地下連續墻支護結構的深基坑開挖過程分析

曹文峰，張俊騰，張李平

（1.福建農業職業技術學院 園藝園林學院，福建 福州 350119；2.福建林業職業技術學院 建筑工程系，福建 南平 353000）

0 引言

自世界上第一條地鐵在英國倫敦誕生以來，地鐵作為一種大運量、長距離、環保低碳、高效便捷的運輸工具在城鎮內部大量出現。與世界發達國家相比，我國地鐵建設雖然起步較晚，但隨著城鎮化的快速推進，我國地鐵迎來建設高潮。截至 2018 年 12 月底，我國已有 32 個城市開通地鐵，運營總里程已達 5 066.76 km，車站 3 202 座，通車總里程居世界第一位。在地鐵的建設過程中，區間一般采用盾構方式，但車站建設一般采用開挖基坑的方式建設。由于受道路、管線和建筑物密集的限制，一般均采用有支護形式開挖。在開挖的過程中，各種荷載疊加，工況復雜，因此地鐵車站深基坑開挖施工過程的安全性成為施工中必須面對和解決的重要問題［1］。

從地鐵車站基坑支護形式來看，主要有混凝土地下連續墻、混凝土圍護樁、土釘墻、SMW 工法樁、鉆孔灌注樁等形式。其中混凝土地下連續墻整體剛度大、防滲效果好、安全系數高、可兼做主體結構等特點，是地鐵車站建設過程中常用的一種支護形式。

地鐵車站基坑開挖將會導致基坑周邊土體位移和應力的改變，且這種改變在軟土地區變化更為明顯［2-4］，因此在基坑開挖前，需對基坑內土體分層開挖，并對基坑各工況下穩定性進行設計驗算［5-7］。本文以某地鐵車站基坑開挖為例，利用 PLAXIS2D 有限元軟件，對該基坑工程進行數值模擬分析，論證各開挖工況下基坑的安全情況。

1 PLAXIS 軟件

1.1 軟件簡介

1987 年，荷蘭 Technische Universiteit Delft 開發設計了 PLAXIS 軟件，目的是為了解決荷蘭國內的軟土地基開挖穩定性工程問題。目前該軟件廣泛應用于世界范圍內的路堤工程、基礎工程和基坑工程領域，在國內各設計、施工等單位也得到廣泛應用。

1.2 本構模型

PLAXIS 軟件提供了 2 種常用的土體分析本構模型，分別是 MOHR-COULOMB 模型（理想塑性）和HARDENING-SOIL 模型（各向同性 HARDENING）。本文采用 MOHR-COULOMB 模型進行計算。

2 工程概況

某地鐵車站總長度 386.7 m，站臺標準段寬 20.2 m，底板埋深約為 15.46 m。基坑圍護結構采用地下連續墻+內撐形式。地下連續墻厚度 800 mm，采用 C30 鋼筋混凝土。坑內共設置 3 道內撐，從上到下第 1 道為鋼筋混凝土（C 30）支撐，截面尺寸為 0.8 m×0.9 m，水平間距 6 m；第 2、3 道為鋼管支撐，尺寸為φ=609 mm，t=16 mm，水平間距 3 m，分別位于地下 1.5、5.5、10.5 m。根據 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》規定，本基坑安全等級為一級，基坑側壁重要性系數取 1.1；支護結構最大允許水平位移≤0.25 % H（H 為基層開挖深度）且≤0.03 m；地面最大允許沉降≤0.15 % H 且≤0.03 m。混凝土內支撐和鋼管內支撐主要計算參數如表 1～2 所示。

3 工程地質條件

根據工程地質勘察報告及有關設計資料，車站基坑內各地層巖性特征如下：第①層為素填土，平均層厚3.2 m，主要由黏性土回填形成，中夾雜少量中砂和碎石；第②層為中硬黏性土，平均層厚 3.4 m，中密，壓縮性低；第③層為砂性土，平均層厚 3.6 m，含黏粒，夾雜少量有機質；第④層為中密卵石，平均層厚 2.8 m，分選性好，局部夾雜黏土；第⑤層為中風化花崗巖，未揭穿，有少量風化裂隙。各土層主要物理力學參數如表 3 所示。

