合深基坑工程實例，研究了泥炭土深基坑施工的基坑變形規(guī)律和對周邊環(huán)境的影響[14]。

該文依托北京通州廣渠路東延道路工程某標段的工程實際，利用通用有限元軟件Abaqus，依據(jù)勘查和設計文件，對基坑開挖和圍護結構修建過程建立三維動態(tài)模型，與施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。同時針對施工中易于實施的改變圍護結構橫向位移控制能力的措施進行模擬研究，并分別與實際施工方案進行對比分析，研究各項措施的可行性，并對實際工程提出建議。

2 工程概況

2.1 工程簡介

廣渠路東延工程作為廣渠路的一部分，位于北京市通州區(qū)，起點為怡樂西路，終點與東六環(huán)路相交，沿通朝大街、運河西大街、運河東大街布置。該文研究標段全長1.604 km，工程項目的90%為隧道和管廊，其橫斷面采用明挖雙洞隧道形式，開挖最深處達32 m，其中約400 m的隧道需下穿河道。該標段基坑深度較深，涉水，且位于中心城區(qū)，靠近道路、橋梁、生活區(qū)，部分管線毗鄰或需要穿越基坑，施工難度和風險較大。

2.2 地質條件

根據(jù)勘察報告的描述以及鉆探資料和室內(nèi)土工試驗結果，工程場區(qū)地面以下70 m深度范圍內(nèi)地層按其沉積年代及工程性質可分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀沉積層3大類。

2.3 基坑及圍護結構設計介紹

全標段的基坑采取明挖法施工，下穿河道部分采用圍堰明挖法施工。隧道主體結構寬30.5 m，高13.8 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.4 m，側墻厚1.0 m，采用C35P10鋼筋混凝土結構。圍護結構采用地下連續(xù)墻加支撐的形式，地下連續(xù)墻采用C40P8鋼筋混凝土結構。在支撐方面，首排撐為1 m×0.8 m的C35鋼筋混凝土結構，橫向間距9 m。其余支撐均為Q235鋼管撐，鋼管支撐的外徑為0.8 m，壁厚為20 mm，橫向間距為3 m。所有支撐中部均使用埋深為700 mm的鋼板格構柱對其進行支撐。

該文選擇下穿運河段基坑中24 m長的一段基坑，該段基坑典型斷面設計圖見圖1，基坑深約20 m，地下連續(xù)墻厚0.8 m，墻深36 m，共使用5排支撐(1排混凝土支撐，4排鋼支撐)，每道鋼支撐均施加1 000 kN的預應力。每排支撐的中心到地下連續(xù)墻墻頂?shù)木嚯x分別為：0.5、3.9、7.7、11.4、15.8 m。土體分層開挖，前5層土體的開挖底面位于該土層對應支撐底面標高下0.3～0.5 m，第6層土體直接開挖至基坑底面。

圖1 廣渠路北運河節(jié)點隧道典型斷面設計圖(單位：cm)

2.4 基坑監(jiān)測方案

在施工中對基坑、地面、道路、地面以下設施的沉降、位移、傾斜、裂縫等均進行了監(jiān)測。文中所涉及到的圍護結構位移監(jiān)測點位布置見圖2。其中，地下連續(xù)墻頂部水平位移使用徠卡TSO9全站儀、鋼卷尺和棱鏡進行檢測；地下連續(xù)墻的深層位移使用SINCO測斜儀和測斜管進行監(jiān)測。

圖2 地下連續(xù)墻位移測點布置圖(單位：m)

3 基坑影響因素分析

3.1 監(jiān)測結果分析

監(jiān)測工作從地下連續(xù)墻澆筑完成后開始，一直到主體結構施工完成后結束，根據(jù)研究關注對象，節(jié)選從基坑開始開挖至完成開挖的時間段。測點ZQT7-2各工況下地下連續(xù)墻水平位移與其埋深的關系曲線見圖3，曲線中橫向位移的正方向為基坑內(nèi)部方向(與后文圖中一致，不再贅述)。

