王運周，王夢佳

1.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳，518052；2.南昌大學(xué) 工程建設(shè)學(xué)院，江西南昌，330031

0 引言

由于基坑工程固有的特性以及人們認(rèn)識上存在的偏差，使得基坑事故居高不下。特別是對超深基坑，在施工前對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行預(yù)測，對基坑施工安全至關(guān)重要。在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行預(yù)測方面有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。任建喜等[1]研究深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)樁頂水平位移受到基坑深度和暴露時間的影響，基坑開挖深度越大、暴露時間越長，樁頂水平位移越大；平揚等[2]綜合考慮圈梁和排樁對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，使得樁身位移數(shù)據(jù)模擬結(jié)構(gòu)更符合實際情況；楊光華等[3]利用經(jīng)典朗肯理論，通過使用增量法分析支撐軸力和支撐剛度、土體條件、基坑開挖順序等的關(guān)系；曲力群等[4]使用尼龍棒和扁鋼模擬支護(hù)樁和樁頂圈梁，通過改變?nèi)α撼叽缪芯咳α号c樁的協(xié)同作用，指出圈梁和樁的剛度比為2～3時對于基坑的維穩(wěn)效果最佳；崔允亮[5]利用有限元軟件ADINA模擬基坑開挖過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過改變排樁的相關(guān)數(shù)據(jù)研究排樁變形的影響因素，最終得出，在一定范圍內(nèi)排樁的樁長和樁徑對排樁的剛度影響較大；葉萬靈[6]通過實際施工數(shù)據(jù)和理論計算得出，圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)具有隨時間變化的時空效應(yīng)，引起這種效應(yīng)的部分原因為混凝土的徐變和收縮，因此使用早強(qiáng)劑和分批開挖、分批澆筑的方法能夠減小支撐的變形程度；李云安等[7]運用SDCDEFEM有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)，模擬基坑開挖過程相關(guān)數(shù)據(jù)，得出基坑變形與施加于錨桿的預(yù)應(yīng)力或內(nèi)支撐的道數(shù)關(guān)系較大；張顯飛[8]針對深圳某深基坑，運用巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC，研究內(nèi)支撐和支護(hù)樁對基坑變形的影響規(guī)律；溫兆東[9]同樣使用FLAC有限元軟件結(jié)合成都某地鐵實際施工數(shù)據(jù)，計算得到樁頂水平位移和樁體自身受力之間的關(guān)系；翟永亮[10]使用彈性地基梁m法結(jié)合鄭州某地鐵車站實際施工，計算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，總結(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和支撐軸力之間的關(guān)系；劉建威[11]運用理正深基坑軟件和MIDAS軟件模擬鄭州某基坑工程，并與實際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析不同支撐形式的內(nèi)部軸力和對基坑變形產(chǎn)生的影響；范炳杰[12]以上海某地鐵車站的基坑工程為例，運用有限元法，通過修改支護(hù)體系相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)支撐接頭；張中龍[13]通過分析深基坑支護(hù)特征和水理特性在設(shè)計計算、空間效應(yīng)、土體取樣及參數(shù)選擇等方面提出相關(guān)注意和方法，進(jìn)而提升深基坑支護(hù)設(shè)計水平；鄭剛[14]通過群控效應(yīng)離心機(jī)試驗研究深基坑中樁的變形對周邊建筑物和地表沉降的影響，并以此優(yōu)化基坑施工的控制；Yu Long Cheng[15]將地鐵車站深基坑工程分為4個工況，通過FLAC3D模擬基坑變形情況以及不同支撐體系的支撐效果，分析支撐結(jié)構(gòu)變形、軸向力、沉降規(guī)律等，為深基坑的設(shè)計和施工方案提出建議；李煜峰等[16]以上海某軟土地區(qū)深基坑項目為例，設(shè)計施工方案、支護(hù)體系、鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)等，計算地下連續(xù)墻的側(cè)向位移以及支撐體系下基坑的沉降，為軟土地區(qū)深基坑的設(shè)計和施工提供參考。

雖然已有諸多學(xué)者結(jié)合不同計算方法和不同實際工程對基坑開挖過程中的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計算，但不同地區(qū)所存在的地層、水位以及地上建筑等因素的差異使得基坑施工和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需因地制宜。以南昌地鐵四號線壇子口站超深基坑為例，采用三維有限元軟件模擬基坑施工過程支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形規(guī)律，分析不同內(nèi)支撐布置對支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形影響，提出適合該地區(qū)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 工程概況

南昌地鐵四號線壇子口站位于規(guī)劃道路江電路正下方，井岡山大道西側(cè)，車站呈東西走向。本站為地下四層島式站臺車站，有效站臺中心里程為SK24+550.145，車站起點里程為SK24+350.800，終點里程為DK24+617.145，車站主體結(jié)構(gòu)凈長266.345m，有效站臺中心里程處凈寬20.3m，端頭井凈寬為東側(cè)24m、西側(cè)28m。有效站臺中心處基坑開挖深度為29.55m，頂板覆土約為2.88m。東西端頭井開挖深度分別為30.086m、31.81m。該基坑為典型的狹長形基坑。

