交叉基坑開挖對地連墻水平位移影響規律的研究

張朋成

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

交叉基坑開挖對地連墻水平位移影響規律的研究

張朋成

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

摘要:以上海市軌道交通12號線漢中路換乘車站工程為例，采用Midas/gts三維有限元軟件，從單個基坑開挖與交叉基坑開挖兩方面，分析了基坑開挖對地連墻水平位移的影響規律，為實際工程施工提供了依據。

關鍵詞:軌道交通，基坑開挖，地連墻，水平位移

1　工程概況

本文研究的工程背景是上海軌道交通12號線、13號線與已建1號線漢中路站綜合開發形成的三線換乘站超深地下綜合體。研究對象為12號線和13號線的十字換乘節點。該換乘節點位于恒通路、恒豐路、光復路、梅園路圍成的地塊之間，將與已建成運營的1號線實現三線換乘。

2　模型簡介

本文借助Midas/gts三維有限元軟件進行十字交叉基坑的建模(見圖1，圖2)。

圖1　交叉基坑整體模型

圖2　交叉基坑尺寸示意圖（單位：m）

模型中，交叉基坑均長188 m、寬20 m，考慮建模和對比分析方便，暫取兩坑開挖深度相同，都為21 m。

土體采用實體單元模擬，地連墻采用板單元進行模擬，支撐采用梁單元進行模擬。本模型中基坑地連墻厚度取為1 m，基坑共設置五道支撐，其中第一、第四道支撐為混凝土支撐，其余三道均為鋼支撐，各道設置深度分別為h =0 m，h =5 m，h =10 m，h = 14 m，h =18 m。

3　單個基坑開挖地連墻位移曲線分析

本文先對單個基坑開挖情況下地連墻的水平位移進行研究，為交叉基坑開挖情況的研究作基礎。為了簡化描述，本文對單坑開挖時地連墻水平位移測斜點進行了編號(見圖3) : DQ-0代表基坑短邊中點處的地連墻水平位移測線; DQ-1代表距端頭7 m ( 1/3倍開挖深度)處的地連墻水平位移測線; DQ-2代表距端頭14 m( 2/3倍開挖深度)處的地連墻水平位移測線;下面依次類推，DQ-6為基坑長邊中點處的地連墻水平位移測線，此處距基坑兩短邊各2倍開挖深度的距離。

以下各圖中，h代表基坑的開挖深度。例如h = 11 m代表基坑開挖到11 m的深度。

圖4和圖5為單個基坑長邊中點和短邊中點對應地連墻隨基坑開挖水平位移曲線，可得:

1)對比圖4，圖5可見，在各個開挖深度上，DQ-6的最大水平位移( 12.5 mm)遠大于DQ-0的最大水平位移( 7.2 mm)，這很好地驗證了基坑變形的角隅效應。

圖3　單坑開挖地連墻水平位移測線示意圖

圖4　DQ-6水平位移曲線

圖5　DQ-0水平位移曲線

2)此處基坑為多道內支撐的基坑，地連墻的水平位移呈拋物線形。在h =19 m之前，地連墻的最大水平位移隨基坑開挖不斷加大，且最大點出現在開挖面附近。而h = 19 m以后，隨著基坑開挖深度的加大，最大水平位移仍有緩慢增長，但是最大水平位移點的深度卻不再變化，穩定在17 m深度上。對于多道內支撐的基坑常見的拋物線形位移，其最大變形位置一般都位于開挖面附近，但是基坑深度在16 m以上時，基坑的最大變形位置逐漸上移。通過對上海地區以地鐵基坑為主的20 m以上基坑的統計，最大值位置一般位于開挖面以上，平均值為0.89h深度處［1］。由圖6和圖7可見，由于基坑端部的空間效應，基坑長邊端部的地連墻水平位移( h =11 m時4.2 mm，h =21 m時7 mm)遠遠小于長邊中部的水平位移( h =11 m時8 mm，h =21 m時13 mm)。隨著遠離端部，地連墻的最大水平位移會不斷加大。h =21 m時，DQ-3(距端頭21 m)的位移曲線基本上同長邊中部位移曲線重合。而h =11 m時有同樣的現象，說明基坑三維空間效應的影響范圍同開挖深度關系不大，其影響范圍在1倍的短邊寬度以內。

4　交叉基坑先后開挖地連墻位移曲線分析

A，B兩基坑均為長條形基坑，兩者呈十字交叉狀態，本節考慮A，B基坑先后開挖的工況。

基坑A坑先開挖，h代表A坑的開挖深度; B坑后開挖，H代表B坑的開挖深度。h = 21 m時，A坑開挖完成而B坑未開挖，H =21 m時，A，B兩坑均開挖完成。

圖6　h=11 m時各測線水平位移

圖7　h=21 m時各測線水平位移

交叉基坑開挖工況下，地連墻水平位移測點布置見圖8。

圖8　交叉基坑開挖地連墻水平位移測線示意圖

1) A坑內各測線的代號為XQ，距地連墻交接處距離7 m( 1/3倍開挖深度)處為第一道測線，編號為XQ-1，距地連墻交接處14 m處測線標號XQ-2，后面依次類推，直至A坑長邊中點處測線編號為XQ-6，此處距地連墻交接處42 m( 2倍開挖深度)。2) B坑內測線代號為HQ，具體編號同A坑。

