高 濤

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著深入各地城市軌道交通建設(shè)工作，工程方對(duì)深基坑施工的要求也越來(lái)越高。在開(kāi)發(fā)地下空間的過(guò)程中，深基坑開(kāi)挖與支護(hù)是最重要、也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。雖然基坑支護(hù)是臨時(shí)性工程，但作用很大，支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)既要承擔(dān)基坑開(kāi)挖后的土壓力和地下水壓力，又要保障基坑開(kāi)挖過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的安全，同時(shí)，由于基坑自身的多物性，即使是同一類型的支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，在不同的工程和水文地質(zhì)條件下，其穩(wěn)定性也存在較大差異[1]。因此，在工程建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，并根據(jù)具體的工程實(shí)際情況，選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)。部分深基坑工程分布在鄰近建筑和人口密集區(qū)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍地面的應(yīng)力會(huì)有較大變化，而對(duì)應(yīng)位置支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全性又相對(duì)較低，因此，在深基坑工程開(kāi)挖作業(yè)的過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患[2]。為解決該問(wèn)題，深化深基坑工程建設(shè)工作，該文將在研究中，以某深基坑工程項(xiàng)目為例，從冗余度角度對(duì)內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 構(gòu)建基坑開(kāi)挖三維數(shù)值模型

1.1 基坑開(kāi)挖中內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度評(píng)估指標(biāo)

為確保相關(guān)工作在實(shí)施中可以達(dá)到預(yù)期效果，提高內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計(jì)的規(guī)范性，在研究前，應(yīng)先對(duì)基坑開(kāi)挖中的結(jié)構(gòu)冗余度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。從結(jié)構(gòu)自身角度出發(fā)，可用R1（屈服強(qiáng)度儲(chǔ)備比）、R2（最大位移儲(chǔ)備比），對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身冗余度進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算R1和R2如公式（1）和公式（2）所示。

式中：q為內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的屈服應(yīng)力；σd為在設(shè)計(jì)荷載的條件下，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力值；Vm為內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)自身可以承受的最大位移；Vd為內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載條件下的位移值。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可以從內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系承載力入手，用RSR（結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度比）、RIF（結(jié)構(gòu)體系剩余影響系數(shù)）、DSR（結(jié)構(gòu)體系損傷強(qiáng)度比）和SRF（結(jié)構(gòu)體系冗余度數(shù)），評(píng)價(jià)其冗余度，計(jì)算RSR、RIF、DSR和SRF如公式（3）～公式（6）所示。

式中：Vu為內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的極限承載力；Vr為內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在局部發(fā)生破壞后的極限承載力。

通過(guò)上述內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，從不同角度對(duì)內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 建模中深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)土體應(yīng)變—?jiǎng)偠汝P(guān)系

根據(jù)上述內(nèi)容，該文選用PLAXIS 3D 三維建模軟件，該軟件能根據(jù)具體情況，結(jié)合自身數(shù)據(jù)庫(kù)中的本構(gòu)內(nèi)容，模擬復(fù)雜的巖土結(jié)構(gòu)和施工過(guò)程，適用于各類巖土工程施工模擬與結(jié)構(gòu)體系建模分析，不但可以廣泛應(yīng)用于基坑、邊坡和隧道等工程，還可以引進(jìn)深基坑中HS（土體硬化模型），使建模成果與工程實(shí)際匹配得更好[4]?？紤]該文研究的深基坑內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的土體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，選用HS模型作為建模中的本構(gòu)模型，對(duì)建模中深基坑開(kāi)挖過(guò)程中內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)土體應(yīng)變—?jiǎng)偠汝P(guān)系進(jìn)行分析[5]。如圖1 所示。

圖1 建模中深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)土體應(yīng)變—?jiǎng)偠汝P(guān)系

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)與模型生成

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在本構(gòu)模型中錄入支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同土層結(jié)構(gòu)的主要物理力學(xué)參數(shù)，按照規(guī)范錄入深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

完成深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)后，使用Plaxis 3D 有限元軟件進(jìn)行建模，在建模過(guò)程中，引進(jìn)四面體單元，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑瑸楸ＷC構(gòu)建的模型符合標(biāo)準(zhǔn)，將網(wǎng)格單元間的密度調(diào)節(jié)為中粗，在確定單元總數(shù)的前提下，劃分單元對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，建立基坑開(kāi)挖模型，如圖2 所示。

圖2 基坑開(kāi)挖模型

通過(guò)上述方式構(gòu)建基坑開(kāi)挖三維數(shù)值模型。

2 深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度設(shè)計(jì)

2.1 墻體厚度設(shè)計(jì)

結(jié)合構(gòu)建的模型，對(duì)深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析墻體厚度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及冗余度的影響，確定最合理的墻體厚度參數(shù)[6]。利用系數(shù)提出的冗余度計(jì)算公式，計(jì)算墻體厚度分別為1.2m、1.0m、0.8m 和0.6m 時(shí)的冗余度，如公式（7）所示。

式中：RS為深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度；Sinstant為原始結(jié)構(gòu)體系中產(chǎn)生的最大位移量；Sdamage為局部遭到破壞后結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的最大位移量。記錄計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 不同墻體厚度下內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度分析

