易觸變性土層基坑地連墻插入比優(yōu)化研究

彭 林 （中鐵一局集團有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400）

0 前言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，軟土地層地鐵車站深大基坑頻現。軟土地層地鐵車站深大基坑的開挖施工，具有影響范圍大、施工環(huán)境復雜、施工難度高等特點[1-2]。因此，在基坑開挖過程應采取必要的施工措施和工藝，保障開挖過程基坑和圍護結構穩(wěn)定。

在諸多影響軟土地層深大基坑穩(wěn)定性的因素中，地連墻插入比顯得尤為重要[3]。王梅通過數值模擬研究指出，擋土墻插入比對擋墻側移有一定影響，隨插入比增大，上部墻體側移逐漸增大，而下部墻體卻相反，當插入比在1.2左右時，墻體側移最小[4]。劉吉波等通過分析不同中墻插入比下左、中、右墻的側移規(guī)律，得到了優(yōu)化后的中墻插入比為2～3[5]。高新南等研究指出，當插入比達到一定值后，繼續(xù)增加插入比并不能顯著降低咬合樁的最大側移，并給出了蘇州地鐵車站基坑多支點咬合樁的插入比建議值為0.7～0.8[6]。羅海燕等結合太原市地鐵2號線中心街西站基坑研究了地連墻插入比的變化對于地表沉降、地連墻水平位移的影響，并建議黏土及粉土地區(qū)深基坑工程地連墻插入比的取值范圍為0.7～0.8[7]。

采用Midas GTS有限元軟件，建立太原地鐵2號線一期礦機站基坑標準段的二維平面應變模型，系統(tǒng)研究了不同插入比條件下地連墻墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的變化趨勢。以期為礦機站基坑和礦機站所在區(qū)域基坑施工中地連墻插入比的合理取值提供技術支撐。

1 工程概況

太原地鐵2號線一期礦機站為地下兩層島式站臺雙柱三跨箱型框架結構，總長221.0m，標準段寬度22.3m，底板埋深18.3～21.4m。根據《建筑基坑支護技術規(guī)范》（JGJ120-2012）中有關規(guī)定，主體基坑側壁安全等級及基坑變形控制保護等級為一級，圍護結構重要性系數為1.1。主體圍護結構采用地連墻+3（4）道內支撐的形式，主體結構部分為厚度800mm的地連墻，標準段嵌固深度約為9m，采用φ800×16mm的鋼管支撐直接撐在連續(xù)墻上。首層撐至2道撐的距離為7.2m，2道撐至3道撐的距離為5.5m，3道撐至坑底距離為3.75m。

2 有限元模型

采用Midas GTS NX2017有限元軟件建立礦機站基坑標準段的二維平面應變模型，模型水平方向取102m，豎直方向取45m，有限元模型如圖1所示。三道鋼支撐均采用直徑為800mm壁厚16mm的Q235級鋼管，第一道支撐設置于地面下-0.5m處，第二道支撐設置于地面下-6.5m處，第三道支撐設置于地面下-12.0m處。各類巖土采用實體單元模擬，地下連續(xù)墻及鋼支撐采用梁單元，其中地下連續(xù)墻及支撐采用彈性本構模型，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。基坑土體分四次開挖，第一次開挖至地表下-4.0m處，第二次開挖至地表下-9.0m處，第三次開挖至地表下-13.5m處，第四次開挖至基底標高。

圖1 有限元模型

標準段各土層物理力學參數如表1所示。

土層參數 表1

鋼支撐和地連墻參數如表2所示。

鋼支撐和地連墻參數 表2

依據既有文獻研究成果[6-7]，本文主要研究地連墻插入比分別為 0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 和 1.0 條件下的基坑穩(wěn)定性，并通過不同插入比時墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的對比分析，得到優(yōu)化的地連墻插入比。

3 結果分析

礦機站基坑屬于一級基坑，根據《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911-2013）[8]和山西省工程建設地方標準《建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》（DBJ04/T258-2016），礦機站基坑的變形控制值如表3所示。鋼支撐軸力設計最大值為1200kN，控制值取60%的設計最大值，為780kN。

基坑變形控制值 表3

數值計算結果如表4所示。

墻頂水平位移隨地連墻插入比變化趨勢如圖2所示。當插入比由0.4增大到0.6時，地連墻墻頂水平位移呈逐漸減小的趨勢；當插入比由0.6變?yōu)?.8時，墻頂水平位移由0逐漸增加至0.57mm；當插入比為0.9時，墻頂水平位移突增為10.11mm，而后當插入比為1.0時墻頂水平位移降為3.69mm。

墻頂豎向位移隨地連墻插入比變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，當插入比由0.4增大到0.8時，地連墻墻頂豎向位移由8.88mm逐漸減小至4.95mm；當插入比為0.9時，墻頂豎向位移突增為15.04mm，而后當插入比為1.0時墻頂水平位移降為4.57mm。

