鄧 旭，鄭 虹，白嘉俊

(1.天津城建大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，天津 300392；2.天津市建筑設(shè)計研究院有限公司，天津 300074)

0 引言

當(dāng)前，根據(jù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市發(fā)展規(guī)劃的要求，大規(guī)模的地下空間得到開發(fā)和利用，這使得深基坑支護(hù)技術(shù)成為一個必須慎重對待和深入研究的課題。隨著基坑工程開挖深度越來越大，場地條件越來越緊張，周邊環(huán)境越來越嚴(yán)苛，水平支撐系統(tǒng)在基坑工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。在天津地區(qū)，經(jīng)過多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，鋼-混凝土環(huán)梁支撐系統(tǒng)因其剛度大、控制變形好，能為土方開挖和主體結(jié)構(gòu)施工提供更為開闊的工作面而廣泛應(yīng)用于各種形狀和體量的基坑支護(hù)體系中[3-5]。

蔣波等[6]通過計算發(fā)現(xiàn)，對于鋼-混凝土環(huán)形內(nèi)支撐方案，適當(dāng)增大環(huán)形梁的尺寸可以有效控制基坑變形，同時結(jié)合合理的土方開挖順序，可使基坑變形更加均勻。許開軍等[7]通過對若干案例的計算和監(jiān)測結(jié)果分析，認(rèn)為環(huán)形支撐的整體受力特性更強(qiáng)，但在設(shè)計中應(yīng)充分考慮周邊環(huán)境、地質(zhì)條件及施工順序等方面因素。同樣，王建中等[8]也認(rèn)為基坑開挖時應(yīng)遵循均衡對稱的原則，以充分發(fā)揮環(huán)形支撐的成拱效應(yīng)，保證其受力比較均勻。

雖然在大面積基坑中，環(huán)形支撐系統(tǒng)比以對撐為主的支撐系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)和方便施工，但是大量的工程實(shí)踐也證明，環(huán)形支撐系統(tǒng)抵御不均衡開挖帶來的不良影響的能力相對較差。在實(shí)際工程中，由于不均衡開挖造成的支撐系統(tǒng)變形過大、混凝土支撐構(gòu)件開裂等事故屢有發(fā)生，這給基坑工程和周邊環(huán)境帶來巨大的安全隱患。

本文采用三維連續(xù)介質(zhì)有限元軟件建立環(huán)形內(nèi)支撐基坑支護(hù)體系模型，分別模擬均衡開挖和不均衡開挖，研究不均衡開挖對基坑支撐系統(tǒng)變形和受力的影響，并據(jù)此進(jìn)一步探討在考慮不均衡開挖的基坑支護(hù)設(shè)計中，如何采取必要的技術(shù)措施，確?；庸こ毯椭苓叚h(huán)境安全。

1 工程概況

天津?yàn)I海新區(qū)某工程場地存在較為深厚的飽和軟黏土層，地下水埋深約為地表以下1.5m。以該工程地質(zhì)條件為背景，剔除各種復(fù)雜因素，建立1個長90m、寬80m、深10m的矩形基坑，采用φ1 100mm@1 300mm的連排灌注樁+單層鋼筋混凝土環(huán)形水平支撐的支護(hù)體系。地質(zhì)條件與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示?；又蜗到y(tǒng)由環(huán)梁+輻射撐+角撐組成，支撐系統(tǒng)布置形式如圖2所示。

圖1 地質(zhì)條件與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Geological conditions and section of foundation excavation support structure

圖2 環(huán)形支撐系統(tǒng)平面Fig.2 Plane of ring bracing system

對于以環(huán)梁為主的支撐系統(tǒng)，均衡開挖通常結(jié)合棧橋采用“島式”開挖，即先均勻開挖基坑周邊環(huán)形支撐系統(tǒng)平面投影位置的土方，再以多臺挖掘機(jī)從周邊向基坑中心逐層均勻退挖，從而實(shí)現(xiàn)以環(huán)形中圓心為對稱點(diǎn)的中心對稱均勻開挖。本文中環(huán)形支撐系統(tǒng)的均衡開挖模型即采用“島式”開挖方式進(jìn)行模擬。

對于以環(huán)梁為主的支撐系統(tǒng)，不均衡開挖通常以環(huán)梁與腰梁相切位置為出土口，從出土口對面一側(cè)開始逐層接力退挖。本文中環(huán)形支撐系統(tǒng)的不均衡開挖模型即以基坑南側(cè)環(huán)梁與腰梁相切位置為出土口，采用自北向南的接力退挖方式進(jìn)行模擬。

