張俊杰，高林靜，范兆東，郭偉軒，李文杰

(1. 中鐵十五局集團城市建設(shè)有限公司，河南 洛陽 471013；2. 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；3. 中鐵十九局集團有限公司，北京 100176)

0 引言

城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致深基坑工程不斷增加，開挖規(guī)模不斷擴大，呈現(xiàn)出“大、緊、近、深”等特點[1]，不僅導(dǎo)致施工風(fēng)險增大和施工工期緊張，而且引發(fā)的環(huán)境問題也日益突出[2]。地鐵基坑相較于傳統(tǒng)的房屋建筑基坑具有“開挖深度大、長寬比大、支護要求高”等特點[3]，因此研究地鐵狹長深基坑變形規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對基坑開挖性狀及對周邊環(huán)境影響問題進行廣了泛研究。文獻[6]和文獻[7]通過收集現(xiàn)場實測資料，從統(tǒng)計角度系統(tǒng)分析了基坑開挖后，墻后地表變形性狀。文獻[8]通過調(diào)整基坑開挖深度和尺寸來探究空間效應(yīng)對基坑開挖圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，提出控制基坑開挖臨界尺寸可減小圍護結(jié)構(gòu)變形，提高施工效率和保障基坑開挖的穩(wěn)定性。文獻[9]采用數(shù)值模擬、反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和現(xiàn)場監(jiān)測等多種方法，來探究深基坑開挖變形規(guī)律，進而提出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對基坑開挖進行動態(tài)預(yù)測，且通過數(shù)值模擬可檢驗基坑設(shè)計方案的安全性和經(jīng)濟性。文獻[10]基于Winkler地基模型和樁-土變形協(xié)調(diào)條件，采用兩階段方法求解單樁水平位移控制方程，研究基坑開挖對鄰近樁基的影響。文獻[11]采用有限元軟件探究基坑開挖對鄰近邊坡的影響，并采取坡頂加微型樁、坡腳加微型樁固腳、支護樁間加錨索等加固措施來預(yù)防邊坡及坡頂建筑物變形。文獻[12]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對樁撐、樁錨、板肋、地表沉降變形特性進行分析，提出該基坑工程支護設(shè)計方案滿足設(shè)計和周邊環(huán)境的要求。此外，國內(nèi)眾多學(xué)者[13-19]對軟土地區(qū)基坑特性進行了大量研究，取得了豐厚的成果。文獻[20]通過收集不同支護形式下基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出圍護結(jié)構(gòu)和地表沉降變形規(guī)律。文獻[21]和文獻[22]通過現(xiàn)場工程實例分析寬大基坑角效應(yīng)對地表沉降變形的影響情況，提出坑角位置處的基坑變形及地表沉降量最小的結(jié)論。

以上研究內(nèi)容主要集中于一般的寬大型深基坑開挖力學(xué)性能分析，而對于復(fù)雜環(huán)境下狹長深基坑開挖變形性狀和變形控制措施研究較少。本文依托洛陽龍門地鐵車站狹長深基坑工程，運用MidasGTS/NX有限元數(shù)值模擬軟件，通過對基坑長短邊圍護結(jié)構(gòu)及基坑周邊土體沉降變形特性進行對比分析，總結(jié)基坑變形規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，所得結(jié)論可為類似狹長深基坑工程施工和圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

圖1 地鐵車站現(xiàn)場明挖局部施工

洛陽地鐵2號線龍門地鐵車站，位于洛龍區(qū)通衢路19號，地鐵車站呈南北不規(guī)則長條矩形分布，地鐵左線起訖里程為CK21+849.574～CK22+471.396，全長621.822 m；地鐵右線起訖里程為CK21+811.66～CK22+477.904，全長621.822 m。車站結(jié)構(gòu)為地下二層島式站臺，車站主體及附屬結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，車站標(biāo)準(zhǔn)段平均寬度約為25.1 m，盾構(gòu)端頭井段北側(cè)寬度44.21 m、南側(cè)寬度26.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為18 m，盾構(gòu)井段開挖深度為21.3 m，地鐵車站現(xiàn)場明挖局部施工圖如圖1所示。