由圖3可見：基坑開挖首層土體時，因破壞了原有土體間的受力平衡，使基坑內(nèi)、外側土壓力不平衡，導致圍護結構向基坑內(nèi)側變形，最大水平位移在墻頂處，為1.8 mm。繼續(xù)開挖，由于首排混凝土支撐剛度較大，再加上不平衡土壓力逐漸增大且合力點逐漸下移，圍護結構的位移曲線逐漸形成“C”形曲線。隨著開挖深度的加深，地下連續(xù)墻最大水平位移逐漸增大，出現(xiàn)最大水平位移的位置逐漸下移，開挖第3層土時，地下連續(xù)墻的最大水平位移大致出現(xiàn)在開挖深度的60%處。在每種工況下地下連續(xù)墻與土體的接觸處尚存在橫向位移值，但在埋置深度內(nèi)，地下連續(xù)墻的橫向位移逐漸趨近于0以保證圍護結構的整體穩(wěn)定性。

圖3 測點ZQT7-2各工況下地下連續(xù)墻橫向位移曲線

3.2 模型建立

使用通用有限元軟件Abaqus建立基坑動態(tài)模型。模型參數(shù)依據(jù)勘察文件和設計圖紙，模擬從地下連續(xù)墻澆筑完成開始到基坑開挖完畢結束，一共包括6層土體的開挖和5道支撐的施加。根據(jù)地質勘查報告，土體使用Mohr-Coulomb本構模型進行模擬，材料參數(shù)見表1。由于地下連續(xù)墻及支撐的變形量遠小于其幾何參數(shù)，故采用線彈性本構模型進行模擬，材料參數(shù)見表2。選用禁止穿透的面-面接觸模型對地下連續(xù)墻-土體間的接觸特性進行模擬，接觸面采用有限滑動的庫侖摩擦模型。

表1 土體材料參數(shù)

表2 地下連續(xù)墻及支撐材料參數(shù)

在土體最下側施加固定約束，前后左右4個方向施加對稱約束，在土體的上表面施加20 kPa的地面荷載。所有構件均施加重力，重力加速度為9.8 m/s2，方向向下，土體和圍護結構均使用C3D8R單元。

通過利用單元生死的方法，分步在各施工步驟中移除相應的土體單元和激活相應的支撐單元以模擬各工況下土體和支撐幾何模型的變化，工況(時間步)設置見表3。在工況0-1和0-2通過施加地應力和重力保證初始地應力平衡，在工況1-1到6-1實現(xiàn)基坑的逐層開挖和各排支撐的設置。

表3 工況(時間步)設置情況

由于圍護結構的深層橫向位移控制是設計和施工中的重點之一，該節(jié)將考察3種施工中易于實施的改變圍護結構橫向位移控制能力的措施——改變地下連續(xù)墻的混凝土等級、厚度和長度，分別對基坑開挖的過程進行模擬，以研究上述3種方法的可行性。

3.3 設計、監(jiān)測與模擬結果對比

通過對施工過程進行模擬計算，可得出各工況的分析結果，在工況6-1下圍護結構橫向位移最為嚴重，與監(jiān)測結果(測點ZQT7-2)和設計計算書中的結果一致。上述3種方法所得的地下連續(xù)墻橫向位移-地下連續(xù)墻埋深曲線見圖4。由圖4可見：3條曲線中圍護結構橫向位移隨深度變化趨勢除頂端外基本一致，頂端的數(shù)值和趨勢均有較大差異是因為模擬與設計所采用的預估地面堆載數(shù)值難以完全符合實際。圍護結構模擬橫向位移最大值為20 mm，監(jiān)測橫向位移最大值為23 mm，均小于設計文件中的橫向位移最大值28 mm，模擬結果與監(jiān)測結果相比其誤差約為11%。模擬中，圍護結構最大橫向位移值出現(xiàn)的深度為13.9 m，約為基坑開挖深度(22 m)的63.2%，監(jiān)測中最大橫向位移值出現(xiàn)的深度為14.8 m，約為基坑開挖深度的67.3%，模擬結果與監(jiān)測結果相比的誤差約為6%。墻體變形均呈現(xiàn)出“C”形的趨勢，說明混凝土支撐和鋼支撐有效阻止了墻體上部的變形。上述結果說明該模擬結果比較準確，可基本反映該圍護結構施工時的變形情況。

圖4 工況5-2地下連續(xù)墻橫向位移對比曲線

3.4 地連墻混凝土等級對圍護結構深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的混凝土等級是基坑設計的重要參數(shù)，該節(jié)將通過修改模型中地下連續(xù)墻的材料屬性，分別使用C30、C35、C45混凝土，與實際情況下的C40混凝土共同進行模擬和對比，所得的圍護結構橫向位移與其埋深的關系曲線見圖5。