2 計算模型

有限元數(shù)值模型中主要包括基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體，計算邊界原則上取至基坑開挖、結(jié)構(gòu)受力后不再產(chǎn)生變位影響的邊界為止?；由疃葹?0m，綜合考慮單元數(shù)目、計算機(jī)的運(yùn)算能力等因素，模型水平向范圍由坑邊各向外延伸50～60m(約為5～6倍基坑開挖深度)，豎向范圍為坑底以下40m(為4倍基坑開挖深度)，基本能滿足模型邊界對基坑開挖無影響的要求。計算模型的上邊界為自由邊界，底部約束3個方向的位移，各側(cè)面則限制其法向移動?；又ёo(hù)有限元模型如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)有限元模型Fig.3 Finite element model of foundation excavation support

計算模型中的各層黏性土采用修正劍橋本構(gòu)模型模擬，雜填土及粉砂采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型模擬[11-12]。土體相關(guān)參數(shù)來自工程地質(zhì)勘察報告、室內(nèi)試驗(yàn)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，其中莫爾-庫倫模型中土體彈性模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取3～5倍壓縮模量，本模型中取5倍壓縮模量。各土層計算參數(shù)如表1所示，表中γ為重度，φ′及c′分別為有效內(nèi)摩擦角和有效黏聚力，Es及E分別為土體壓縮模量和彈性模量，λ及κ分別為土體壓縮曲線斜率和回彈曲線斜率，M為臨界狀態(tài)參數(shù)，e0為初始孔隙比，υ為泊松比，k0為側(cè)壓力系數(shù)。有限元模型中土體采用實(shí)體單元模擬，基坑地下連續(xù)墻采用板單元模擬，混凝土支撐、腰梁均采用空間梁單元模擬。模型中假定各結(jié)構(gòu)在基坑施工中均為彈性變形。主要支撐構(gòu)件的截面尺寸及計算參數(shù)如表2所示。

表1 模型中各層土體計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of soil layers

表2 各構(gòu)件截面尺寸

計算模型中，基坑地下連續(xù)墻與土體之間考慮摩擦作用，兩種界面間的摩擦參數(shù)可以根據(jù)強(qiáng)度折減系數(shù)R進(jìn)行推算，參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，折減系數(shù)R取0.8。

本文重點(diǎn)研究基坑開挖方式對內(nèi)支撐系統(tǒng)的影響，因此對支撐標(biāo)高以上土體的開挖方式進(jìn)行簡化處理，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)生成后，首先將坑內(nèi)地下水降至坑底標(biāo)高，然后一次性挖除支撐標(biāo)高以上土體，接著激活環(huán)形支撐體系，并根據(jù)相應(yīng)的挖土方案分別建模模擬，均衡開挖與不均衡開挖的流程如圖4，5所示。

圖4 島式開挖施工流程(均衡開挖)Fig.4 Construction process of island excavation (balanced excavation)

圖5 接力退挖施工流程(不均衡開挖)Fig.5 Construction process of relay backward excavation (uneven excavation)

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 均衡開挖情況

島式開挖條件下，基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)的第1步及最后一步計算結(jié)果分別如圖6，7所示。從計算結(jié)果可以看出，由于基坑均衡挖土，支撐系統(tǒng)在開挖過程中的變形和受力也呈對稱分布，并且在開挖過程中分布趨勢并未改變，僅表現(xiàn)為數(shù)值變化。至開挖全部結(jié)束，支撐最大水平位移為11.7mm，發(fā)生在南北兩側(cè)中部，主要原因是南北側(cè)支撐剛度比東西方向相對較弱。支撐系統(tǒng)以承受壓力為主，最大軸壓力為12 556kN，出現(xiàn)在環(huán)梁部位，僅在部分桿件產(chǎn)生輕微拉力；支撐最大剪力為1 012kN，最大彎矩為4 348kN·m，均出現(xiàn)在環(huán)梁上。

圖6 島式開挖第1步計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of step 1 of island excavation

圖7 島式開挖最終計算結(jié)果Fig.7 Final calculation results of island excavation

從受力變形最大值隨開挖步的變化趨勢圖中可知(見圖8)，環(huán)形支撐系統(tǒng)在島式開挖過程中變形及內(nèi)力逐漸增大，直至開挖完成后達(dá)到最大值。但當(dāng)鄰近圍護(hù)樁區(qū)域開挖至坑底后(第3步挖土)，支撐體統(tǒng)的變形及內(nèi)力已接近最大值，后續(xù)中心區(qū)域挖土過程中雖數(shù)值有所增加但變化不大。