表1 混凝土內支撐主要計算參數

表2 鋼管內支撐主要計算參數

表3 基坑各土層主要物理力學參數

4 模型構建

因該車站基坑為狹長型，為簡化計算，取最不利斷面進行分析計算。因本基坑長度相對于寬度較大，最不利斷面為橫斷面，故本基坑可簡化為平面應變問題，可只取基坑寬度 1/2 進行計算。為更好地模擬荷載分布情況，本工程計算寬度取 40 m。一般而言，深基坑開挖過程中，荷載在一倍于開挖深度內有較大的影響，故本工程模型計算深度取 50 m。由此建立寬度為 40 m、深度為50 m 的計算模型。地面荷載按 25 kN/m 等效設置，布置在基坑邊緣 5 m 處。

4.1 計算模型

本工程網格疏密程度為中等，采用 15 節點單元模擬土體，間距為 1 m，格柵間分隔數為 1，重力加速度取 9.8 m/s2。為提高地下連續墻附近變形情況模擬的精確性，在地下連續墻附近對網格線加密，共劃分單元數177，節點數 1 555，應力點數 2 100，網格數為 2 684 個。鋼筋混凝土地下連續墻用板單元進行模擬，鋼筋混凝土內撐和鋼管內撐均采用點對點錨桿單元進行模擬。根據本工程實際情況，設定各邊界位移條件，其中基坑模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發生變形；下邊界任意方向的變形為零。計算模型如圖 1 所示。

圖1 計算模型圖

4.2 計算工況

根據經批準的專項施工方案，將本車站基坑開挖劃分為如下 8 個施工加載工況：工況①施工鋼筋混凝土地下連續墻，施加地面荷載；工況②開挖第一層土體至第一道內撐下 0.5 m；工況③施作第一道鋼筋混凝土內撐；工況④待第一道鋼筋混凝土支撐達到設計要求強度后，開挖第二層土體至第二道內撐下 0.5 m 處；工況⑤施作第二道內撐；工況⑥開挖第三層土體至第三道內撐下 0.5 m 處；工況⑦施作第三道內撐；工況⑧開挖至設計標高。對工況①～⑧進行數值模擬計算，得出各施工工序下坑底、地下連續墻變形和內撐軸力及地下連續墻剪力、彎矩變化情況和坑外土體變形情況。

5 各工況數值模擬情況

5.1 地下連續墻水平變形情況

經分析計算可知，地下連續墻水平位移隨著開挖深度的增加而變大。由于坑內土體開挖導致基坑外土體產生向基坑內的土壓力，且由于第 1 道支撐在墻頂以下1.5 m 處，此時地下連續墻相當于懸臂梁狀態，因此地下連續墻水平位移最大值出現在墻頂位置。在工序 2 狀態下，基坑第一層土體已經開挖，此時地下連續墻最大水平位移為 3.03 mm；工序 3 狀態下，施加第一道內支撐，地下連續墻最大水平位移為 3.38 mm，水平位移有增大的趨勢，主要是由于第一道內撐為鋼筋混凝土內撐，施工完畢后達到設計強度需要一定時間，此時地下連續墻仍屬于無內撐狀態，在坑外土體壓力下，向坑內水平位移進一步增大。隨著開挖工序的進行，坑內土體不斷被挖除，地下連續墻下部水平位移也不斷增大。在第 2、3 道橫撐處，由于橫撐的支撐作用，地下連續墻水平位移受到一定約束。工序 2～8 地下連續墻水平位移情況如圖 2 所示。

5.2 坑內土體回彈情況

圖2 工序 2～8 地下連續墻水平位移情況

在基坑施工前，坑內外土體處于應力平衡狀態。隨著基坑的開挖，這種原有的應力平衡狀態被打破，變形隨之發生。隨著基坑開挖的進行，坑內土體不斷處于卸載狀態，坑底土體有回彈和涌起現象發生。在工序 2 狀態下，第一層土體已經被開挖，此時坑底土體有回彈現象，變形為 2.8 mm。在工序 4 狀態下，此時底 2 層土體已經開挖且第 2 道內撐尚未施加，此時坑底土體有明顯的回彈現象，變形為 4.79 mm，且越接近基坑中心位置，位移越大（見圖 3）。在工序 8（見圖 4）狀態下，基坑土體進一步卸載，坑內土體最大位移量已接近 10.92 mm，且最大變形量仍出現在基坑中心位置。

