深基坑開挖引起的支護結構受力特性研究

趙 平，王占棋

(1.銅陵學院 建筑工程學院，安徽 銅陵 244000； 2.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

目前，地鐵工程建設日益增多，地鐵車站的建造難免需要開挖深基坑，深基坑工程的規模越來越大，地下空間已經得到廣泛開發利用，因此，深入研究深基坑開挖引起的支護結構受力特性對于基坑工程防災減災具有重要意義[1].近年來，有不少學者對相關問題開展了多方面研究，并取得一些有益成果[2-3].模型試驗方面，王子郡等[4]通過開展二次開挖的基坑排樁支擋結構模型試驗，研究了樁間距對組合支擋結構承載特性的影響，結果表明，隨著新增支護樁樁間距的增加，既有支護樁的最大彎矩值增大；冉啟仁等[5]開展了基坑開挖對鄰近建筑樁基彎矩和變形影響的模型試驗，結果表明，隨著離開挖面距離的增大，樁身最大彎矩出現上移趨勢；慕煥東等[3]以洛陽火車站地鐵車站明挖基坑支護工程為背景，對基坑開挖過程中支護結構側向位移變化規律開展了模型試驗研究.現場監測方面，王錦濤等[6]通過現場監測等方法研究表明，支護結構在基坑開挖的影響下所受內力以受壓為主；黃山景等[7]通過現場監測方法對比分析了非對稱基坑在嚴重偏壓作用下的支護結構內力響應；張珂峰等[8]對地下連續墻基坑的支護結構變形等的現場實測數據進行全面系統的分析.數值模擬方面，何平等[9]在ABAQUS中建立了平面豎向彈性地基梁法模型，研究了上海地區基坑圍護結構變形和內力受不同強度參數的影響；康亞樂[10]采用FLAC3D軟件對地下連續墻與支撐支護體系方案進行了研究，并提出了優化方案；楊琴等[11]利用MIDAS GTS軟件系統地研究了基坑兩側圍護結構剛度不等與兩側荷載不等情況下基坑的變形規律.

綜上所述，當前關于深基坑開挖引起的支護結構及周圍環境影響取得了較豐富的研究成果.但在目前的研究中，大部分學者選用摩爾庫倫為土體的本構模型，較少有學者采用修正摩爾庫倫本構模型研究深基坑開挖引起的支護結構受力影響，胡建林等[12]在進行深基坑變形數值分析時發現，使用修正摩爾庫倫本構模型進行基坑開挖方面的研究更具參考價值.現有研究表明，基坑工程具有很強的區域性[13]，數值模擬方法具有可以動態模擬基坑開挖與支護施工過程等優點，且現場監測可以對施工過程實施實時監控和動態控制，對有效確保基坑開挖施工過程和基坑周圍既有建筑的安全有一定的作用[14].本研究在上述研究的基礎上，以合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程為背景，基于修正摩爾庫倫本構模型，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數值模擬，研究了深基坑開挖引起的支護結構的受力特性，并將模擬結果與監測數據進行對比，驗證了數值模擬的可靠性，得到的結論可供類似工程參考借鑒.

1 工程概況

本研究對象為合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程.基坑平面形狀為矩形，寬度(X方向)為18 m，開挖深度(Y方向)為16 m.基坑的支護結構由地下連續墻+3道內支撐組成，其中，3道支撐均為圓管型鋼支撐，截面尺寸為D=609 mm，t=16 mm，內支撐具體位置布置在距離地表以下0 m、4 m與10 m處，內支撐水平間距均為5 m.地下連續墻為鋼筋混凝土墻，高度為24 m，其中嵌入土體深度為8 m，地連墻厚為1 000 mm.此外，地連墻彈性模量為3 000 000 kN/m2，泊松比為0.2，重度為28 kN/m3；鋼支撐彈性模量為215 000 000 kN/m2，泊松比為0.3，重度為78 kN/m3.基坑共分3次開挖，開挖深度依次為4 m、6 m與6 m.根據巖土工程勘察報告，簡化后的土層從上到下依次為人工填土(4 m)、可塑性黏土(6 m)、硬塑性黏土(6 m)、全風化砂巖(10 m)、強風化砂巖(10 m)與中風化砂巖(24 m).土層力學參數見表1.

表1 計算模型土層力學參數

2 建模與計算

2.1 基本假定

為了便于計算研究，數值模型設計有必要對實際情況進行一定簡化[13].本研究基本假設如下：由于基坑長度為504.85 m，寬度為18 m，呈窄長條形，分析計算簡化為平面問題；各層土體連續且均勻分布；不考慮地下水對圍護結構變形的影響；地下連續墻和內支撐均為彈性體；同一種材料為均質且各向同性.