圖8 位移及內(nèi)力隨工施工況變化Fig.8 Displacement and internal force change with construction conditions

3.2 不均衡開挖情況

接力退挖是比較典型的不均衡開挖形式，以退挖第1步及退挖全部完成2個階段為例，將基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)的計算結(jié)果繪制如圖9，10所示。

退挖第1步的開挖范圍僅局限于基坑北側(cè)區(qū)域，導(dǎo)致開挖后支撐系統(tǒng)所承受的圍壓并不均衡，難以發(fā)揮環(huán)梁支撐整體抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢，支撐桿件變形主要出現(xiàn)在北側(cè)開挖區(qū)域，南側(cè)的支撐桿件幾乎未變形。由于受壓不均衡，支撐桿件在東西向甚至產(chǎn)生向坑外方向的位移，最大值達(dá)13.5mm，進(jìn)而導(dǎo)致北側(cè)桿件產(chǎn)生27.3mm水平變形，遠(yuǎn)大于均衡開挖條件下環(huán)形支撐系統(tǒng)的最大變形量。

支撐系統(tǒng)的這種變形趨勢也引起桿件內(nèi)力的不均衡分布，支撐最大軸力分布在環(huán)梁北側(cè)區(qū)域，同時由于支撐系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)，個別輻射桿甚至產(chǎn)生3 370kN的拉力(見圖9c)，遠(yuǎn)超過混凝土構(gòu)件的截面抗拉承載能力(1 158.3kN)，從而導(dǎo)致桿件開裂。而最大剪力和最大彎矩的分布也集中在環(huán)梁中部及中部偏北側(cè)區(qū)域。

圖9 退挖第1步計算結(jié)果(僅北側(cè)挖至坑底)Fig.9 Calculation results of step 1 of backward excavation (only north side excavated to the bottom)

接力退挖全部完成后，支撐系統(tǒng)的變形分布較退挖第1步時稍有緩解，但主要變形仍集中在基坑北側(cè)區(qū)域，表現(xiàn)為北側(cè)大南側(cè)小的分布形式。支撐最大東西方向位移為4.1mm，指向坑內(nèi)方向，但北側(cè)支撐仍有4mm向坑外方向的殘余位移，支撐系統(tǒng)在東西方向變形呈S形；支撐最大北側(cè)位移17.8mm、最大南側(cè)位移10.8mm。可見不均坑開挖情況下，支撐系統(tǒng)變形受先期開挖的影響更加顯著。

支撐系統(tǒng)的內(nèi)力分布也同樣如此，不僅內(nèi)力的最大值比均衡開挖情況更大，且均表現(xiàn)為北側(cè)內(nèi)力大而南側(cè)稍弱的不均衡分布模式，這對于支撐桿件作用的發(fā)揮更加不利。

從各步計算結(jié)果可以看出，不均衡的接力退挖方式對環(huán)形支撐桿件的變形和內(nèi)力影響規(guī)律，與均衡的島式開挖完全不同。接力退挖情況下，桿件的最大變形及內(nèi)力并不出現(xiàn)在開挖完成后，而是受開挖過程影響分散出現(xiàn)在不同施工步中?？傮w表現(xiàn)為在開挖區(qū)附近的支撐桿件變形和受力變化明顯，未開挖區(qū)域所受的影響相對較小。最終開挖完成后，先期開挖區(qū)域的變形及內(nèi)力均明顯大于后開挖區(qū)域，呈非對稱形式。

3.3 均衡與不均衡開挖計算結(jié)果對比

環(huán)形支撐系統(tǒng)在基坑不同開挖方式下的變形與內(nèi)力計算結(jié)果對比如表3所示。

表3 不同開挖方式下環(huán)形支撐的計算結(jié)果對比Table 3 Comparison of calculation results of ring bracing under different excavation modes

根據(jù)計算結(jié)果與對比分析可以看出，不均衡開挖對基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)變形的影響表現(xiàn)在：造成支撐系統(tǒng)整體變形量增大；在開挖進(jìn)程中，環(huán)梁各處變形量嚴(yán)重不均衡，先期開挖位置環(huán)梁的變形十分突出，未開挖位置的環(huán)梁變形幾乎為0，垂直于開挖方向的位置甚至出現(xiàn)了向坑外方向的變形。