該站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm厚地下連續(xù)墻，其良好的整體性及防滲性可有效控制地面沉降及變形。地下連續(xù)墻總長度611.166m，共計105幅，接頭采用工字鋼接頭?；炷翞镃25混凝土（見圖6）。

車站標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井沿基坑深度方向均設(shè)置5道支撐，其中標(biāo)準(zhǔn)段第1道為800×1000混凝土支撐，水平支撐間距為9m，第2、5道為Φ609鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距均約為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為9m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m；端頭井處第1道為800×1000混凝土支撐，支撐間距為5m，第2道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為5m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），第5道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐間距約為3m。支撐剖面如圖1。

圖1 基坑支撐剖面

2 有限元模擬

2.1 模擬工況

使用有限元軟件PLAXIS 3D對上述施工方案相應(yīng)簡化后進(jìn)行模擬，模擬方案為：第1道為800×1000混凝土支撐，支撐間距為9m，第2、5道為Φ609鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐間距均約為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為9m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m，鋼支撐施加500kN預(yù)應(yīng)力。有限元模擬計算工況為：

工況1：初始應(yīng)力場計算；

工況2：地下連續(xù)墻施工、開挖坑內(nèi)土至冠（腰）梁及支撐底；施作第一道混凝土支撐及頂圈梁；

工況3：開挖至第2道鋼支撐下，施作第2道鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力；

工況4：開挖至第3道混凝土支撐下，施作第3道混凝土腰梁及混凝土支撐；

工況5：開挖至第4道鋼支撐下，施作第4道鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力；

工況6：開挖至第5道鋼支撐下，施作第5道鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力；

工況7：開挖至基坑底。

換撐及拆撐不是最危險工況，不進(jìn)行模擬。

2.2 模擬尺寸及參數(shù)選取

模型x、y、z方向分別取140m×400m×40m，地層從上至下依次為：素填土、粉質(zhì)粘土、粗砂、礫砂、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。土體采用HSS模型，即小應(yīng)變土體硬化模型；巖體、鋼筋混凝土梁及鋼管支撐采用線彈性模型。各土體參數(shù)如表1?？油馑蝗?9.21m。巖土體、連續(xù)墻采用實體單元，支撐梁、冠梁、腰梁及立柱均采用梁單元。

表1 土體參數(shù)

另外，混凝土支撐彈性模量為30GPa，Φ800鋼支撐彈性模量為210GPa，Φ609鋼支撐彈性模量為206GPa。地面超載按標(biāo)準(zhǔn)值20kPa計算。

2.3 有限元模擬結(jié)果

有限元軟件模擬施工方案支撐體系的結(jié)構(gòu)為“砼-鋼-砼-鋼-鋼”，模型結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”模型結(jié)構(gòu)

（1）整體位移模擬分析。圖3、圖4為計算模型水平、豎向位移云圖。可以看出最大水平位移達(dá)24.90mm，最大地表沉降量為2.84mm，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）表9.2.1-1和車站主體結(jié)構(gòu)的基坑變形保護(hù)等級確定：地面最大沉降量應(yīng)＜0.15%H且＜30mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移應(yīng)＜0.15%H且＜30mm，該方案模擬結(jié)果滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移控制值（圖5）。

圖3 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”水平位移

圖4 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”地表沉降

圖5 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”標(biāo)準(zhǔn)段地表沉降縱剖圖

（2）監(jiān)測點位移分析。在地下連續(xù)墻位置選擇4個水平位移監(jiān)測點（WY1、WY11、WY20、WY22），其中WY11、WY20位于標(biāo)準(zhǔn)段中間，WY1、WY22位于端頭井處各一個；另外為分析地表沉降，監(jiān)測了端頭及標(biāo)準(zhǔn)段中點WY1、WY4及WY20位置分別沿所在基坑邊的垂線向外延伸距離依次為2m、5m、7m、8m（如圖6）。

圖6 模擬監(jiān)測點位置

圖7為開挖至基坑底后沿墻深方向水平位移分布?？梢钥闯鲇邢拊M結(jié)果與實際監(jiān)測規(guī)律相吻合，但比實測略小，說明模擬正確。無論從實測還是模擬結(jié)果看，水平位移均隨著深度的增加而增大，同時，由于第3道支撐采取了混凝土支撐，其剛度較大，水平位移曲線于第3道支撐附近減小，使變形曲線呈現(xiàn)雙駝峰狀，WY11點較為明顯，體現(xiàn)了第3道鋼筋混凝土支撐的剛度增加效果。