2.2 建立模型

選取基坑的一個典型斷面作為計算斷面，使用MIDAS/GTS NX 建立2D基坑模型.該軟件在巖土工程中應用較廣[15].根據圣維南原理，考慮工程實際情況，本研究建立的整體二維模型寬(X)和高(Y)分別為118 m和60 m，遠大于預計基坑開挖影響范圍.模型坐標系按照圖1中所示.X軸正方向指向基坑寬，Y軸正方向鉛直向上,邊界約束條件參考文獻[16].此外，地下連續墻與土體在強度和剛度上存在較大差異，在外力作用下其界面有可能產生相對滑移或脫離[17].本次研究采用軟件自帶的庫倫摩擦界面單元體現地下連續墻與土體之間接觸面的特性.模型中法向剛度模量和剪切剛度模量取值分別為800 000 kN/m3和8 000 kN/m3.模擬時土體采用修正摩爾庫倫本構關系，計算模型土層力學參數見表1.模型中土體為考慮平面應變的2D面單元，地下連續墻與基坑內支撐均采用1D梁單元，網格劃分情況如圖1所示，數值模型共計7 359個單元，7 328個節點.

圖1 二維有限元模型

2.3 模擬施工

數值模擬的基坑開挖過程與實際現場基坑開挖過程保持一致，施工工況具體內容見表2.

表2 基坑開挖工況及具體內容

3 結果分析

3.1 數值模擬結果

3.1.1 基坑開挖對支護結構軸力的影響

圖2為基坑開挖過程中不同開挖工況引起的支護結構軸力云圖.由圖可見，基坑開挖會使支護結構產生軸力，且支護結構軸力對開挖深度較敏感，軸力隨著基坑開挖深度的改變而不斷變化.內支撐為受軸力的主要構件，地連墻在基坑開挖作用下也會產生軸力，但所受軸力相對于內支撐較小，為了突出研究重點，本研究對基坑開挖過程對內支撐軸力的影響進行具體分析.圖2(A)為開挖1引起的支護結構軸力云圖，由圖可見，第一道內支撐軸力大小約為-420.3 kN，該支撐受壓.圖2(B)為開挖2引起的支護結構軸力云圖，由圖可見，第一道和第二道內支撐軸力大小分別約為-264.6 kN和-1 041 kN，均為受壓構件.第二道內支撐所受的軸力遠大于第一道內支撐所受軸力，約為其3.9倍.此外開挖2階段第一道內支撐的軸力相較于開挖1階段大大減小，約為其0.6倍，此時，第一道內支撐軸力隨開挖深度的增加而有減小趨勢.圖2(C)為開挖3引起的支護結構軸力云圖，不難看出，第一道、第二道與第三道內支撐軸力大小分別約為-5.2 kN、-698.4 kN、-2 085 kN，均為受壓構件.從圖中還可以看出第一道內支撐軸力隨著開挖深度的增加而不斷減小，且第二道內支撐所受軸力也隨著開挖深度的增加而不斷減小，規律類似.這主要是因為，隨著基坑開挖深度的增加，內支撐數量也在逐漸增加，新增加的內支撐分擔了部分由上一道支撐所承受的壓力，進而表現為上一道內支撐所受軸力減小，這也說明了本次研究的深基坑開挖工程的支護體系設計合理，能有效抑制基坑開挖帶來的不良影響.此結論與何平等[9]在研究上海地區不同強度參數對基坑圍護結構變形和內力的影響時得出的結論一致.綜上所述，基坑開挖使得內支撐成為主要受壓力構件，此結論與王錦濤等[6]在研究車站深基坑變形規律與穩定性分析中得出的結論一致.此外，內支撐軸力對開挖深度較敏感，軸力隨著基坑開挖深度的改變而改變，基坑開挖完成后，內支撐的最大軸力約為-2 085 kN，出現在第三道內支撐的位置.因此，在深基坑設計和施工過程中要密切關注開挖引起的內支撐軸力變化情況，尤其是開挖3時支護的第三道內支撐的軸力變化情況.且由于內支撐受壓，故應根據具體情況選擇抗壓強度較好的材料進行內支撐的制作安裝，來減小基坑開挖帶來的不良影響.另外，第一道內支撐和第二道內支撐的軸力隨基坑開挖深度的增加不斷減小這一特征也要引起重視.在基坑設計和施工時，可以根據內支撐受軸力變化的特點，合理設計內支撐的相關設計參數，從而在保證安全的同時，取得更好的經濟效益.

