上軟下硬地層深基坑結構變形監(jiān)測及分析*

黃 鶯，方中義，李學聰，周清才，梅 源

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510308；3.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的快速推進，城市土地資源日趨緊張，開發(fā)地下空間是提升土地利用率的有效手段之一[1]。基坑工程作為地下工程的重要組成部分，保障其在施工階段的安全穩(wěn)定具有重要意義。我國基坑工程為基于變形的設計理念，該理念對認識基坑變形，特別是圍護結構的變形提出了更高的要求[2]。

目前，國內(nèi)外學者針對不同影響因素下基坑圍護結構變形規(guī)律進行了相應的研究。Tan等[3]通過對上海軟土地區(qū)多個深基坑實測數(shù)據(jù)進行匯總分析，發(fā)現(xiàn)長寬比較大的狹長型基坑，其圍護結構在坑角處表現(xiàn)出較強的抗變形能力，即坑角效應。Cui等[4]、李濤等[5]以實際工程為依托，運用數(shù)值模擬的方法探討鋼支撐軸力與圍護樁體水平位移之間的作用機理，并得出相應的形變規(guī)律。吳波等[6]以某軟土地區(qū)2個相鄰深基坑開挖為背景進行有限元模擬，結果發(fā)現(xiàn)當2基坑同步開挖時應注意保持開挖深度的一致性。郭海慶等[7]通過設計離心模型試驗并結合數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)圓形基坑相對于矩形基坑，受力更合理、變形量更小。陳保國等[8]通過模型試驗得出地連墻最大水平位移、內(nèi)支撐軸力與內(nèi)支撐體系調(diào)節(jié)方式之間的協(xié)調(diào)變形規(guī)律，并以此說明支護體系安全性與合理的內(nèi)支撐長度調(diào)節(jié)密切相關。針對不同地質(zhì)條件下深基坑開挖所導致的圍護結構變形問題，部分學者采用實測數(shù)據(jù)結合有限元模擬的方法，對基坑開挖不同階段圍護結構變形規(guī)律進行分析總結，提出適用于對應地層條件下結構變形的控制方法[9-13]。

上述研究推動了我國基坑工程的發(fā)展，但由于我國不同區(qū)域土層地質(zhì)條件差異極大，針對上軟下硬地層條件下基坑圍護結構變形分析仍不夠充分。因此，本文以廣州地區(qū)上軟下硬地層某地鐵盾構井深基坑工程為依托，運用MIDAS/GTS軟件，建立深基坑開挖三維有限元模型，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同工況下圍護結構變形規(guī)律，以期可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州地區(qū)某地鐵盾構始發(fā)井深基坑項目，基坑平面呈矩形布置，凈空尺寸為16.5 m×12.5 m，開挖深度37.2 m，開挖面積206 m2。

工程基坑地貌區(qū)域上屬于珠江三角洲沖積平原，上覆地層主要為第4系海陸交互相和沖、洪積地層，下部基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，具體土層分布狀況與參數(shù)如表1所示，由表1可知，開挖深度范圍內(nèi)地層具有明顯的上軟下硬特性。

表1 巖土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

由于該地區(qū)地下水豐富，基坑開挖深度較大，本工程采用地下連續(xù)墻+5道環(huán)框梁支撐作為其支護結構體系。其中地連墻厚1 m，嵌固深度1.5 m，采用C35P8水下澆筑混凝土。環(huán)框梁混凝土強度等級同地連墻，設計標高(底標高)從上至下依次為-2，-9.25，-15.5，-21.25，-27.25 m。截面尺寸(寬×高)：第1道環(huán)框梁為2 m×1 m，第3道環(huán)框梁為2.5 m×2 m，其余環(huán)框梁均為2.5 m×1.5 m。基坑剖面結構與地層位置關系如圖1所示。詳細施工工況及實際施工天數(shù)如表2所示。

表2 基坑施工工況Table 2 Construction conditions of foundation pit

圖1 盾構井剖面及對應地層分布關系Fig.1 Distribution relationship of shield well section and corresponding stratum

2 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測方案

由于基坑開挖深度大，地層條件復雜，對施工全過程進行現(xiàn)場監(jiān)測。本文主要分析圍護結構水平位移、內(nèi)支撐軸力變化量，故選取圍護結構水平位移監(jiān)測點為長邊中點ZQT3和短邊中點ZQT2，軸力監(jiān)測點位于每道環(huán)框梁各邊中點位置，由于環(huán)框梁數(shù)量較多，故選取第1，3，5道環(huán)框梁進行軸力分析，對應監(jiān)測點為ZCL1，ZCL2，ZCL3，ZCL4。所使用儀器主要為測斜儀、測斜管及軸力計，監(jiān)測平面布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測平面布置Fig.2 Monitoring plane layout