圖9　XQ-1與HQ-1位移比較

圖10　XQ-2與HQ-2位移比較

圖11　XQ-3與HQ-3位移比較

圖12　XQ-4與HQ-4位移比較

由圖9～圖12可見，A，B兩坑先后開挖，地連墻水平位移的相互影響如下:

1)對于XQ-1，B坑的開挖會導致其最大水平位移增大，增幅達10%。原因分析如下: a.B坑開挖伴隨著A坑內封堵墻以及角撐的鑿除，A坑長邊端部出現向坑內變形的趨勢; b.B坑開挖前，B坑內土體對B坑長邊地連墻有側向約束作用，B坑內土體的開挖使得這種限制作用消失，B坑長邊地連墻會出現向A坑內側整體偏移的現象。

而對比H =21 m時HQ-1和XQ-1的水平位移可見，B坑開挖完成后HQ-1的最大水平位移( 8.1 mm)比增大之后的XQ-1的水平位移( 6.9 mm)還要大18%。因此，交叉基坑的開挖會使兩坑相交處地連墻的水平位移較單坑開挖工況有顯著增大，所以，需要嚴格控制地連墻相交處的施工質量。

2)對于XQ-2，XQ-3和XQ-4，B坑的開挖對其水平位移基本沒有影響。同時，H = 21 m時，HQ-2的最大水平位移僅比XQ-2大不到4%，所以在14 m( 2/3的開挖深度)之外，兩坑地連墻的水平位移同單坑開挖工況類似。也就是說，在交叉基坑施工中，需要對14 m( 2/3的開挖深度)之內地連墻的水平位移進行有效控制。

圖13　H=21 m 時A坑地連墻水平位移

圖14　H=21 m 時B坑地連墻水平位移

由圖13，圖14可見，B坑開挖后，A坑及B坑端部地連墻的水平位移較遠離端部地連墻的水平位移要小很多。同樣，在1倍開挖寬度之外，地連墻的水平位移曲線同長邊中部地連墻的水平位移曲線基本重合。雖然此時兩坑均無端頭(無陰角)，卻存在與基坑單獨開挖工況下相同的規律，原因分析如下:雖然B坑開挖后A坑失去了端頭，但是B坑地連墻在A坑外側會產生對A坑地連墻的牽拉作用，這與基坑單獨開挖時短邊地連墻的頂撐作用效果相同，在A坑與B坑交接處形成“類端頭效應”。

本文提出的“類端頭效應”對于A，B坑各自的變形起到有利作用，但是從交叉基坑整體來看，在兩坑地連墻的交角處會形成拉應力。然而在實際工程中，地連墻都是分幅施工的，能提供的拉應力很小。如果交叉基坑施工過程中不采取有效措施，可能會出現兩墻分離現象，“類端頭效應”也就無從談起，甚至會造成嚴重的安全事故。根據實際工程經驗，在兩墻相交處(陽角處)，往往會通過加大支撐的剛度和密度，來杜絕兩墻分離的現象，并形成有效的類端頭效應來控制交叉基坑的變形。

5　結語

1)單個長條形基坑開挖時，在端頭附近會存在明顯的空間效應。由于端頭的約束，附近的地連墻水平位移較長邊中部要小。隨著遠離端頭，空間效應逐漸減弱。經研究，基坑端頭的空間效應與開挖深度關系不大，影響范圍大約為1倍的短邊寬度。

2)交叉基坑開挖，兩坑交接處地連墻水平位移比單坑開挖時有較大增幅，由此可知，交叉基坑開挖對彼此地連墻水平變形會產生不利影響。

3)本文提出了兩坑交接處存在“類端頭效應”，這是由于兩坑地連墻的互相牽拉引起的，這種拉應力極易造成地連墻的分離。因此在基坑交叉處，務必要控制好施工質量，必要時加大支撐的剛度和密度，分擔地連墻的拉應力，從而形成新的類端頭效應來控制交叉基坑的變形。

參考文獻:

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］郭海柱，張慶賀.地鐵換乘站近接施工監測與數值模擬分析［J］.施工技術，2012，41( 13) :62-66.

［3］卿凇.上海地鐵“十”形換乘地鐵車站施工技術［J］.城市道橋與防洪，2010( 10) :124-127.

［4］李琳，楊敏，熊巨華.軟土地區深基坑變形特性分析［J］.土木工程學報，2007( 4) :66-72.

［5］陳東杰.上海鐵路南站相鄰基坑開挖變形影響研究［J］.建筑科學，2005( 6) :59-63.

［6］趙永光，耿進柱，趙興波.群坑開挖耦合效應及其對周邊環境影響的數值分析［J］.建筑施工，2009，211( 3) :177-180.

［7］沈健.超大規模基坑工程群開挖相互影響的分析與對策［A］.第七屆全國基坑工程研討會論文集［C］.2012: 272-276.

［8］丁勇春.軟土地區深基坑施工引起的變形及控制研究［D］.上海:上海交通大學，2009.

Study on the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement

Zhang Pengcheng
( China Railway 3rd Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd，Tianjin 300251，China)

Abstract:Taking Hanzhonglu station engineering of Shanghai rail transit line No.12 as an example，applying Midas/gts three-dimensional finite element software，starting from two aspects of single foundation excavation and crossing foundation excavation，analyzes the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement，which has provide some guidance for actual engineering construction.

Key words:rail transit，foundation excavation，diaphragm wall，horizontal displacement

作者簡介:張朋成(1989-)，男，助理工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0081-03

中圖分類號:TU463

文獻標識碼:A