不均衡開挖對基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)內(nèi)力的影響表現(xiàn)在：引起支撐系統(tǒng)整體內(nèi)力增大，并且由于支撐系統(tǒng)各部位變形不協(xié)調(diào)，造成各部位桿件內(nèi)力的發(fā)展并不均衡；不同部位的最大彎矩、剪力、軸向壓力會有不同程度的增大，軸向拉力的出現(xiàn)范圍和數(shù)值都有大幅度增加；其中影響最大的是輻射撐、角撐，不僅最大彎矩和剪力增加了3倍以上，而且部分桿件還出現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土截面承載能力的軸向拉力。

圖10 退挖最后步計算結(jié)果(土方全部挖完)Fig.10 Calculation results of the last step of back excavation (all earthwork has been excavated)

不均衡開挖對環(huán)形支撐系統(tǒng)變形和內(nèi)力造成的不利影響并非循序漸進(jìn)，而是在基坑開挖初期階段就會凸顯出來，這對基坑安全預(yù)警工作十分不利。

4 基坑支護(hù)設(shè)計中的技術(shù)措施

4.1 支撐系統(tǒng)形式的選擇

支撐系統(tǒng)形式的設(shè)計以安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工為原則。設(shè)計初期應(yīng)充分結(jié)合場地條件、設(shè)備能力、工期要求等，與建設(shè)單位、施工單位充分溝通，以確定是否以不均衡開挖作為設(shè)計前提條件之一。

當(dāng)需要考慮不均衡開挖的影響時，基坑水平支撐系統(tǒng)形式盡可能采用各部分彼此之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的支撐形式，盡量避免采用整體協(xié)調(diào)變形特點(diǎn)突出的環(huán)形支撐形式。例如可結(jié)合具體情況采用對撐為主的支撐形式進(jìn)行替代。當(dāng)不可避免地采用以環(huán)梁為主的支撐形式時，需要在形式上進(jìn)一步優(yōu)化以提高其抵御不均衡開挖的能力。如采用環(huán)形與對撐相結(jié)合的支撐形式，或采用桁架式環(huán)梁的支撐形式。

4.2 支撐構(gòu)件截面的設(shè)計

不均衡開挖造成環(huán)形支撐系統(tǒng)整體內(nèi)力增大，其中腰梁、環(huán)梁的最大軸向壓力會因不均衡開挖增大10%～30%。因此當(dāng)需要考慮不均衡開挖對支撐內(nèi)力的影響時，支撐構(gòu)件截面尺寸的設(shè)計應(yīng)有相應(yīng)程度的增加。

同時，不均衡開挖造成環(huán)形支撐系統(tǒng)整體變形增大。對于周邊環(huán)境條件嚴(yán)苛、對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形要求較高的工程，當(dāng)需要考慮不均衡開挖對支撐變形的影響時，也可以從加大支撐構(gòu)件截面尺寸入手(主要增加截面寬度)，進(jìn)而增加支撐系統(tǒng)的整體剛度，減小支撐系統(tǒng)的變形。

4.3 支撐構(gòu)件配筋的設(shè)計

對于以承擔(dān)彎矩和剪力為主的腰梁(或冠梁)，不均衡開挖造成其最大彎矩和剪力都有不同程度的增加——彎矩增加超過100%，剪力增加30%～40%。因此，當(dāng)需要考慮不均衡開挖對環(huán)形系統(tǒng)的影響時，腰梁(或冠梁)的縱向鋼筋和橫向鋼筋都應(yīng)考慮相應(yīng)增加。

在不均衡開挖的前提下，環(huán)梁的最大彎矩增加了40%～50%。不僅如此，局部環(huán)梁還出現(xiàn)了在均衡開挖狀態(tài)下不會出現(xiàn)的軸向拉力。因此，按照壓彎構(gòu)件配筋的環(huán)梁，應(yīng)考慮不均衡開挖對彎矩大幅度增加的不利影響(且在不均衡開挖狀態(tài)下，環(huán)梁彎矩的突增遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前于軸向壓力的增大)，增加縱向鋼筋的配置；在先期開挖的環(huán)梁與腰梁相切的位置，環(huán)梁的縱向配筋宜按拉彎構(gòu)件考慮。在不均衡開挖的前提下，環(huán)梁的最大剪力增加了70%左右，其橫向抗剪鋼筋的配置也應(yīng)結(jié)合其截面尺寸的調(diào)整考慮相應(yīng)增加。