1.2 支護結(jié)構(gòu)

車站基坑支護體系由5部分組成：圍護樁、內(nèi)支撐、立柱、冠梁及腰梁。圍護樁為鉆孔灌注樁，樁長25 m，樁徑為1.2 m，樁間距為1.5 m，內(nèi)支撐體系分為對撐和斜撐，第1道支撐為混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×900 mm，第2、3、4道支撐為鋼支撐，鋼支撐外徑為800 mm，壁厚為12 mm；第1道混凝土支撐水平間距為10 m，其他3道鋼支撐水平間距為6 m，豎直方向上，第1、2道支撐間距為5.5 m，第2、3、4道鋼支撐相鄰之間豎向間距為4 m，第4道鋼支撐到基坑底部距離為3.5 m；材質(zhì)為C30混凝土的立柱長為23 m，矩形截面尺寸600 mm×600 mm，立柱基礎(chǔ)為直徑1 200 mm的樁孔灌注樁；冠梁及腰梁斷面尺寸均為900 mm×1 400 mm，材質(zhì)為C30混凝土。

2 有限元模型建立

2.1 模型力學(xué)參數(shù)選取

圖2 圍護樁剛度折算簡圖

依據(jù)基坑工程手冊中的等效剛度理論將樁體剛度進行折算，折算簡圖如圖2所示，將鉆孔灌注樁等效成圍護墻進行計算[1]：

(1)

(2)

其中：D為樁間距，mm；d為鉆孔灌注樁直徑，mm；h為折算后圍護墻厚度，mm。將數(shù)值代入上式中得h約為768 mm。

各地層通過3D實體單元模擬，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土層地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

2.2 模型建立

基于洛陽地鐵車站工程實例的幾何尺寸及材料參數(shù)，運用Midas-GTS/NX有限元軟件建立三維地鐵車站深基坑開挖有限元模型，模型尺寸長×寬×高為1 200 m×440 m×60 m，基坑尺寸長×寬×高為621.822 m×44.21 m(26.4 m)×25 m，模型節(jié)點數(shù)為229 716，單元數(shù)為216 645，模型底部設(shè)置為固定約束，頂部設(shè)置為自由邊約束，約束住4個側(cè)面的法向位移。地鐵車站深基坑整體有限元模型如圖3所示，地鐵車站支護結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

圖3 地鐵車站深基坑整體有限元模型

圖4 地鐵車站支護結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 施工模擬步驟

具體施工模擬步驟如下：(Ⅰ)建立實體模型，劃分網(wǎng)格，施加位移邊界條件；(Ⅱ)初始位移場平衡，位移清零；(Ⅲ)按照基坑開挖的施工順序，依次激活施工圍護結(jié)構(gòu)、立柱、立柱樁基礎(chǔ)、冠梁、腰梁及內(nèi)支撐，鈍化開挖土體，直至開挖至坑底。

表2 開挖步驟

地鐵車站基坑開挖采用明挖法，圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護體系，模擬車站基坑施工的不同施工開挖步驟見表2。

3 計算結(jié)果分析

3.1 樁體水平位移變形分析

圖5為基坑開挖至坑底時，樁體水平位移云圖。由圖5可知：樁體水平位移呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的變形趨勢，越靠近基坑短邊位置，樁體水平位移變形就越?。环粗?，越靠近基坑長邊方向變形就越大，最大變形發(fā)生在基坑長邊中部位置。

