深基坑開挖過程水平位移動態調整方法及其應用

閆騰飛，張 磊，陳保國，宗秋雷

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 610081)

0 引 言

隨著城市規模建設，深基坑地連墻支護體系逐漸成為開發地下空間的重要支護型式[1-3].基坑開挖具有三維空間效應[4-5].施工過程中的支護體系受力和變形特征與實際情況往往存在較大差異，導致支護體系時常出現局部變形過大或局部應力集中的問題.

當基坑鄰近有地鐵隧道或其他重要建筑物時，地連墻較大的水平位移將對周圍建筑物正常運行產生重要的安全風險[6-8]，同時對基坑正常施工產生極大的威脅.然而現有的設計方案難以考慮與實際施工中的變形差異，導致基坑施工面臨風險，甚至失穩破壞.

地連墻最大橫向變形取決于開挖深度、支撐剛度和土體特性[9].墻體位移隨支撐剛度的減小而增大[10].當面臨一些周圍無重要建筑物的基坑工程時，地連墻的水平位移只要控制在合理范圍內即可.支護體系局部應力集中將導致地連墻水平位移過小，軸力值過大.在實際工程中支護體系時常存在局部應力集中問題，且難以動態調整，對支護體系受力性能產生極大限制[11-12].因此，本文提出一種深基坑水平位移實時調整方法，并采用驗證后的數值分析模型研究該調整方法的可行性，最后研究分別調整S2～S4中的任意一道支撐時的支護體系受力特性.本文的研究工作以期指導工程設計和實際施工，提高基坑施工質量，降低風險.

1 深基坑水平位移實時調整方法

本文設計了一種長度可以調節的內支撐結構，改進后的內支撐如圖1所示.長度調節裝置可以由液壓控制.若地連墻水平位移過大，可通過伸縮裝置增加內支撐的長度.通過伸長內支撐抑制地連墻水平位移，提高基坑穩定性.若支護體系應力集中顯著，地連墻水平位移應在合理范圍內適當釋放，通過縮短內支撐來減緩支護體系內力，尤其是減小支撐軸力，防止內支撐體系失穩引起支護體系連續破壞.

實際工程中，絕大多數深基坑的第一道內支撐為鋼筋混凝土支撐，且一般承受豎向荷載.因此，本文提出的支護體系動態調整方法主要考慮調節除第一道混凝土支撐以外的其他內支撐(鋼支撐).

2 數值模擬

2.1 模型概況

本文依托深圳地鐵12號線上川站基坑進行研究.該長條形基坑標準段斷面如圖2所示，基坑寬20 m，開挖深度為18.5 m.支護體系采用0.8 m厚地連墻結合四道內支撐組合形式，地連墻高度為26 m，支撐自上而下依次采用1道混凝土支撐 (S1) 和3道鋼支撐 (S2、S3和S4).混凝土支撐截面尺寸為1 000 mm×800 mm，鋼支撐截面尺寸為?=609 mm，t=16 mm.

圖1 長度可調節支撐示意圖 圖2 基坑標準斷面

2.2 數值模型及參數

采用Midas(GTS)建立上川站基坑三維數值分析模型，數值模型如圖3所示.模型幾何尺寸長、寬分別為180 m和50 m.地層采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型、三維實體單元模擬，地連墻采用彈性模型、板單元模擬，內支撐采用彈性模型、beam單元模擬.模型底面約束水平和豎向位移，四周約束水平位移，模型上表面為自由邊界，不考慮排水固結作用.材料物理、力學參數如表1所示.

圖3 數值模擬

表1 數值模型材料參數

2.3 數值模型驗證

開挖結束后的地連墻水平位移及內支撐軸力分布規律如圖4和圖5所示.地連墻最大水平位移數值接近(模擬值為16.67 mm，實測值為16.38 mm)，且都位于深度14 m處.內支撐的最大軸力值都位于S3，且差異值小于5%.數值模擬得出的地連墻水平位移分布規律、內支撐軸力分布規律與現場監測結果一致，從而驗證了數值模型的可靠性.