為方便分析，繪制不同墻體厚度條件下的冗余度變化值曲線，如圖3 所示。

圖3 不同墻體厚度條件下的冗余度變化曲線

分析表中數(shù)據(jù)可知，隨著墻體厚度降低，深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度呈現(xiàn)線性遞減的趨勢(shì)。結(jié)合理論知識(shí)，深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度越大，安全儲(chǔ)備越充足。當(dāng)墻體的厚度從1m 降至0.6m 時(shí)，墻體厚度變化對(duì)冗余度影響十分明顯；當(dāng)墻體厚度從1.2m 降至1.0m 時(shí)，冗余度的降低幅度明顯變小。結(jié)合上述結(jié)果進(jìn)一步分析得出：當(dāng)深基坑內(nèi)支撐發(fā)生破壞時(shí)，根據(jù)“就近傳遞”的原則，如果墻體夠厚，就能分擔(dān)更多關(guān)鍵支撐失效后傳遞的大部分荷載，以此分擔(dān)內(nèi)力，減少關(guān)鍵支撐失效的影響，對(duì)主柱的破壞影響更小[7]。從上述分析可以看出，在基坑施工期間，因支護(hù)結(jié)構(gòu)的臨時(shí)性質(zhì)，所以其安全系數(shù)很低。為避免支護(hù)系統(tǒng)因支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致安全系數(shù)降低，應(yīng)采取加厚措施。因此，根據(jù)已有的基坑工程設(shè)計(jì)方案，結(jié)合工程實(shí)際情況，考慮經(jīng)濟(jì)與安全，墻體的厚度設(shè)置為0.8m～1.0m。

2.2 支撐剛度設(shè)計(jì)

利用上述冗余度計(jì)算公式，計(jì)算不同支撐剛度條件下深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度，確定支撐剛度。設(shè)置4 種不同的支撐剛度分別為0.5K、1.0K、2.0K 和4K，通過(guò)計(jì)算得到的冗余度結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同支撐剛度條件下內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度分析

在得到表中數(shù)據(jù)后，為方便分析，繪制不同支撐剛度條件下深基坑周邊地表沉降量，如圖4 所示。

圖4 不同支撐剛度條件下深基坑周邊地表沉降量變化曲線

結(jié)合圖4 和表3 的數(shù)據(jù)可知，深基坑外土體豎直方向上的最大位移隨著支撐剛度增加呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，支撐剛度的變化不會(huì)影響深基坑外土體在豎直方向上最大位移的位置[8]。隨著支撐剛度從0.5K 增至2.0K，能有效約束當(dāng)支撐失效時(shí)地下連續(xù)墻的變形，但當(dāng)支撐剛度過(guò)大時(shí)，冗余度反而變小。因?yàn)橹问抑蔚膭偠忍?，所以每個(gè)支撐的軸力增加，造成的破壞范圍變大，基坑承受的變形也會(huì)變大?；诖?，建議支撐剛度設(shè)置為1K～2K。

2.3 支撐位置設(shè)計(jì)

按照上述研究思路，確定最佳的支撐位置。針對(duì)這4道支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置3 個(gè)位置分別為原始位置、上升1m 和下降1m 處，分別計(jì)算不同支撐結(jié)構(gòu)在不同工況位置上的冗余度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同支撐位置條件下內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度分析

由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)?shù)谒牡乐谓Y(jié)構(gòu)下降1m 時(shí)，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度最大，取值為11.2，遠(yuǎn)高出其他位置條件下的內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)冗余度?？s短關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)與最近的水平支撐間在豎直方向上的距離，能有效分擔(dān)支撐承擔(dān)的荷載，間接增加了支護(hù)體系的傳力途徑，以此降低關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)失效對(duì)支撐體系造成的影響，增加支護(hù)體系安全儲(chǔ)備，避免產(chǎn)生連續(xù)倒塌效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著持續(xù)推進(jìn)各地經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作，各地城市化進(jìn)程明顯加快，住宅、市政等建筑密度不斷增加，城市可用空間日趨緊張，因此導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降、大氣環(huán)境遭受污染、交通堵塞以及綠色空間減少等一系列問(wèn)題。城市地表空間以其“高度”與“廣度”持續(xù)突破歷史新高，而拓展“深度”對(duì)提升城市空間承載力、緩解地表交通擁堵和提高城市基礎(chǔ)設(shè)施水平等十分重要。因此，如何有效開(kāi)發(fā)和利用地下空間迫在眉睫。為落實(shí)該項(xiàng)工作，通過(guò)研究，得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）墻體厚度、支撐剛度和支撐位置都會(huì)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度。2）從經(jīng)濟(jì)與安全角度出發(fā)，墻體的厚度設(shè)置在0.8m～1.0m 最適宜，冗余度在該范圍內(nèi)最大。3）建議支撐剛度設(shè)置在1K～2K，在該范圍內(nèi)可以保證冗余度最大。4）縮短關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)與最近的水平支撐間在豎直方向上的距離，能夠有效分擔(dān)支撐所承擔(dān)的荷載，提高冗余度，保障支護(hù)體系安全儲(chǔ)備。