圖5 開挖5樁體水平位移云圖

基坑長邊方向和短邊方向樁體水平位移變形曲線如圖6所示。由圖6可知：在基坑開挖初期，由于外側(cè)主動土壓力的作用，兩個方向樁體水平位移變形均呈現(xiàn)出向坑內(nèi)前傾的變化趨勢，變形形式為懸臂式，在樁頂處水平位移值分別達到最大值3.45 mm、2.15 mm。隨著開挖2的進行，樁體水平位移逐步增大，最大值均由樁頂位置下移到第2道鋼支撐與開挖面之間，兩個方向樁身水平位移變形由“懸臂式”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮亩菭睢保@是由于鋼支撐的架設(shè)使得樁體水平位移值逐漸降低，致使樁體位移前傾逐漸變?yōu)椤肮巍薄Ｓ砷_挖3至開挖5，在鋼支撐頂推作用下，樁體受到約束，兩個方向樁體最大水平位移呈下移趨勢，最終穩(wěn)定在0.62H～0.78H，其中H為基坑開挖深度。從圖6還可以看出：在樁深一致時，長邊方向樁體水平位移明顯大于短邊方向，且隨著開挖深度的增加，樁體位移變形不斷增大，開挖結(jié)束時，兩個方向最大樁體水平位移值分別達到11.88 mm、8.21 mm。

(a) 基坑長邊樁體水平位移

3.2 樁體豎向位移變形分析

圖7 樁體豎向位移變形曲線

圖7為樁體豎向位移變形曲線，正值代表樁體隆起，負(fù)值代表樁體沉降。由圖7可以看出：兩個方向的樁體豎向位移變形規(guī)律曲線具有一致性，在基坑開挖初期，兩個方向樁體均產(chǎn)生豎向沉降，最大沉降值分別為6.25 mm和3.51 mm。隨著開挖2、開挖3的推進，周圍土體開始帶動兩個部位的樁體產(chǎn)生向上隆起位移，隆起量呈線性增長，但在架設(shè)好鋼支撐后，兩個方向的樁體隆起變形開始逐漸趨于穩(wěn)定。

但隨著開挖4的進行，兩個方向的樁體隆起量不再增加，這說明基坑在開挖初期，坑內(nèi)土體與樁體之間的接觸面積很大，土體對樁身上部產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，使得樁體開始向下沉降，但隨著開挖深度的不斷增加，土體與樁體之間的接觸面積逐漸減小，土體對樁體的負(fù)摩阻力從而不斷降低，側(cè)摩阻力以正摩阻力發(fā)揮，樁身開始向上隆起變形，后期由于側(cè)摩阻力達到了極限摩阻力值，使得樁體隆起量不再增加。由圖7還可以看出：在基坑開挖初期，樁體豎向位移表現(xiàn)的空間效應(yīng)不太明顯，但隨著開挖深度的增加，空間效應(yīng)愈發(fā)顯著，波動幅度不斷增大，在整個開挖過程中，兩個方向樁體豎向位移最大隆起量分別達到13.78 mm、10.56 mm，最大差異值達到3.22 mm。

3.3 樁體內(nèi)力變形分析

基坑長邊方向和短邊方向樁體彎矩如圖8所示。由圖8可知：在基坑開挖初期，樁體處于懸臂狀態(tài)，開挖面以下的土抗力平衡上部土壓力，樁體彎矩在土壓力作用下，呈現(xiàn)“兩端小，中間大”的變化形態(tài)。隨著開挖與支撐的交替進行，樁體受力發(fā)生了明顯變化，樁體彎矩呈現(xiàn)出螺旋的“S”形。

這是因為樁體有了支撐作用，同時受到基坑外側(cè)的土壓力與開挖面內(nèi)側(cè)以下的土抗力的合力作用，樁體彎矩在支撐位置發(fā)生突變。由圖8還可以看出：基坑長邊樁體彎矩在不同施工階段下，最大值各為146.47 kN·m、444.75 kN·m、851.34 kN·m、890.21 kN·m、1 288.38 kN·m，短邊方向最大彎矩值分別達到66.15 kN·m、377.45 kN·m、644.67 kN·m、705.13 kN·m、851.49 kN·m，長邊方向最大彎矩值是短邊的1.51倍，最大彎矩波動幅值達到33.91%，出現(xiàn)基坑長邊彎矩大于基坑短邊的現(xiàn)象。

