地下連續墻支撐開挖監測及數值模擬

俞 榮，呂紫君，張安琪

(1.南京振高建設有限公司，南京 211300； 2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210006)

1 概 述

地下連續墻是保持深基坑開挖穩定性的重要技術之一，在地下連續墻澆筑與基坑開挖過程中，如何確保結構的穩定是巖土工程界十分關注的問題[1-2]。在施工中做好動態的監控量測工作，是保障維護結構穩定性、降低工程風險的有效方式，同時采用數值模擬方法作為變形預測研究也具有重要意義。

為此，國內外學者進行了一系列的研究。Gordon等[3]研究認為，使用常規的土體模型在軟土地質環境下研究地鐵基坑周邊地表沉降以及圍護結構的水平位移會存在較大的誤差，提出了新的簡化半經驗軟土模型。LoKY[4]通過二維有限元模型，對多倫多市某地鐵工程的監測進行了模擬。Zdravkovic等[5-6]研究認為，有限差分法和三維有限元模擬法較二維有限元模擬法更可靠。江軼華[7]等基于小應變硬化土(Hardening soil small strain)模型，采用在單元表面施加荷載邊界條件的方法模擬泥漿護壁，建立三維數值模型，模擬地下連續墻施工過程。王進等[8]基于布里淵光頻域分析(BOFDA)技術,進行地下連續墻變形現場監測的方法與技術研究, 給出依據分布式光纖監測的應變數據換算地下連續墻變形的計算方法。余平等[9]采用地下連續墻加內支撐的支護方式，采取詳細的基坑監測方案。此外，還有學者通過現場測試，采用有限差分軟件FLAC3D對基坑變形數據進行比較分析[10-12]。

本文以南京市區某基坑項目為例，通過測斜儀分析開挖過程中地下連續墻的變形趨勢，采用數值軟件對基坑開挖進行模擬，對比分析莫爾-庫侖本構(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計算結果與實測結果之間的差異，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

本次分析的基坑開挖區域位于南京市區，距離街道約30 m,最近的建筑物在20 m以內。由于地下水位較高，根據工程勘察報告，建議基坑開挖時采用厚60 cm的地下連續墻技術。在項目實施期間，這些地下連續墻構成了開挖的擋土結構，并根據設計文件使用墻體設計和結構分析軟件進行靜態計算。由圖1的巖土工程勘察結果表明，在基坑開挖處，土層的頂層(1 m)由人工填土組成，下一層是有機粉土(約5.1 m，分為兩個亞層(厚3.3和1.8 m))，強度和剛度參數略有不同)，第三層是砂礫石(約7.3 m)，而墻底部存在黏土層。開挖是分期施工進行的，并在地下連續墻和鋼筋混凝土蓋梁完工后開始。

施工時，建造了厚度60 cm、深度16 m的地下連續墻，安裝了臨時支撐結構，并使用CFA樁為塔式起重機的深基礎架設了臨時柱，使建筑的其他部分能夠按照既定的工作計劃在干燥和安全的開挖范圍內施工。最終開挖深度約為10.5 m，地下水位在地形標高以下約3 m處。在施工的第一階段，在地下連續墻內進行挖掘。地下連續墻作為一個擋土結構一直延伸至停車場的一樓，在樓板完工并安裝臨時支撐結構后，采用自上而下的方法進行開挖。在開挖期間，對地下連續墻進行了詳細調查，并通過測量安裝在墻體內的測斜儀套管來監測其變形。工程完工后，發現地下連續墻的實測位移低于設計階段的估計值，這表明與深基坑相關的整個過程所采用的假設是正確的，并且工程計劃得到正確執行。

圖1 基坑開挖橫截參數及施工步驟

3 基坑變形監測

測斜測量的目的是在涉及地下三層地下連續墻內部開挖的施工期間，確定地下連續墻的變形程度。隨著基坑工程的開展，地下連續墻逐漸承擔由地壓引起的荷載，從而導致其發生位移和變形，這些變化通過觀察安裝在墻體內的測斜儀套管進行監測。本次使用傾斜儀測量每個套管中探頭的兩個位置，以便能夠計算測斜儀偏差和測量誤差不超過0.8 mm。每個套管的測量方向A+是朝向開挖的方向，方向B+是沿著監測墻的方向。將測斜儀套管安裝在地下連續墻面板內，深度為地面以下15 m，位于預計變形最大的位置。外殼的布置和數量見圖2。傾斜監測測量計劃在施工的每個階段結束時進行，第一次在地下第一層開挖完成后進行，第二次在第二層開挖完成后進行，第三次在開挖至最終深度后進行。

