盾構(gòu)工作井基坑開挖變形特性分析

趙祥淦

（中車建設(shè)工程有限公司，北京 100078）

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國各大中城市大規(guī)模興建地鐵交通。地鐵車站基坑一般位于城市繁華地段，一旦出現(xiàn)問題將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。深基坑設(shè)計(jì)理念已逐漸由傳統(tǒng)的“強(qiáng)度控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤白冃慰刂啤薄；娱_挖對周圍環(huán)境及基坑自身的影響主要是以下4個(gè)因素：①圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工會造成周圍土體產(chǎn)生沉降。②基坑內(nèi)部土體開挖產(chǎn)生坑內(nèi)外土體應(yīng)力差的影響。③基坑降水引起土體發(fā)生固結(jié)產(chǎn)生的沉降。④土體后期產(chǎn)生的流變性等特性會進(jìn)一步發(fā)生沉降。

其中基坑開挖和降水產(chǎn)生的沉降占主要部分。徐中華對上海地區(qū)深基坑地連墻的變形形狀，對地連墻變形形狀影響因素進(jìn)行了比較深的分析，研究了基坑中插入比大小，支撐位置等對墻體位移的影響。劉念武研究了軟土地區(qū)基坑開挖對周圍建筑沉降的影響，表明了坑外土體沉降曲線為拋物線型，李大鵬總結(jié)了前人在研究基坑開挖對周圍環(huán)境影響的成果。潘靜杰研究了軟黏土地區(qū)深窄基坑的變形特性。深基坑開挖對周圍環(huán)境影響前者等人已經(jīng)研究的比較深入。但對盾構(gòu)工作井基坑開挖對周圍環(huán)境的影響研究較少。故文章結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合軟件應(yīng)用，進(jìn)一步研究地鐵盾構(gòu)基坑對周圍環(huán)境的影響和對地下連墻側(cè)向位移變形的特點(diǎn)。

1 工程概況

本工程位于臺州市路橋區(qū)財(cái)富大道與路院一級公路交叉口位置。盾構(gòu)接收工作井位于路院一級公路南側(cè)約 50.0 m，盾構(gòu)工作井平面按 27.0×17.0 m，開挖深約 19 m。盾構(gòu)工作井圍護(hù)體系采用地下連續(xù)墻+支撐形式支護(hù)，地下連續(xù)墻采用1.0 m 厚，C35 水下混凝土，墻深度 41 m。采用五道支撐體系，支撐位置距離地面分別為0.8 m、4.8 m、8.8 m、12.3 m、15.8 m。

本區(qū)地貌分區(qū)屬浙東南沿海丘陵平原，場地地貌屬沖積海積平原。本次勘察揭露地層最大深度為85.3 m，依次主要有：填土、黏土、淤泥、黏土1、含黏性土圓礫。含水層巖性為青灰色淤泥，局部間夾薄層粉土、粉砂、顆粒細(xì)，透水性差，地下水埋深 0.50~3.00 m。

2 有限元數(shù)值模型的建立

在有限元模擬時(shí)，對于長條形基坑長邊采用平面有限元分析是合適的，但短邊由于坑角效應(yīng)，存在三維空間效應(yīng)影響較大，故采用取平面尺寸長邊建立模型，采用plaxis 2D建立模型。由于是對稱模型，故只取一半即可。為簡化模型和建模方便，模型邊界采用文獻(xiàn)的規(guī)則。取基坑尺寸為13.5 m寬，19 m深，地下連續(xù)墻深度為45 m。故模型邊界距離為4He。土的本構(gòu)模型有多種類型，線彈性和摩爾庫倫模型雖然參數(shù)較少并且簡單，但是模擬土體變形有時(shí)很不理想，而HS模型屬于硬化模型，對于一般土體可適用，HS模型有10個(gè)參數(shù)。在建模和計(jì)算過程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡化，在本次數(shù)值模擬中采用了以下假設(shè)及簡化：本次數(shù)值模擬考慮坑外均布荷載 20 kPa。

在plaxis分布施工中，具體計(jì)算過程如下：①原始土體進(jìn)行K0過程。②進(jìn)行地下連續(xù)墻激活。③進(jìn)行開挖，挖至預(yù)先位置面，然后進(jìn)行支撐，再次開挖至支撐處，依次類推，直至挖至坑底處。基坑變形有限元網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 基坑變形后網(wǎng)格圖

3 有限元分析結(jié)果

3.1 地下連續(xù)墻的側(cè)向位移

關(guān)于圍護(hù)墻體變形鄭剛將內(nèi)支撐和錨拉系統(tǒng)開挖所致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分為三類：懸臂式，拋物線式，組合型。當(dāng)淺基坑無內(nèi)支撐時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生懸臂式位移，當(dāng)深基坑有內(nèi)支撐時(shí)，產(chǎn)生拋物線型或表現(xiàn)為組合型。當(dāng)深基坑深度隨著增加，對于多道內(nèi)支撐基坑，地連墻變形為組合型。該基坑變形如圖2所示，符合各個(gè)研究學(xué)者的規(guī)律結(jié)果。