圖3 工序 4 狀態下基坑垂直變形情況

圖4 工序 8 狀態下基坑垂直變形情況

5.3 基坑外土體變形情況

由于考慮到地面荷載按 25 kN/m 布置，因此經過計算發現在地面荷載處出現沉降溝現象。在工況1～3，地面最大沉降均出現在荷載布置處，最大沉降為5.21 mm。隨著開挖工作的進行，地面荷載處位移雖繼續增大，但速率明顯放緩。從計算情況來看，坑外一定范圍內的土體均有位移現象發生。從橫向來看，在工序 1 情況下，在基坑外側 30 m 處仍監測到位移現象發生，且隨著開挖的進行，坑外土體的位移影響范圍逐漸縮小，到了工序 8 情況下，最大影響范圍為基坑外20 m 左右。從縱向來看，隨著基坑開挖深度的增加，坑內土體位移影響范圍隨之增大。在工序 2 情況下，坑內土體位移約延伸到地面以下 35 m 處；在工序 8 情況下，在地面以下 45 m 處仍有位移現象發生。

5.4 地下連續墻內力情況

在工序 2 狀態下，地下連續墻處于懸臂狀態，承受負彎矩，最大彎矩值為 79.75 kN·m，出現在第一道橫撐處。隨著開挖的進行，彎矩極值隨之下探，且最大彎矩值不斷增大。在工序 6 狀態下，最大彎矩值為 100.73 kN·m，出現在深度約 13 m 處；在工序8狀態下，最大彎矩值為 156.01 kN·m，出現在深度約 16 m 處，且在 3 道支撐處，彎矩明顯有反轉現象發生，工序 2、4、6、8 地下連續墻彎矩圖如圖 5 所示。從剪力情況來看，隨著開挖深度的增加，坑外土體向坑內的擠入效應更加明顯，墻內剪力也隨之增大，在三道內撐處均出現剪力極值現象，且由于內撐的支撐作用，剪力出現正負突變。

圖5 工序 2 、4、6 、8 地下連續墻彎矩圖

6 結論

由于地質情況復雜，危險性大，因此深基坑工程是跨多學科的系統工程［8］，且風險貫穿勘察、設計、施工、監測等各個環節，坑外不當堆載、降雨、開挖、擾動等各種不利因素都可能對其造成安全影響［9］，因此在基坑施工前，通過有限元分析軟件對基坑的變形和支護結構的內力及變形情況進行模擬計算是很有必要的。

1）該地鐵車站基坑工程采用地下連續墻 +1 道鋼筋混凝土內撐 +2 道鋼管內撐作為圍護結構體系，整體剛度較大、穩定性較好，滿足施工要求。地下連續墻水平位移和豎直位移均小于 30 mm，最大側向位移為基坑開挖深度的 0.022 %，小于報警值。地下連續墻側向變形形態為內弧形，且最大位移出現在墻頂位置。受 3 道內支撐的作用，其變形在橫撐處有縮減現象發生。

2）隨著坑內土體的不斷卸載，坑內土體應力平衡狀態被打破，坑內土體有明顯的回彈現象，且越靠近基坑中心位置回彈現象越明顯。因此開挖到設計標高處時，為了基坑安全需及時施作底板。

3）坑外土體影響范圍一般為基坑寬度的 3 倍左右，深度為基坑深度的 2 倍左右。在地面荷載處，出現沉降溝現象，因此需對地面構筑物沉降現象加強監測。

PLAXIS2D 有限元分析軟件能夠精確模擬基坑開挖過程，能對基坑土體變形和圍護結構變形和內力變化數值模擬，精度能夠滿足施工需要。在實際施工過程中，基坑的變形、地表沉降及支撐內力等受坑外堆載、基坑暴露時間、降雨等外界環境因素影響較大，因此應對基坑變形情況加強監測，并及時有效應對，確保基坑整體安全穩定。