圖2 測斜儀的布置及數量

圖3為不同施工步驟下地下連續墻累積位移。

圖3 不同施工步驟下地下連續墻累積位移

由圖3可知，在基坑未開挖時，地連墻未發生位移變形，保持穩定。當第一次開挖后，整個地基深度內出現明顯的位移，在底部14 m處，向右傾斜4 mm，在高程0 m處累計位移最大為8.1 mm；當第二次開挖后，底部14 m處累計位移增大至8.1 mm，而最大累計位移發生位置轉移至地基中部，達到11 mm；最后，當地基開挖至底部時，地下連續墻整體累積位移最大，其中在地基底部14 m處，地連墻整體累積位移為17 mm，最大位移在地基深度9 m處，達到21 mm。

4 數值模型建立

本文使用Plaxis 2D軟件對擋土系統的性能進行評估。平面應變有限元數值模型包括3個施工階段，其中包括3個開挖步驟，每步開挖深度與施工時的開挖深度保持一致，還包括安裝兩個支柱的分析階段。計算中，采用重力荷載來確定底土的初始應力。土體采用兩種本構模型進行計算：一種為具有小應變剛度的硬化土體模型(HS)進行建模；一種為莫爾-庫倫本構模型。對于混凝土和鋼構件，采用彈性模型。與彈性模型相比，使用硬化土(HS)的優勢在于控制剛度參數，包括切線固結儀模量、割線三軸模量E50、卸載-再加載模量。圖4為本次建立的數值模型。數值計算參數見表1。

圖4 數值模型

表1 巖土計算參數

5 監測與數值結果分析

圖5、圖6分別為莫爾-庫侖模型本構和硬化土本構下，地基開挖引起地連墻位移變化規律。

圖5 莫爾-庫倫本構下地連墻位移變化

圖6 HS本構下地連墻位移變化

由圖5可知，對于莫爾-庫侖本構(M-C)模型，數值結果與實測結果具有明顯的差異。當第一次開挖結束時，二者地墻頂部和底部的位移相差不大，但M-C模型地墻中部的位移不到1 mm，而實測值為4 mm左右；當第二次開挖結束后，二者除地墻底部的位移相差不大以外，其余部分有明顯差異，在地墻中部二者最大位移相差5 mm以上；當開挖結束后，數值模擬值與實測值相差最大，達到10 mm左右。因此，使用莫爾-庫侖模型計算的結果會高估墻體的水平位移。

從圖6中可知，對于HS模型同樣可以看到二者的巨大差異，且隨著開挖步驟的深入，差異越明顯。當第一次開挖結束后，數值模擬與實測的地墻最大位移之差為5 mm；第二次開挖結束后，最大位移之差達到8 mm；當開挖結束后，二者的最大位移之差達到18 mm。由圖6可知，墻的數值計算位移和實際測量位移之間有強相關性，因為二者的變化趨勢十分相似。HS模型傾向于低估墻體底部的水平運動，這種差異的主要來源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對于復雜問題(如深基坑)，數值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進行建模，可以用來作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢判斷。而對于土壤參數的初步估計，建議采用更復雜的方法(例如三軸試驗)，以便更好地估計土壤參數，以此來提高計算位移和測量位移之間的相關性。因此，不建議使用莫爾-庫侖模型估算墻體位移，即使巖土參數的可靠度不是很高，使用硬化土模型也可以獲得與監測結果更為一致的結果。

6 結 論

本文以南京市區某基坑項目為例，通過測斜儀分析了開挖過程中地下連續墻的變形趨勢，采用數值軟件對基坑開挖進行模擬，對比分析了莫爾-庫侖本構(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計算結果與實測結果之間的差異。研究成果表明，M-C模型會高估地連墻體底部的水平運動，而HS模型會低估地墻底部位移，這種差異的主要來源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對于復雜問題(如深基坑)，數值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進行建模，可以用來作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢判斷。而對于土壤參數的初步估計，建議采用更復雜的方法(例如三軸試驗)，以便更好地估計土壤參數，以便提高計算位移和測量位移之間的相關性。