李鵬飛

(中鐵十四局集團第五工程有限公司 山東濟寧 272100)

1 引言

大型基坑工程伴隨著城市化建設的快速發(fā)展而增多，關于基坑大變形引起的工程事故時有發(fā)生。鑒于基坑工程的重要性，國內外學者開展了廣泛的研究。王鈺軻等[1]基于ABAQUS數(shù)值模擬，研究了某地鐵基坑在施工過程中，行車荷載和開挖對新建和既有基坑的變形影響。結果表明，行車荷載在土體中引起內力重分布，且在新建基坑附件發(fā)生較大的應力集中。李芬等[2]研究了基坑周邊擾動外荷載對基坑支檔結構的影響。結果表明，基坑中部的長邊方向應避免停放大型車輛荷載。佀偉[3]依托一實際基坑工程，重點分析了開挖擾動對基坑周圍地下管線的變形特性影響。應宏偉等[4]對比分析了不同支護結構的剛度、基坑形體特征及巖土體力學物理性質對土體沉降的影響，并提出了合理的支護方式。朱合華等[5]基于某基坑的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該基坑的變形進行了預測。謝曉健等[6]提出了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結合的基坑動態(tài)施工模擬方法。柴元四[7]研究了廈門地鐵2號線呂厝站車站深基坑支護結構及地表變形超限問題，并給出了處理措施，結果表明，采用基坑支護結構加強和優(yōu)化基坑施工的方法可有效確?；邮┕ぐ踩?。

以典型的連續(xù)墻支撐體系為例，地下連續(xù)結構的設計理論涉及到復雜的彈塑性力學，而目前的研究仍然有所不足。如深基坑由于存在巖體應力較大的特點，圍巖體和支護結構會相互影響，并產生相互作用[8－10]，此時，作用在支護結構上的荷載必然要在計算的土壓力基礎上進行合適的折減，而傳統(tǒng)方法并未涉及到相關研究，可能會造成一定的浪費。本文考慮目前的研究不足，開展深基坑地連墻厚度的優(yōu)化設計分析，并對結構的安全性和經濟性進行評價。

2 工程概況

本文依托長沙市湘雅越江隧道盾構接收井基坑工程開展研究。起點位于桐梓坡路與岳華路路口以西約280 m，終點至湘雅路與芙蓉中路交叉口，整體呈西往東方向，項目全長約4.18 km。

盾構工作井基坑采用地連墻圍護結構＋內支撐形式?；映叽鐬?6.0 m×26.2 m，基坑深度為37.2 m。

區(qū)域范圍內出露第四系及古近系地層，主要包括填土、黏性土層以及粉砂巖等。根據(jù)鉆探資料，巖土層的物理力學特征如表1所示。

研究區(qū)可能影響基坑開挖和施工的地下水主要是上層滯水和孔隙裂隙水?？紤]研究區(qū)地下水的補給及排泄條件，建議抗浮設防水位為80 m，根據(jù)規(guī)范要求支護結構計算中可采用常水位設計，本工程實際計算中，其中填土層和圓礫采用水土分算方法，黏性土和泥炭土采用水土合算方法進行設計。

3 傳統(tǒng)設計方法

根據(jù)研究區(qū)的工程地質條件，基坑采用明挖順作法施工；支護結構采用地連墻＋內支撐。

支護結構內力計算采用理正基坑支護模塊。計算規(guī)定施工階段地面超載20 kPa，安全等級為一級，基坑變形控制標準按照規(guī)范規(guī)定:地面最大沉降不大于0.15%基坑深度，最大水平位移不大于0.2%基坑深度，且小于30 mm。

采用理正計算主要內容有:地連墻設計計算，支撐、冠梁及圍檁設計計算。原則為:

(1)采用增量法計算地連墻在各階段的內力和位移，即每階段的特征值為前一階段和本階段特征值之和[11]。

(2)基于彈性支點法[12]，利用理正基坑模塊計算，支撐用鉸支桿模擬計算。基于溫克爾模型，基坑內側土采用彈簧模擬，基床系數(shù)按m法取值。

(3)根據(jù)規(guī)范要求，支撐設計時應考慮臨近建筑物所施加的預應力。

經過上述計算，本文所研究的基坑支護采用1.2 m厚的地連墻與六道支撐結構進行防護。其中第一道支撐采用鋼筋混凝土材料，間距3 500 mm，第二、三道支撐采用鋼結構支撐，間距2 000 mm，第四、五、六道支撐采用鋼筋混凝土，間距3 500 mm。各支撐截面尺寸如表2所示。地連墻采用的配筋形式為:沿墻的深度方向配筋為HRB400 φ22 mm@200 mm；沿墻的縱向方向配筋為HRB400 φ32 mm@150 mm。理正計算結果表明，最大水平位移為23.1 mm，最終沉降為26.0 mm。

圖1匯總了原設計1.2 m厚地連墻支護的現(xiàn)場監(jiān)測得到的基坑最大沉降和最大水平位移。結果表明:最大水平位移發(fā)生在基坑長邊的中點處，最大值為13.2 mm；最終最大沉降為5.1 mm?？梢钥闯觯瑢崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)結果要小于理正計算結果。導致這一現(xiàn)象的原因主要是由于傳統(tǒng)設計方法無法考慮地連墻和支撐體系的整體性能，計算結果偏保守，導致材料浪費。

圖1 最大水平位移與沉降量

理正計算中忽略了支護結構和圍巖體的共同變形，這與實際情況不符。為此在水平土壓力計算中需進行折減。綜合以上分析，由于基坑長度和寬度尺寸接近，且深度遠大于水平尺寸，巖土體空間整體效應明顯，需要考慮水平土壓力折減，從而實現(xiàn)地連墻設計優(yōu)化。

4 數(shù)值模擬與優(yōu)化分析

4.1 模型建立

為得到結構的最優(yōu)設計方案，本文采用有限元軟件進行深入分析，構建深基坑開挖支護三維模型。模型尺寸與實際情況一致。為減小計算量，在保證計算精度前提下，計算范圍擴大3倍以保證邊界效應不會對計算結果造成誤差。

此外，工程中的土層是不均勻的且各層厚度不同，如果嚴格按照實際情況計算，勢必導致工作量過大。本文為計算方便，做了一定的簡化處理，假定土層的厚度相同且為平均厚度。數(shù)值模擬對土體及巖體均采用理想的線彈性本構模型(M-C本構)，開挖采用空模型，支撐結構用Beam單元模擬，支護結構和巖土體的物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)取值

根據(jù)前文中規(guī)范給出的基坑變形標準，在數(shù)值模型中設置豎向和水平位移監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)讀取，一旦最大沉降量大于55.5 mm或水平位移大于30 mm，可認為結果不滿足安全要求。

4.2 結果與分析

為優(yōu)化地連墻厚度，本節(jié)計算了地連墻分別為1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6 m 工況下的基坑的內力與變形。

圖2匯總得到了地連墻厚度為1.2 m時，基坑的水平位移云圖，結果表明，基坑的最大水平位移為18.6 mm。在支護結構中點，深度為0.6至38 m范圍內設置水平位移監(jiān)測點，各監(jiān)測點坐標如下:A1(－7.3，1，37.16)；A2(－7.3，1，31.16)；A3(－7.3，1，25.16)；A4(－7.3，1，19.16)；A5(－7.3，1，13.16)；A6(－7.3，1，7.16)；A7(－7.3，1，1.16)。計算匯總各監(jiān)測點的水位位移見圖3。結果表明，隨著開挖的進行，水平位移的數(shù)值呈階梯型增大，基坑內位移最大值隨著深度的減小先增大后降低。水平位移的最大值位于地面以下24 m處，且各監(jiān)測點均滿足安全性要求。