圖4 地連墻水平位移 圖5 內支撐軸力曲線

下文將運用驗證后的數值模型分析內支撐在不同調整工況下支護體系的受力特性.

2.4 開挖過程中的動態調整分析

在開挖過程中緩解局部應力集中的支護體系動態調整特性如圖6和圖7所示.當基坑開挖至地面以下14.5 m時，支護體系局部應力集中問題將對后續施工帶來風險.結合動態調整構想，在確保安全的前提下主動釋放位移將緩解支護體系局部應力集中問題,由此調節S2、S3縱向減小10 mm.調節后的地連墻最大水平位移增大了25.9%，S2、S3軸力值分別減小了28.1%、6.9%.

圖6 地連墻水平位移變化規律 圖7 內支撐軸力變化規律

針對局部地連墻水平位移過大的支護體系動態調整特性如圖8和圖9所示.地連墻過大的變形趨勢將對后續施工帶來挑戰.基于動態調整構想，支撐縱向伸長將地連墻水平位移產生抑制作用.因此調節S2、S3、S4縱向增加10 mm.調整后的地連墻最大水平位移減小了21.4%，S2、S4軸力值分別增加了89%、24.8%.

本文支護體系動態調整的核心思路在于通過調節內支撐的長度促使支護體系內力重新分布，目的使支護體系受力更加適應不同施工階段的安全要求.數值結果表明，支護體系內支撐動態調整方法具有可行性.

圖8 基坑側壁水平位移變化規律 圖9 內支撐軸力變化規律

3 開挖結束后動態調整分析

為探討單獨某一道支撐長度的改變對支護體系受力特性的影響規律，在開挖結束后分別控制S2、S3、S4縮短2～8 mm或伸長2～8 mm.

3.1 規律分析

如圖10和圖11所示，當調節S2縮短2～8 mm時，地連墻最大水平位移保持在16.78 mm左右.0H～ 0.6H 深度范圍內地連墻水平位移增加，S2深度處地連墻水平位移依次增加10.1% (-2 mm)，20.3% (-4 mm)，30.4% (-6 mm)，40.5% (-8 mm).S2長度減小將使S2軸力值減小(依次減小23%、48%、72%、96%)，但同時也將導致S1和S3軸力值增加(S1：71%、142%、213%、285%；S3：10%、20%、30%、40%).當調節S2伸長2～8 mm時，地連墻最大水平位移保持不變.0H～ 0.6H 深度范圍內地連墻水平位移減小.S2深度處地連墻水平位移依次減小10% (+2 mm)，20.1% (+4 mm)，30.3% (+6 mm)，40.4% (+8 mm).S2長度增加將使S2軸力值增加(依次增加25.4%、47.8%、73.8%、95.6%)，但同時也將導致S1和S3軸力值減小，S1甚至出現拉應力.

綜上所述，S2長度調整不會改變地連墻最大水平位移值.S2長度調整僅對0.6H高度范圍內水平位移產生調節作用，且僅對S1和S3的軸力值產生影響，對S4的影響小于5%，可忽略不計.

圖10 調節S2(水平位移) 圖11 調節S2(軸力)

如圖12和圖13所示，當調節S3縮短2～8 mm時，0.3H～ 0.85H范圍內地連墻水平位移增加，地連墻最大水平位移依次增加1% (-2 mm)、2.1% (-4 mm)、4.2% (-6 mm)、6.5% (-8 mm).S3長度減小將導致S3軸力值減小(依次減小15.6%、31.2%、46.8%、62.4%)，也將導致S2和S4軸力值增加，但不會引起S1軸力值大幅度的改變.當調節S3伸長2～8 mm時，0.3H～ 0.85H 范圍內地連墻水平位移減小，地連墻最大水平位移依次減小1.1% (+2 mm)、1.7% (+4 mm)、2% (+6 mm)、2.3% (+8 mm).S3伸長將導致S3軸力值增加(依次增加15.6%、31.2%、46.8%、62.4%)，也將引發S2和S4軸力值減小，對S1影響可忽略不計.綜上所述，S3長度調整會對0.3H～0.85H高度范圍內水平位移產生調節作用，且影響地連墻最大水平位移值.該條件下S2和S4的軸力值變化較大，S1軸力變化較小，可忽略不計.