圖2 基坑開挖深度與地連墻側(cè)向位移關(guān)系

隨著基坑開挖的進(jìn)展，每個(gè)工況下基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增大，且最大值深度位置也逐漸往下移。當(dāng)開挖深度較小時(shí)，地連墻側(cè)向位移呈現(xiàn)出上大下小的倒三角形曲線，隨著開挖深度不斷變大，地連墻側(cè)向位移由倒三角逐漸轉(zhuǎn)換為兩頭小，中間大的拋物線型式曲線。地連墻位移最大值處于基坑開挖面附近，與一般的基坑工程最大值位移處相符。

3.2 不同鄰近荷載下，地連墻的位移分析

由于深基坑周圍附近既有荷載存在情況多種，故用以0 Kpa、20 Kpa、40 Kpa作為荷載模擬，進(jìn)行對比。不同坑外荷載和地連墻相應(yīng)側(cè)向位移如圖3所示。無論有無荷載時(shí)，地連墻側(cè)向位移變形曲線形狀大致相同，都隨著地連墻的深度，地連墻側(cè)向位移先增大，后減小。從圖中可以看出，隨著鄰近基坑外部荷載的增大，地連墻側(cè)向位移最大值δmax呈逐漸增大趨勢，但δmax所在位置處幾乎沒有發(fā)生變化。

圖3 不同坑外荷載對地連墻側(cè)向位移的關(guān)系

3.3 坑底基坑隆起

當(dāng)基坑被動區(qū)的土體開挖卸荷時(shí)，被動區(qū)的自重應(yīng)力減小，原來在坑底的土體平衡力被打破，產(chǎn)生了向上隆起的趨勢，主動區(qū)的土體向坑內(nèi)移動的趨勢，也導(dǎo)致了坑底隆起。當(dāng)開挖深度He不大時(shí)，為彈性隆起，中間大、兩邊小，而且在開挖停止后很快停止。He較大且基坑較寬時(shí)，出現(xiàn)塑性隆起，隆起量由中部大變?yōu)閮蛇叴螅虚g小。抗隆起系數(shù)其中Su——不排水抗剪強(qiáng)度，r——土體重度，H——開挖深度，其中Nc由He/B（基坑寬度）決定，q——地面超載。對于長條形，方形和長寬比為2的矩形基坑隆起有過研究，研究表明方形比長條形的基坑抗隆起安全系數(shù)要大，認(rèn)為長條形深基坑按限定長度分段開挖，有助于提高抗隆起安全系數(shù)。盾構(gòu)工作井基坑既屬于He較大，又屬于基坑較窄，坑底以何種方式隆起仍需進(jìn)一步明確。

根據(jù)有限元結(jié)果分析表明，如圖4所示，剛開始開挖時(shí)呈現(xiàn)處坑底彈性隆起，基坑隆起變化量不大，隨著開挖深度的增加，尤其是最后幾步的開挖過程中，導(dǎo)致坑底隆起大幅度的增加，但整體還是體現(xiàn)處彈性隆起的狀態(tài)。坑底隆起達(dá)到了0.3%He的指標(biāo)，屬于稍微偏大范圍，說明深基坑的隆起量是個(gè)需要注意的項(xiàng)目指標(biāo)。

圖4 基坑隆起量與坑角位置的關(guān)系

3.4 插入比對該工程的影響

由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度較深，研究插入比對超深基坑的影響，能減少施工成本，節(jié)約時(shí)間。令基坑圍護(hù)長度為Hw插入比=。現(xiàn)將地連墻長度選擇為38 m、41 m、44 m、47 m、50 m時(shí)，地連墻最大位移如圖5所示。由此可以看出，適當(dāng)?shù)脑黾硬迦氡瓤梢詼p小δmax，但過大的插入比，不但施工過程變得復(fù)雜，對工程產(chǎn)生不經(jīng)濟(jì)性，而且對δmax影響不大甚至有略增大δmax的趨勢，與徐中華對插入比對最大側(cè)移影響的研究相同，且深基坑的插入比都比普通基坑小得多，故超深基坑插入比不是越大越好。

圖5 地連墻插入比對地連墻側(cè)向位移的影響

4 結(jié)論

通過建立數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值分析方法，對以上結(jié)果分析總結(jié)，得到以下主要結(jié)論：（1）盾構(gòu)工作井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)為組合型，即中間位置大，兩邊小，且最大開挖面處于基坑開挖處附近，最大位移所在位置處隨著開挖深度的增加而增加。（2）坑外不同荷載，對地連墻側(cè)向位移的最大值有影響，對最大值所在位置基本無影響。（3）基坑隆起量隨著開挖深度的增加而增加，彈性隆起時(shí)，中間大、兩邊小，最終發(fā)展為塑性隆起。（4）深基坑的插入比與一般的深基坑插入比相比較小，且合適的插入比可以既改善經(jīng)濟(jì)，又可改善地連墻側(cè)向位移的最大值。