2.2 圍護結構水平位移分析

基坑圍護結構主要為地下連續(xù)墻，圍護結構穩(wěn)定與否直接關系到基坑整體的穩(wěn)定與安全。本次監(jiān)測數(shù)據(jù)包含基坑開挖全過程，長邊監(jiān)測點ZQT3及短邊監(jiān)測點ZQT2處水平位移變化曲線分別如圖3和圖4所示，正值表示偏向基坑側位移。

圖3 各開挖工況下ZQT3水平位移變化曲線Fig.3 Change curves of ZQT3 horizontal displacement under various excavation conditions

圖4 各開挖工況下ZQT2水平位移變化曲線Fig.4 Change curves of ZQT2 horizontal displacement under various excavation conditions

由圖3可知，墻體頂部和底部處位移變化量較小，墻體中部位移變化量較大。且隨著開挖深度的增大，位移最大值位置不斷下降，至開挖結束，位移最大值位于自然地表以下約27 m位置，約為0.7H(H為基坑開挖深度)，最大值為11.78 mm，小于警戒值(30 mm)。工況12處水平位移變化量較快，分析原因，主要由于基坑開挖面狹小，為滿足后續(xù)大型機械進駐基坑工作面破洞門的需要，在第5道環(huán)框梁施工前地層超挖3 m所致。

如圖4所示，為短邊ZQT2監(jiān)測點位移變化曲線，頂部水平位移最大值為4.08 mm，略大于長邊對應處位移。該側地面為進場材料堆放用地，使得該處地連墻上部位移較大。整體上看，ZQT2處水平位移變化趨勢與圖3保持一致，隨著開挖深度的增加，各工況下最大水平位移值逐漸增加，至開挖結束，最大位移位于0.7H附近，為8.97 mm。

綜上可知，本基坑至開挖結束，最大水平位移所處深度約為0.7H，上述統(tǒng)計規(guī)律能夠較好地反映出上軟下硬地層圍護結構變形特性，即最大水平位移所處位置有所上升，最大位移相對量明顯減小。這主要與基坑下部地層自身性質(zhì)較好，地下連續(xù)墻加環(huán)框梁組成的圍護結構整體穩(wěn)定性較高有關。

2.3 內(nèi)支撐軸力變化分析

內(nèi)支撐作為支護系統(tǒng)的重要組成部分，布設方式直接關系到圍護結構水平位移變化大小。盾構井因后期盾構機吊裝需要，且下部土層狀況較好，所以該基坑沒有選擇傳統(tǒng)的水平對撐，而是設置多道環(huán)框梁作為其內(nèi)支撐體系。

圖5，圖6和圖7分別為第1，3，5道環(huán)框梁軸力變化曲線，正值表示環(huán)框梁受壓，負值表示環(huán)框梁受拉。如圖5可知，隨著開挖深度的增加，第1道環(huán)框梁軸向力逐漸由受壓變?yōu)槭芾蚱渚嗟乇磔^近，受地面施工機械荷載，渣土、材料堆載影響，使得軸力變化差異較大，但最大軸力始終低于設計允許值(4 300 kN)。

圖5 第1道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.5 Change curves of axial force of first ring frame beam

圖6 第3道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.6 Change curves of axial force of third ring frame beam

圖7 第5道環(huán)框梁軸力變化曲線Fig.7 Change curves of axial force of fifth ring frame beam

第3和第5道環(huán)框梁埋設位置較深，受地面荷載變化影響較小，整體軸力變化較為穩(wěn)定，二者變化趨勢相似。隨著開挖深度的增加，支撐軸力先增加后保持穩(wěn)定，短邊處軸力值明顯大于長邊位置。第5道環(huán)框梁處于微風化粉砂巖層，地層條件較好，故趨于穩(wěn)定后的軸力值略小于第3道環(huán)框梁。至開挖完成階段，第3和第5道環(huán)框梁軸力最大值分別為5 645，4 559 kN(預警值分別為7 800，6 400 kN)，均低于設計預警值。

由圖3～7可知，隨著開挖深度的增加，各道內(nèi)支撐軸力最大值和墻體水平位移值整體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。基坑短邊方向墻體水平位移值較長邊方向較小，但軸力大小恰好相反，短邊方向軸力值顯著大于長邊方向。原因是該工程采用多道環(huán)框梁作為其內(nèi)支撐形式，同一道環(huán)框梁各邊截面面積相同，在所受土壓力相近的情況下，短邊處環(huán)框梁所受彎矩值較小。因而能維持較小的形變量，承擔大部分土壓力，從而使得墻體所受被動區(qū)土壓力減小，水平位移值降低，長邊方向則恰好相反。

3 有限元模擬結果分析

選用MIDAS/GTS/NX巖土工程軟件進行基坑開挖有限元分析。模型尺寸為237 m×233 m×110 m(長×寬×高)[14]。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格生成器，劃分單元尺寸約4 m。

假定各土層為規(guī)則分布的長方體，按實際土層厚度平均值對模型土層進行劃分。土體本構模型選用“修正摩爾-庫侖模型”，該模型能夠較好地模擬基坑開挖所引起的地層變形[15]。具體土層模型參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻采用二維板單元模擬，環(huán)框梁采用一維梁單元模擬。開挖具體工況如表2所示。模擬得到的開挖完成后圍護結構位移云圖如圖8所示。