圖2 1.2 m地連墻工況時水平方向位移云圖

圖3 1.2 m地連墻工況時水平方向位移

進一步對支護結構尺寸進行優(yōu)化計算，得到了不同厚度地連墻的水平位移和豎向位移(見表4)，結果表明:隨著墻體的厚度減小，最大水平位移和最大豎向位移均增加。

表4 不同厚度地連墻變形結果

但豎向沉降均小于規(guī)范規(guī)定的50 mm。此外，地連墻厚度由1.2 m下降至0.8 m時，基坑的水平位移均小于30 mm，進一步減小墻體厚度時，最大水平位移超過30 mm，不滿足安全性規(guī)定。因此，根據(jù)本文的計算，在墻體厚度大于0.8 m時，地連墻及內部各部件均滿足強度和變形規(guī)定。因此0.8 m地連墻厚度為設計最優(yōu)方案。

4.3 最優(yōu)設計方案模擬結果

綜合上文的計算，進一步分析當?shù)剡B墻厚度可由1.2 m減小至0.8 m時結構的內力及變形。得到最優(yōu)方案的墻體剪應力云圖(見圖4)。結果表明，墻體最大剪應力出現(xiàn)的位置為結構長度方向的底部。進一步計算地連墻截面配筋設計，當?shù)剡B墻厚度為0.8 m時，得到單位面積混凝土縱向鋼筋較原設計可減小22.5%。根據(jù)縱筋配筋方法，最優(yōu)設計中縱向鋼筋優(yōu)化為HRB400 φ32 mm@200 mm，沿墻深度方向不進行優(yōu)化。此外，由于內部支撐對基坑水平位移影響較小，模擬中不考慮支撐方案優(yōu)化與計算。

圖4 0.8 m地連墻結構最大剪應力云圖

5 結果評價

5.1 安全性評價

為驗證最優(yōu)方案的安全性，對最優(yōu)設計方案進行數(shù)值模擬計算。最優(yōu)方案中地連墻厚度為0.8 m。設置水平位移監(jiān)測點坐標同上，再設置8個豎向位移監(jiān)測點，各監(jiān)測點的坐標為:B1(－8.1，0，37.16)；B2(－9.1，0，37.16)；B3(－10.1，0，37.16)；B4(－11.1，0，37.16)；B5(－12.1，0，37.16)；B6(－13.1，0，37.16)；B7(－14.1，0，37.16)；B8(－15.1，0，37.16)。最終得到各監(jiān)測點的位移結果如圖5和圖6所示。結果表明，位于結構中下部的位置產生最大水平變形，而沉降值最大的位置發(fā)生在結構頂部中點。此外，整個開挖施工過程中，水平位移和豎向位移的最大值均滿足規(guī)范安全性要求。

圖6 0.8 m地連墻監(jiān)測點沉降

5.2 經濟性評價

對不同地連墻設計方案進行工程量匯總，得到混凝土、鋼筋、土石方開挖等項目的最終工程量(見表5)。進一步進行造價計算得到1.2 m和0.8 m厚度地連墻方案的總造價費用對比柱狀圖如圖7所示。結果表明，與1.2 m地連墻相比，最優(yōu)方案混凝土量減小33.3%，鋼筋總量減小22.5%，表明本文提出的最優(yōu)方案可顯著減小工程總造價。圖7匯總了工程量總費用，結果表明，費用減幅最小的是鋼筋制作及安裝，合計減小22.1%。費用減幅最大的是挖土方造價，合計減小34.5%。經過造價計算，1.2 m地連墻方案總費用共2 200萬元，而0.8 m地連墻最優(yōu)方案總造價僅為1 928萬元，經濟效益非常顯著。

表5 不同厚度地連墻方案工程量對比

圖7 不同厚度地連墻方案費用對比

6 結論

以長沙市湘雅越江隧道盾構接收井基坑及地連墻為研究對象，通過數(shù)值模擬開展了基坑支護結構變形特征分析，主要獲得以下幾點結論:

(1)以理正為代表的傳統(tǒng)基坑支護結構設計沒有考慮圍巖與結構的整體效應，計算結果相對保守，會造成材料浪費。

(2)通過數(shù)值模擬對地連墻的厚度計算分析，當?shù)剡B墻墻體厚度由1.2 m減小到0.8 m時，縱向受力鋼筋面積減小22.5%，且結構完全滿足規(guī)范安全性要求。

(3)對不同墻厚的工程造價對比分析表明，本文提出的優(yōu)化方案工程總造價可減小12.4%，經濟效益顯著。