(a) 基坑長邊方向樁體彎矩

3.4 土體沉降變形分析

圖9為開挖至坑底時基坑周邊土體沉降云圖。由圖9可知：開挖至坑底時基坑周邊土體最大沉降量達到26.86 mm。基坑長邊方向和短邊方向土體沉降曲線如圖10所示。由圖10可知：兩個方向土體沉降曲線變形均呈中部下凹的“勺子”形，土體最大沉降量未發(fā)生在坑外樁后位置，長邊方向最大沉降位于距坑邊約15 m處，短邊約為10 m處。

圖9 開挖5基坑周邊土體沉降

(a) 基坑長邊方向土體沉降曲線

這說明土體沉降量隨著與樁后距離的增加而逐步上升，之后隨著與樁后距離的進一步增加，基坑周邊土體沉降幅度逐步降低，最后逐漸趨近于0。這是由于土體與圍護樁之間具有一定的摩擦力，兩者之間的摩擦力限制了基坑周邊土體沉降，使得基坑開挖面周邊土體由一開始的無限體彈性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘霟o限體彈性狀態(tài)，在彈性收縮的作用下，土體會產(chǎn)生遠離基坑方向的運動趨勢，故基坑周邊土體最大沉降量離基坑有一定距離。針對周邊具有重要構(gòu)筑物的基坑，必須及時采取有效防護措施，降低基坑不均勻沉降的影響范圍，從而保證周邊構(gòu)筑物的安全性。

4 圍護結(jié)構(gòu)變形控制影響因素分析

在基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于基坑變形控制主要有兩方面：一是設(shè)計因素，即通過調(diào)整圍護結(jié)構(gòu)的剛度、嵌固深度及支撐架設(shè)位置來達到控制基坑變形的目的；二是施工因素，通過加強施工管理質(zhì)量和改善施工方法來減小支護結(jié)構(gòu)變形。本文通過數(shù)值計算結(jié)果得到由于空間效應(yīng)的影響，基坑長邊方向范圍內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)變形明顯大于短邊方向，故從設(shè)計因素的角度去探究不同圍護樁嵌固深度和鋼支撐架設(shè)位置對基坑長邊圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，對指導(dǎo)實際工程施工具有重要的意義。

4.1 圍護樁嵌固深度的影響

保持鋼支撐架設(shè)位置不變，研究4 m、6 m、8 m、10 m這4種不同樁體嵌固深度并與原設(shè)計工況7 m進行對比分析，探究不同嵌固深度對樁體水平位移的影響。

圖11為不同嵌固深度樁體水平位移。由圖11可知：5種不同嵌固深度下樁體最大水平位移各為15.12 mm、13.87 mm、12.91 mm、12.56 mm、12.34 mm。樁體嵌固深度由4 m過渡到7 m時，樁體水平位移有明顯減小趨勢，但由7 m增加到10 m時，位移減小趨勢逐漸放緩，對樁體變形控制效果減弱，若繼續(xù)增加嵌固深度對減小樁體變形作用不大，也會造成成本浪費，增加施工難度。通過對比5種支護樁體的變形情況可知，本文設(shè)計的支護樁長度較為合理。

4.2 鋼支架設(shè)位置的影響

保持樁體嵌固深度不變，調(diào)整第3道鋼支撐架設(shè)位置，分析不同鋼支撐架設(shè)位置對樁體水平位移變形的影響。

圖12為不同鋼支撐位置樁體水平位移。由圖12可知：樁體水平位移對鋼支撐架設(shè)的位置比較敏感，第3道鋼支撐下移0.5 m時，相較于原設(shè)計工況，最大樁體水平位移有明顯減小的趨勢，同樣鋼支撐位置上移0.5 m時，最大樁體水平位移明顯增大，3個不同架設(shè)位置處最大水平位移各為11.87 mm、12.91 mm、13.45 mm。