圖5 不同混凝土等級的地下連續(xù)墻對圍護結構深層橫向位移的影響曲線

由圖5可見：隨著地下連續(xù)墻混凝土等級的提升，圍護結構的橫向位移值不斷減小，但減小值比較有限，如采用C45混凝土構筑地下連續(xù)墻，相對實際情況(采用C40混凝土)，圍護結構的最大橫向位移僅減少1.73 mm，約為3.5%。圍護結構最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，當?shù)叵逻B續(xù)墻的混凝土等級滿足基坑變形穩(wěn)定性要求后，繼續(xù)提升混凝土等級對控制圍護結構橫向位移的作用較小。

3.5 地連墻深度對圍護結構深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的深度是基坑設計的重要參數(shù)，該節(jié)將地下連續(xù)墻深度分別修改為30、33、39和42 m，與實際情況的36 m進行模擬和對比分析，所得圍護結構橫向位移與地下連續(xù)墻深度的關系曲線見圖6。

圖6 不同深度的地下連續(xù)墻對圍護結構深層橫向位移的影響曲線

由圖6可見：隨著地下連續(xù)墻深度的提升，圍護結構的橫向位移值不斷減小，但減小值比較有限，如采用42 m深的地下連續(xù)墻相對30 m深的地下連續(xù)墻，埋深提升了40%，但其最大橫向位移僅減少3.75 mm，約為15%。但是所有超過實際深度(36 m)的地下連續(xù)墻的最下方的橫向位移基本接近于0，而小于實際深度的地下連續(xù)墻的入土深度內(nèi)的橫向位移會隨著深度的減小而增長迅速，會影響到圍護結構的穩(wěn)定性。此外，地下連續(xù)墻最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，提升地下連續(xù)墻深度對控制橫向位移的作用有限，但可有效提升圍護結構的穩(wěn)定性。

3.6 地連墻厚度對圍護結構深層橫向位移的影響

地下連續(xù)墻的厚度是基坑設計的重要參數(shù)，該節(jié)將地下連續(xù)墻厚度分別修改為400、600、1 000和1 200 mm，與實際情況的800 mm進行模擬和對比分析，所得圍護結構橫向位移與地下連續(xù)墻厚度的關系曲線見圖7。

由圖7可見：隨著地下連續(xù)墻厚度的提升，圍護結構的橫向位移值明顯減小，如采用1 200 mm厚的地下連續(xù)墻相對實際情況(800 mm厚的地下連續(xù)墻)，厚度提升了50%，其最大橫向位移減少5.78 mm，約為24%；采用400 mm厚的地下連續(xù)墻相對實際情況(800 mm厚的地下連續(xù)墻)，厚度減少了50%，其最大橫向位移增大11.09 mm，約為55%，同時，地下連續(xù)墻的入土深度內(nèi)的橫向變形增長迅速，尤其在埋深2～3 m處，遠大于實際情況。此外，地下連續(xù)墻最大橫向位移所在的深度幾乎不變。因此，提升地下連續(xù)墻厚度可有效控制圍護結構橫向位移，提升圍護結構的穩(wěn)定性。

圖7 不同厚度的地下連續(xù)墻的側移-埋深曲線

4 結論

通過對某基坑工程的開挖和圍護結構的修建過程進行模擬，采取單因素分析方法依次對地下連續(xù)墻混凝土等級、地下連續(xù)墻深度、地下連續(xù)墻厚度等影響圍護結構橫向位移的因素進行分析，得到以下結論：

(1) 數(shù)值模擬結果與監(jiān)測值的誤差較小，變化趨勢基本一致，且均小于設計值，說明數(shù)值模型設置比較合理，模擬結果比較可信。

(2) 圍護結構的最大橫向位移出現(xiàn)在距墻頂約2/3的位置，且該位置基本不受地下連續(xù)墻混凝土等級、深度和厚度的影響，但位移受到上述因素的影響。

(3) 通過增大地下連續(xù)墻混凝土等級以試圖減小圍護結構橫向位移的效果不明顯。

(4) 增大地下連續(xù)墻深度對減小圍護結構橫向位移意義不大，但可有效減小地下連續(xù)墻埋藏深度內(nèi)的水平位移，提升圍護結構的穩(wěn)定性。

(5) 提升地下連續(xù)墻厚度可有效控制圍護結構的橫向位移，并提升圍護結構的穩(wěn)定性。