圖2 支護結構軸力云圖

3.1.2 基坑開挖對支護結構彎矩的影響

圖3為基坑開挖過程引起的支護結構彎矩云圖.由圖可見，基坑開挖會使得支護結構產生彎矩，且支護結構彎矩對開挖深度較敏感，彎矩隨著基坑開挖深度的改變而改變.地連墻為受彎的主要構件，內支撐在基坑開挖情況下也會產生彎矩內力，但相較于地連墻，其所受彎矩相對較小，為了突出研究重點，本文對基坑開挖過程對地連墻彎矩的影響進行具體分析.圖3(A)為開挖1引起的支護結構彎矩云圖，由圖可見，地連墻最大彎矩值約為184.3 kN·m，出現在第一道內支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內側為主要受拉側.圖3(B)為開挖2引起的支護結構彎矩云圖，由圖可見，地連墻最大彎矩值約為389.3 kN·m，出現在第二道內支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內側為主要受拉側.圖3(C)為開挖3引起的支護結構彎矩云圖，不難看出，地連墻最大彎矩值約為498.1 kN·m，出現在第三道內支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內側為主要受拉側.綜上所述，基坑開挖使得地連墻成為主要受彎構件，地連墻彎矩對開挖深度較敏感，彎矩值隨著基坑開挖深度的改變而改變，彎矩的最大值隨著開挖深度的增加而有不斷下移的趨勢.基坑開挖完成后，地連墻的最大彎矩約為498.1 kN·m，出現在第三道內支撐和開挖面之間的位置.此外，觀察比較還可以發現，地連墻主要受拉側為內側(朝向基坑側)，且不同開挖工況下，最后開挖工況產生的彎矩最大.此結論與何平等[9]在研究上海地區不同強度參數對基坑圍護結構變形和內力的影響時得出的結論一致.

由圖3還可以發現，開挖2時引起的地連墻位于第一道內支撐和第二道內支撐的位置產生的彎矩最大值約為162.8 kN·m，相較于開挖1有減小的趨勢.此外，開挖3時引起的地連墻位于第一道內支撐和第二道內支撐的位置與第二道內支撐和第三道內支撐的位置產生的彎矩最大值分別約為85.9 kN·m和206 kN·m，相較于開挖1和開挖2都有明顯的減小趨勢.因此，在深基坑設計和施工過程中要密切關注基坑開挖引起的地連墻彎矩變化情況.尤其是開挖3時第三道內支撐和開挖面之間的位置的彎矩變化情況.且由于地連墻主要受拉側為基坑內側，故應在設計時對于地連墻彎曲變形要求較高的情況，可以適當在受拉側有針對性地布置一些鋼筋來減小基坑開挖帶來的不良影響.另外，地連墻位于第一道內支撐和第二道內支撐的位置與第二道內支撐和第三道內支撐的位置產生的彎矩最大值隨著基坑開挖深度的增加而有減小趨勢這一特點也要引起設計和施工的關注，設計者可以利用這一特征更加合理地對地連墻的設計參數進行優化，以此來達到提高經濟效益的目的.

圖3 支護結構彎矩云圖

3.2 數值模擬結果與現場實測對比分析

圖4為基坑開挖完成時右側地連墻彎矩模擬值與監測結果對比.由圖4可見，數值模擬結果與實際監測結果吻合度較高，驗證了本文所建立數值模型的可行性和模型參數取值的合理性與可靠性.表明本研究的數值結果對類似深基坑開挖設計與施工具有指導作用.此外，監測結果與數值模擬變化規律一致，監測最大值約為522.8 kN·m，數值模擬最大值約為498.1 kN·m，最大值出現的位置接近，都出現在第三道內支撐和開挖面之間的位置.此外，由圖4還可以發現，現場監測結果比數值模擬結果稍大，兩者相差約為24.7 kN·m，相差較小.這可能是因為在數值模擬過程中進行了許多理想化的假設條件，實際基坑開挖過程中基坑附近難免會有施工機械的擾動與施工期間降雨，進而出現兩者之間的差異.施工中應加強管理，盡量避免不必要的施工機械在基坑附近停留，同時施工材料堆放區應遠離基坑開挖影響區.

圖4 彎矩模擬值與監測值對比圖

4 結 論

本研究依托合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數值模擬，研究了深基坑開挖引起的支護結構受力特性，并與實際監測結果進行對比分析，得出以下結論：

1)基坑開挖使得內支撐成為主要受壓力構件，內支撐軸力對開挖深度較敏感，隨著開挖深度的增加而變化，開挖完成時最大軸力約為-2 085 kN，位于第三道內支撐處.在深基坑設計和施工過程中要密切關注開挖3時支護的第三道內支撐的軸力變化情況.同時內支撐應根據具體情況選擇抗壓強度較好的材料進行制作安裝，來減小基坑開挖帶來的不良影響.

2)基坑開挖引起的地連墻內力主要是彎矩，地連墻彎矩對開挖深度較敏感，隨著開挖深度的增加而變化，開挖完成時最大彎矩約為498.1 kN·m，監測值約為522.8 kN·m，都出現在第三道內支撐和開挖面之間的位置.地連墻主要受拉側為基坑內側，在設計和施工時對于地連墻彎曲變形要求較高的情況，可以適當在受拉側有針對性地布置一些鋼筋來減小基坑開挖帶來的不良影響.

3)數值模擬結果與實際監測結果吻合度較高，驗證了本研究所建立數值模型的可行性和可靠性.表明本文的數值模擬結果對類似深基坑設計和施工具有一定的指導和借鑒意義.施工中應加強管理，盡量避免不必要的施工機械在基坑附近停留，同時施工材料堆放區應遠離基坑開挖影響區.