圖11 不同嵌固深度樁體水平位移

圖12 不同鋼支撐位置樁體水平位移

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比與現(xiàn)場實施效果

5.1 基坑長邊方向樁體水平位移對比分析

圖13為基坑長邊方向樁體水平位移對比。由圖13可知：樁深一致時，兩組數(shù)據(jù)基本接近，現(xiàn)場監(jiān)測樁體最大水平位移值為13.38 mm，數(shù)值模擬值為12.91 mm，兩者相差0.47 mm。數(shù)值模擬值小于現(xiàn)場監(jiān)測值，是由于三維模擬是相對理想化的受力分析結(jié)果，未能充分考慮現(xiàn)場施工過程環(huán)境因素的影響，進而造成數(shù)值存在一定偏差。

5.2 基坑長邊方向土體沉降對比分析

圖14為基坑長邊方向土體沉降對比。由圖14可知：兩條土體沉降變形曲線軌跡基本一致，吻合程度良好，且土體沉降曲線均呈現(xiàn)中部下凹的“勺子”形，距基坑約為15 m處，模擬值與監(jiān)測值土體沉降均達到最大值，沉降值分別為17.25 mm、17.69 mm，兩者相差0.44 mm，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖13 基坑長邊方向樁體水平位移對比

圖14 基坑長邊方向土體沉降對比

5.3 現(xiàn)場基坑支護實施效果

圖15 現(xiàn)場基坑支護局部效果圖

為控制圍護結(jié)構(gòu)變形，保證施工過程的安全性，本工程分別從設(shè)計因素和施工因素兩方面進行綜合考慮。在設(shè)計方面綜合現(xiàn)場實際情況，采取合理的圍護樁+鋼支撐的基坑支護形式，且選用的樁體嵌固深度和鋼支撐架設(shè)位置對控制圍護結(jié)構(gòu)變形起到較好的控制效果；在現(xiàn)場施工方面注重基坑開挖過程中的時空效應(yīng)，嚴(yán)格遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的十六字方針，進而保證工程的順利實施?，F(xiàn)場基坑支護局部效果圖見圖15。

6 結(jié)論

(1)對于狹長深基坑在不同施工階段下，由于空間效應(yīng)的影響，基坑長邊土體沉降及圍護結(jié)構(gòu)變形明顯大于短邊方向。在基坑開挖初期樁體水平位移變形為“懸臂式”，隨著基坑開挖的推進和鋼支撐的架設(shè)，變形由“懸臂式”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮亩菭睢?，兩個部位最大水平位移最終穩(wěn)定在0.62H～0.78H。

(2)開挖初期，樁體處于懸臂狀態(tài)，樁體彎矩呈現(xiàn)“兩端小，中間大”的變形趨勢，后隨基坑開挖與支撐的交替進行，樁體受力發(fā)生變化，樁身彎矩呈現(xiàn)“S”形，兩個方向最大彎矩值各為1 288.38 kN·m、851.49 kN·m。

(3)兩個方向土體沉降曲線均呈中部下凹的“勺子”形，由于土體與樁體之間存在摩阻力，土體最大沉降值未發(fā)生在緊挨著基坑的圍護樁位置，最大沉降量距離基坑有一定的距離，長邊方向最大沉降距坑邊約15 m處，短邊約為10 m處。

(4)樁體水平位移隨著嵌固深度的增加，變形明顯減小，但超過一定的嵌固深度，對樁體變形控制效果減弱，但對鋼支撐架設(shè)的位置比較敏感。在實際施工過程中應(yīng)當(dāng)合理考慮樁體嵌固深度和鋼支撐架設(shè)位置，從而達到控制圍護結(jié)構(gòu)變形的目的。