圖2和圖3中，通過數值計算所得墻頂水平和豎向位移雖然沒有超過表3中控制值，但插入比為0.9時出現了數據的突變。

數值模擬結果 表4

圖2 地連墻墻頂水平位移與插入比的關系

圖3 地連墻墻頂豎向位移與插入比的關系

墻體水平位移隨插入比變化的曲線如圖4所示。由圖4可知，當插入比由0.4增大到0.8時，地連墻墻體水平位由8.9mm逐漸增加至10.09mm，且基本上呈線性變化趨勢；當插入比由0.8增大到1.0時，地連墻墻體水平位由10.09mm快速增加至30.51mm，超出了表3中墻體水平位移控制值。

圖4 地連墻墻體位移與插入比的關系

鋼支撐軸力隨地連墻插入比變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，當插入比由0.4增大到0.8時，鋼支撐軸力呈先減小后增大的趨勢，并在插入比為0.5時達到最小值318.89kN，但插入比為0.6～0.8時，鋼支撐軸力相差不大，在10kN以內；當插入比為0.9時，鋼支撐軸力突增為378.82kN，而后當插入比為1.0時墻頂水平位移降為334.12kN。

圖5 鋼支撐軸力與插入比的關系

綜上可知，當地連墻插入比從0.4到1.0變化時，地連墻墻頂水平位移、地連墻墻頂豎向位移和鋼支撐軸力最大值均小于規(guī)范控制值，只有墻體水平位移在插入比為1.0時超出了表3中墻體水平位移控制值。

插入比為0.9時，地連墻墻頂水平位移、地連墻墻頂豎向位移、墻體水平位移和鋼支撐軸力最大值均出現了突變。也就是說，針對礦機站基坑區(qū)域土層參數，并不是插入比越高越有利于基坑和圍護結構的穩(wěn)定，工程實際中應結合具體情況對地連墻插入比進行優(yōu)化。結合數值計算結果，建議礦機站基坑地連墻插入比取 0.7～0.8。

4 工程實踐

4.1 現場監(jiān)測情況

太原地鐵2號線一期礦機站于2016年6月22日開始圍護結構施工，2016年9月21日開始土方挖，2016年10月13日，首次發(fā)生紅色報警（預警值列于表3），2016年11月7日首段基坑見底，截止2017年6月27日，完成土方開挖5段，底板澆筑5段，共出現紅色預警10次，橙色預警11次，黃色預警2次，主要為樁頂水平位移（累計變形25mm、3mm/d）和樁頂沉降（累計變形25mm、3mm/d）。共14個監(jiān)測段面全部出現過報警。其中19號測斜管位于第5段，底板混凝土澆筑前（2017年6月10日）18.5m位置測斜累計變形57.5mm，澆筑混凝土后（2017年6月23日）該部位測斜累計變形72.5mm，如圖6所示。也即是說，底板混凝土澆筑后，底板以下部分測斜位移并不能因此而約束。

圖6 測斜管位移

4.2 基坑變形原因分析

4.2.1 高靈敏度地層

礦機站地質相對復雜，雜填土及素填土層較厚，平均厚度3m～4.7m，其余多為粉質黏土、黏質粉土，其滲透性小約3.602m/d，降水后含水率高，自穩(wěn)性差，土體靈敏性高，在開挖到地下8m時，經挖機擾動易液化，挖機難以正常行走，需鋪設輔助鋼板，導致挖土效率低下，且未開挖的斷面也出現變形，如圖7所示。

圖7 施工現場圖

4.2.2 連續(xù)墻插入比相對較小

根據目前連續(xù)墻測斜監(jiān)測數據反映出的情況，基坑基底以下連續(xù)墻測斜變形數據單次或累計值都有超限（基坑底以下0.5m，連續(xù)墻測斜變形值達72.5mm，最低端變形5.2mm），結合國內其他城市軟土地層施工數據與經驗[6-7]，連續(xù)墻插入比不小于0.8，而礦機站標準段地連墻最大插入比僅為0.55。

4.2.3 支撐架設不及時

高靈敏度地層的存在，加大了基坑開挖施工難度，一定程度上影響了鋼支撐的架設時機，礦機站基坑施工過程中存在鋼支撐架設不及時的現象。

5 結論

采用Midas GTS有限元軟件建立了礦機站基坑標準段的二維平面應變模型，系統(tǒng)研究了不同插入比條件下地連墻墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的變化趨勢。主要結論：

①地連墻墻頂水平位移和豎向位移隨著地連墻插入比的變大基本呈減小趨勢，但當插入比為0.9時二者最大值突然增大。

②插入比從0.4～0.8變化時，地連墻墻體水平位移和鋼支撐軸力基本呈逐漸增大趨勢，插入比為0.9時二者最大值均發(fā)生突變現象。

③地連墻插入比應結合基坑工程實際條件進行調整優(yōu)化，在易觸變性軟土地層，地連墻插入比的線性增加并不總是能帶來圍護結構的穩(wěn)定。

④結合現場監(jiān)測數據，建議礦機站所在區(qū)域基坑施工中地連墻插入比取0.8。