不均衡開挖對于環(huán)梁系統(tǒng)中的輻射撐、角撐影響很大，不僅使其最大彎矩和剪力增加了2倍以上，最重要的是給垂直于開挖方向的輻射撐造成了遠(yuǎn)大于其混凝土截面承載力的軸向拉力。因此在對環(huán)形系統(tǒng)中的輻射撐、角撐進(jìn)行配筋時，應(yīng)針對不同桿件的受力狀態(tài)加以細(xì)化區(qū)分，對于因環(huán)形系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的拉桿，要給予充分重視，按照拉彎構(gòu)件保證配筋的合理。

4.4 對于土方開挖的施工要求

不均衡開挖對環(huán)形支撐系統(tǒng)的變形和受力都有不利影響，因此在設(shè)計中，對于基坑土方開挖施工應(yīng)有明確的要求。

對于可以實(shí)現(xiàn)以均衡開挖為前提的基坑工程，在土方開挖施工要求中應(yīng)明確“土方開挖須分層、對稱、均衡進(jìn)行”；對于經(jīng)與建設(shè)單位和施工單位溝通后確認(rèn)以不均衡開挖為前提的基坑工程，在土方開挖施工要求中更應(yīng)明確作為設(shè)計依據(jù)的土方開挖方向、出土口位置等內(nèi)容，并要求施工單位嚴(yán)格遵守既定開挖方案。

根據(jù)前文分析，不同的土方開挖方式及開挖順序，支撐系統(tǒng)的變形和內(nèi)力情況也并不相同。因此，可以將“當(dāng)由于土方不均衡開挖，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形過大或支撐系統(tǒng)局部內(nèi)力異常時，須及時調(diào)整土方開挖方式及開挖順序”作為改善支撐系統(tǒng)變形和受力的應(yīng)急預(yù)案之一，在基坑土方開挖施工要求中予以明確。

5 結(jié)語

本文采用三維有限元軟件，對不同開挖方式下環(huán)形支撐系統(tǒng)的基坑施工進(jìn)行了模擬，通過數(shù)值計算對比研究了不均衡開挖對基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)變形和受力的影響。在此基礎(chǔ)上，歸納整理出考慮不均衡開挖的基坑支護(hù)設(shè)計，從支撐系統(tǒng)形式的選擇、支撐構(gòu)件截面設(shè)計、支撐構(gòu)件配筋設(shè)計以及土方開挖施工要求等方面提出注意事項(xiàng)，主要得出以下結(jié)論。

1)不均衡開挖將造成環(huán)形支撐系統(tǒng)整體變形量增大，尤其先開挖區(qū)域影響更加嚴(yán)重。在內(nèi)力方面，同樣引起支撐系統(tǒng)整體內(nèi)力增加，并且由于環(huán)形支撐各部位變形不協(xié)調(diào)，造成各部位桿件內(nèi)力發(fā)展不均衡，甚至部分桿件出現(xiàn)遠(yuǎn)超過混凝土截面承載能力的軸向拉力。

2)不均衡開挖對環(huán)形支撐系統(tǒng)變形和內(nèi)力造成的不利影響并非循序漸進(jìn)，而是在基坑開挖初期階段就會凸顯出來，這對基坑安全預(yù)警工作十分不利。

3)當(dāng)需要考慮不均衡開挖的影響時，基坑水平支撐系統(tǒng)應(yīng)盡可能采用各部分彼此之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的支撐形式，如對撐為主的支撐形式?；蛘哌M(jìn)一步優(yōu)化環(huán)形支撐系統(tǒng)以提高其抵御不均衡開挖的能力，如采用環(huán)梁與對撐相結(jié)合的支撐形式，或采用桁架式環(huán)梁的支撐形式。

4)當(dāng)需要考慮不均衡開挖對支撐變形和內(nèi)力的影響時，可以根據(jù)計算適當(dāng)加大支撐構(gòu)件截面尺寸，進(jìn)而增加支撐系統(tǒng)的整體性能。

5)應(yīng)針對不同支撐桿件的受力狀態(tài)細(xì)化區(qū)分，相應(yīng)增加各桿件的縱向及橫向鋼筋配置，對于受拉的環(huán)梁、輻射撐、角撐等桿件應(yīng)按照拉彎構(gòu)件考慮，保證配筋的安全合理。

6)在設(shè)計文件中，對于基坑土方開挖施工應(yīng)有明確的要求。對于確認(rèn)需要不均衡開挖的基坑工程，在土方開挖施工要求中應(yīng)明確作為設(shè)計依據(jù)的土方開挖方向、出土口位置等內(nèi)容，要求施工單位嚴(yán)格遵守既定開挖方案，并將“及時調(diào)整土方開挖方式及開挖順序”作為改善支撐系統(tǒng)變形和受力的應(yīng)急預(yù)案之一。