圖12 調節S3(水平位移) 圖13 調節S3(軸力)

正如圖14和圖15所示，當調節S4縮短2～8 mm時，0.5H～1.4H深度范圍內地連墻水平位移增加，地連墻最大水平位移依次增加4.5% (-2 mm)、9.1% (-4、mm)、13.6% (-6 mm)、18.2% (-8 mm).S4縮短將使S4軸力值減小(依次減小11.3%、22.6%、34%、45.2%)，也使S3軸力值增加，但對S1和S2的軸力值影響小于5%，可忽略.當調節S4伸長2～8 mm時，0.5H～1.4H深度范圍內地連墻水平位移減小，地連墻最大水平位移依次減小4.5% (+2 mm)、9.1% (+4 mm)、13.5% (+6 mm)、17.1% (+8 mm).S4伸長將使S4軸力值增加(依次增加11.3%、22.6%、34%、45.2%)，也將導致S3軸力值減小，但對S1和S2軸力值的影響可忽略不計.綜上所述，S4長度調整會對0.5H～1.4H高度范圍內水平位移產生調節作用，且影響地連墻最大水平位移值.該條件下S3的軸力值變化較大，S1和S2軸力值變化可忽略不計.

圖14 調節S4(水平位移) 圖15 調節S4(軸力)

3.2 工程建議

單獨調節一道內支撐下的支護體系最大軸力與最大水平位移之間的關系曲線如圖16所示.由圖16可知，當只對一道內支撐進行調節時，無論如何調節，支護體系都一定存在一個受力最優點.無論地連墻水平位移大于或小于該點，都將引起支護體系軸力值急劇增加.調節S1，S2，S3對應的斜率絕對值的比值如下：

本文條件下支護體系受力最優點為水平位移16.76 mm，軸力值1 347.09 kN.在工程應用中應根據不同地區實際情況設置靈敏度R1.通過內支撐長度調節裝置，使支護體系受力始終保持在以最優點為圓心，靈敏度R1為半徑的圓內.值得注意的是，該受力最優點并非定點，但其隨開挖工況的變化機理與規律尚不清楚，本文此處不做研究.

圖16 最大軸力—最大位移關系曲線

4 結論

1)本文提出一種開挖過程中支護體系位移和內力動態調整的方法，目的是使支護體系受力更加適應不同施工階段的安全要求.數值結果表明，該方法對開挖過程中和開挖結束后的支護體系動態調整具有很好的適應性.

2)支撐伸長或縮短對地連墻水平位移分別有抑制和釋放作用.單獨調節S2、S3、S4對地連墻水平位移的影響范圍分別為0H ～ 0.6H、0.3H ～ 0.85H、0.5H ～ 1.4H(H為開挖深度).

3)支撐調整將引起本道內支撐及相鄰的內支撐軸力發生變化.以單獨調節S3為例，當S3長度增加時，S3軸力值增加，S2和S4軸力值減小.當S3長度減小時，S3軸力值減小，S2和S4軸力值增加.

4)單支撐調節條件下的支護體系一定存在一個受力最優點，無論地連墻水平位移大于或小于該點，都將引起支護體系軸力值急劇增加.本文條件下的受力最優點為水平位移16.76 mm，軸力值1 347.09 kN.實際工程中應將支護體系受力狀況維持在受力最優點附近.