圖8 開挖完成后圍護結構位移云圖Fig.8 Cloud diagram of retaining structure displacement after completion of excavation

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬對比

為驗證有限元模型的準確性，將開挖后圍護結構水平位移模擬值與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。如圖9所示，在基坑開挖完成后，圍護結構水平位移模擬值與實測值變化趨勢保持一致，隨著開挖深度的增加逐漸呈“凸”字型分布，最大水平位移值位于基坑深28.1 m處，與實測值基坑深27 m左右位置相近。模擬位移最大值為8.67 mm，與監(jiān)測值11.78 mm相比差值較小。如圖10～圖11所示，將支撐軸力監(jiān)測值和數(shù)值模擬值進行對比后可知，最大結果誤差為8.6%，誤差值較小，滿足工程應用要求，故該模型具有一定的準確性。

圖9 開挖完成后ZQT3水平位移變化對比曲線Fig.9 Contrast curves of ZQT3 horizontal displacement change after completion of excavation

圖10 開挖完成后第3道環(huán)框梁軸力變化對比曲線Fig.10 Contrast curves of axial force change of third ring frame beam after completion of excavation

圖11 開挖完成后第5道環(huán)框梁軸力變化對比曲線Fig.11 Contrast curves of axial force change of fifth ring frame beam after completion of excavation

3.2 圍護結構嵌入地層深度分析

選取嵌固深度分別為0.5，1.5，3，4.5，6 m工況對其進行模擬，數(shù)值模擬結果如圖12所示，模擬過程中沒有出現(xiàn)嵌固深度不足從而導致模型計算失效的問題。

圖12 不同嵌固深度下圍護結構水平位移對比曲線Fig.12 Contrast curves of horizontal displacement of retaining structure under different embedded depths

由圖12可知，不同嵌固深度下，圍護結構頂部水平位移基本保持一致，坑深15 m位置處，不同工況下結構水平位移變化量開始發(fā)生改變，但整體變化趨勢保持一致。圍護結構嵌固0.5 m時，水平位移最大值相比于1.5 m工況略微有所增加，為9.2 mm。隨著嵌固深度的增加，結構水平位移逐漸減小，但當嵌固深度增加至3 m工況時，因其地層條件較好，后續(xù)增加嵌固深度對結構水平位移幾乎不產(chǎn)生影響。從施工現(xiàn)場安全和經(jīng)濟角度考慮，該地層條件下，類似基坑工程圍護結構嵌固深度設定在1.5～3 m較為適宜。

3.3 圍護結構主體厚度分析

結構主體厚度是影響地連墻水平位移的另1個重要因素。設置0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種地連墻厚度進行研究，計算結果如圖13所示。由圖13可知，相較于嵌入深度，不同結構厚度對水平位移的影響較大，隨著厚度的減小，圍護結構各部位水平位移均有所增加，但整體變化趨勢和最大變形所處位置與監(jiān)測值保持一致，最大位移均處于0.7H(H：基坑深度)附近。但結構厚度達到一定值后，通過增加結構厚度來降低圍護結構水平位移效果不明顯，且造價較高。考慮到實際施工中可能產(chǎn)生的土體超挖和工程造價等因素，圍護結構主體厚度選取0.8～1.0 m較為適宜。

4 結論

1)隨著基坑開挖深度的增加，圍護結構水平位移最大值逐漸增加，長邊方向位移變化曲線呈“凸”字型分布，短邊方向上部呈“前傾型”、下部呈“凸”字型分布，最大位移值分別為11.78，8.97 mm，均位于0.7倍開挖深度位置附近。最大水平位移均位于各邊中點位置，坑角處位移值最小。相較于其他地層，上軟下硬地層深基坑圍護結構最大水平位移所處位置有所上升，最大位移相對量明顯減小。

2)各道內(nèi)支撐施做完成后，支撐軸力隨著坑深的增加先增加后保持穩(wěn)定，短邊方向支撐軸力普遍大于長邊方向。至開挖完成，最大支撐軸力位于基坑中部第3道環(huán)框梁，為5 645 kN，小于警戒值。

3)圍護結構嵌固深度會對其水平位移產(chǎn)生一定影響，隨著嵌固深度的減小，坑深15 m以下結構水平位移明顯增大，嵌固端變形明顯。當嵌固深度增加至3 m以上時，更大的嵌固深度不會引起結構水平位移產(chǎn)生明顯變化。類似工程圍護結構嵌固深度設定在1.5～3 m較為合理。

4)圍護結構主體厚度對基坑整體穩(wěn)定性至關重要。隨著結構厚度不斷增加，其整體水平位移值均有所降低。但厚度增加到一定大小時，僅通過增加結構厚度來控制位移發(fā)展效果不甚顯著，考慮到實際工況及工程造價等因素，圍護結構主體厚度選用0.8～1.0 m較為適宜。