圖7 沿墻深方向水平位移分布

不管是端頭還是標(biāo)準(zhǔn)段墻體最大水平位移不超過30mm，大致發(fā)生在23m深處，約為0.76H，在第4、5道支撐之間；由于第3道支撐為鋼筋混凝土支撐，其剛度較大，控制變形能力較強(qiáng)，而第4、5道支撐為鋼支撐，該位置土壓力也大，加之剛度相對較小，變形就相對較大。

圖8為坑外地表沉降變形規(guī)律。從數(shù)值模擬及實測結(jié)果均可看出地表沉降呈現(xiàn)拋物線型，最大沉降發(fā)生在距離坑邊5m左右，值為5mm，均較小，最大沉降約為最大水平位移的0.25倍。

圖8 坑外地表沉降規(guī)律

兩個端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段相比，標(biāo)準(zhǔn)段中間部分變形相對小些。因此，實際施工過程中應(yīng)更加注重端頭井的支撐加固和維護(hù)，確保施工安全。

從支撐軸力看，標(biāo)準(zhǔn)段第1道～第5道支撐最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1099kN、2028kN、12501kN、4446kN及2011kN；端頭井第1道～第5道支撐最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值1382kN、2890kN、10751kN、3527kN及1951kN。計算結(jié)果表明第3道支撐軸力遠(yuǎn)大于其他支撐，即地面以下14m處，約為基坑總深的1/2處。因此在設(shè)計施工方案時應(yīng)在第3道支撐進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，選擇混凝土支撐可有效減小施工過程中支撐體系的變形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3 豎向不同內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)對基坑變形影響

為了分析豎向不同內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，對比了兩種內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)方案。

對比方案1：將施工方案的第3道混凝土支撐改為鋼支撐，鋼支撐間距、尺寸同第4道，其他均不變。

對比方案2：將施工方案的第4道鋼支撐改為混凝土支撐，混凝土支撐間距、尺寸同第3道，其他均不變。

對比方案1在模擬開挖施工過程第6道工序，即完成第5道鋼支撐后，基坑內(nèi)支撐發(fā)生破壞，有限元模擬破壞形式如圖9，整體結(jié)構(gòu)不再收斂，計算過程無法進(jìn)行。第3道混凝土支撐改為鋼支撐基坑產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，加強(qiáng)第3道支撐剛度至關(guān)重要。

圖9 “砼-鋼-鋼-鋼-鋼”體系破壞結(jié)果

對比方案2計算結(jié)果云圖見圖10-圖12?？梢钥闯鲎畲笏轿灰萍s18.4mm，最大地表沉降為1.2mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移比施工方案可減小25%左右。

圖10 “砼-鋼-砼-砼-鋼”水平位移結(jié)果

圖11 “砼-鋼-砼-砼-鋼”地表沉降結(jié)果

圖12 “砼-鋼-砼-砼-鋼”標(biāo)準(zhǔn)段地表沉降縱剖圖

提取對比方案2關(guān)于前文3個監(jiān)測點的連續(xù)墻水平變形數(shù)據(jù)，將其與施工方案模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如圖13。對比方案2的第4道鋼筋混凝土支撐比施工方案的第4道鋼支撐強(qiáng)度高，整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均有所減小，如對周邊環(huán)境要求嚴(yán)格，第4道支撐采用鋼筋混凝土支撐可以有效減小變形。

圖13 沿墻深方向水平位移分布

圖14為坑外地表沉降變形規(guī)律。從數(shù)值模擬結(jié)果可看出地表沉降亦呈現(xiàn)拋物線型，最大沉降發(fā)生在距離坑邊5m左右，最大值亦有減小。

圖14 坑外地表沉降對比

4 結(jié)論

本文以南昌軌道交通四號線壇子口站深基坑工程為例，運用PLAXIS 3D有限元軟件模擬基坑施工下地下連續(xù)墻的位移及地表沉降規(guī)律，并將模擬變形與實際監(jiān)測對比，分析了豎向不同內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)對基坑變形影響，得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)深基坑支護(hù)設(shè)計方案，計算得到地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移24.9mm，滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移應(yīng)＜0.15%H且＜30mm要求；最大水平位移大致發(fā)生在23m深處，約為0.76H倍。

（2）坑外地表沉降呈現(xiàn)拋物線型，最大沉降發(fā)生在距離坑邊5m左右，值為5mm，均較小，最大沉降約為最大水平位移的0.25倍。

（3）第3道支撐的軸力最大，該支撐約位于深基坑的1/2處，加強(qiáng)第3道支撐強(qiáng)度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。

（4）第4道鋼支撐如替換為鋼筋混凝土支撐，地連墻水平位移可減小25%，地表最大沉降亦可減小。第4道支撐采用鋼筋混凝土支撐可以有效減小支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形。（5）有限元數(shù)值模擬變形結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢較吻合，說明采用HHS模擬深基坑施工可行，可為其他地鐵車站深基坑支撐體系的模擬計算提供參考。