蓋挖逆作法施工的地下連續墻變形性狀分析

李旭,丁克勝,張偉

(1.天津城市建設學院土木工程系,天津300384;2.天津城投建設有限公司,天津300143)

隨著城市建設的發展,深基坑工程設計計算控制標準也相應地從過去的基坑支護結構本身的穩定性轉向更高的基坑變形控制,以達到保護周圍環境的目的。所謂變形控制設計是指滿足自身和正常使用狀態限定條件的,與一定時域內控制變形目標相適應的支護結構體系設計,以及對變形實施控制的技術措施。由此可見,充分認識擋土結構在開挖過程的變形規律是進行變形設計的基礎。逆作法由于是先支撐后挖土,可使擋土結構的變形控制到最小程度,是一種比較先進的深基坑圍護技術,地下連續墻是這項技術的常用形式之一。對于不同的基坑形狀,在不同的水平支撐和開挖方式下,其擋土結構的變形特征有一定的差異,隨著變形控制設計理論在工程中的應用,開展對地下連續墻變形性狀研究分析具有重要意義。

1 地下連續墻變形的影響因素

地下連續墻是支護結構的豎向擋土結構形式之一,在基坑要求等級高,周邊建筑物密集的市區施工,對基坑變形提出了更為嚴格的要求。在設計支護結構時,不僅計算內力必須滿足要求,而且必須進行基坑變形估算。基坑工程的技術條件復雜,影響基坑變形的因素概括起來主要有基坑的支護形式、基坑開挖的幾何尺寸和開挖深度、有無內支撐或支撐的剛度、被動區土體是否加固、開挖的分區和先后順序以及土體的物理力學性質、施工管理等。其中基坑支護形式起決定性因素,地下連續墻支護體系是基坑變形最小的一種方式,影響其變形的主要因素有：地下連續墻自身剛度和穩定性;土方開挖方式和起點、每步土方分段數量、開挖順序與挖深,以及挖土進展速度;水平支撐剛度、位置和層數;地下連續墻與水平支撐的連接方式,特別是與頂層的連接;地下連續墻相鄰兩轉角間的長度(即墻段長度)及轉角形狀;地下連續墻與支撐的空間協調作用。

2 變形特性分析

地下連續墻擋土結構的位移形態與水平支撐的連接和基坑的開挖方式緊密相聯。研究表明,地下連續墻的變形有以下幾種型式：第一種為懸臂式,即在開挖過程中未設置支撐而發生懸壁變形的位移,如圖1(a)所示。第二種為頂端支撐下送的形式,即在開挖面以下某個深度處設置首道支撐,變形曲線呈現出在這一位置附近有較小的向內位移形態,如圖1(b)所示;第三種為在開挖初期就設置水平支撐,它與地下連續墻對接,二者之間的這種連接是先挖土再支撐,頂端也會出現正位移,如圖1(c)所示;第四種為在開挖土方前先設置水平支撐,且地下連續墻與其頂部水平支撐整體連接,即為蓋挖逆作法施工,其頂部在土方開挖初期為向坑外的負變形,水平支撐剛度不同,向坑外的負變形不同,但均可以很好的控制地下連續墻的側向變形量,如圖1(d)所示。

天津站交通樞紐工程是目前我國采用蓋挖逆作法施工規模最大的工程,監測項目和數量很多,地下連續墻的水平變形是其中之一。本工程地下連續墻變形監測等級為一級,采用預埋測斜管的方法監測其側向變形。在若干監測點中,本文選取同一墻段上的具有代表性的監測點,針對地下連續墻變形的時空效應進行研究,所選測點布置如圖2所示。

該研究墻段共有三個測孔,編號分別為CX01、CX02、CX03。基坑開挖采用從中間向兩側分段依次施工,所測得的主要工況下墻體測斜曲線如圖3(向坑內變形為正)所示。

從圖3可以看出：CX01,CX02,CX03三個測點位于地下連續墻的不同位置,各點的位移變化規律基本一致。地下連續墻在土方開挖前處于直立狀態,當第一步6.8 m厚土方開挖后,坑內土體應力得到釋放,由于蓋挖逆作施工,在頂部水平支撐的作用下,頂部地下連續墻向坑外凸出,隨開挖深度的加深,在一段時間內變形不斷加大。但隨著挖土時間的延續,頂端負位移開始減小。而支護結構下部的位移基本上隨著開挖深度的增加而不斷增大,但在第二道支撐6.7 m和第三道支撐13.3m處,由于受到支反力的作用,位移增加梯度明顯減小。地下連續墻最大變形位置逐漸向下移動,最大側移深度大致位于開挖面的附近。開挖至坑底25 m后,變形趨勢減緩。地下連續墻在其深度范圍內呈現出開挖面上下變形較大,兩端變形較小的曲線變形特征。開始時的頂端負變形越大,最后向坑內的正變形越小,符合結構力學計算的變形規律。這說明蓋挖逆作法施工對控制基坑變形是非常有效的。

另外對三個測孔處墻體最大位移進行比較,從圖4可以看出,在同一工況條件下,CX01最大變形為15.72mm,CX02為16.96mm,而CX03最大變形只有8.75mm。結合三個測點在地下連續墻的位置分析得出：CX03測點處于該段墻體的邊角處,該測點處兩段墻體相互支撐,形成了空間結構,有效控制了支護結構的變形,所以變形值最小;而CX01、CX02兩個測點處于墻段的中間位置,所以變形相對較大,在開挖過程中,測孔CX01處墻體變形略小于測孔CX02處墻體,這是由于基坑采用分段開挖,從右向左的方式依次施工,CX02處墻體開挖暴露較早,而CX01處墻體較晚,說明基坑施工開挖的順序對墻體的變形也有一定的影響。但隨著挖土范圍的擴大,支護結構的空間受力增加,內力產生重分布,變形在其彈性范圍內產生相應的改變,最后挖土停止。變形趨于平穩時,測點CX01的變形略大于測點CX02,說明在同一墻段內,墻段中心的變形最大。在墻的同一深度,沿墻段長度方向的側向變形同樣是兩端小,中間大的弓形。在實測中還發現,如果測點距墻段中心相同,但開挖不對稱,則先挖出點的變形略大于后挖點。由此可見,整個地下連續墻的變形為非對稱雙曲弓面形(豎向和縱向)。

從上述分析可以看出,該基坑由地下連續墻和蓋板及樓板組成的空間體系支護效果明顯,即時空效應顯著。

3 各深度測點隨時間的水平位移

由圖5～圖7各深度測點的變化曲線可以看出,各深度處的變形基本上呈現出一增一減的波浪形曲線,這與工況一、三、五、七澆筑樓板,工況二、四、六、八挖土相一致。三個圖的最大水平位移分別位于22.5m、20m和25m處,基本位于開挖面附近。雖然在支樓板時位移會相對減小,但隨著施工的進行,各位置處總的變形趨勢還是不斷加大。而且都呈現出早期增長速率快,后期增長速率慢的特點。

4 基坑開挖的數值模擬結果

由圖8可以看出,數值模擬的結果跟實測結果一致,最大位移都發生在開挖面附近,而且也呈現出在開挖面以上隨深度的增加,位移增長較快,開挖面以下位移減小較慢的非對稱曲線狀態。由三個模擬圖也可以看出在CX01點處變形最大, CX03處變形較小,較好的符合了實際監測數據。證實了蓋挖逆作法施工地下連續墻的變形為雙曲弓面形。

5 結語

1)根據開挖過程存在的時空效應,縮短基坑開挖后的暴露時間,盡快見底施工結構底板。

2)基坑整體開挖起始位置應選擇兩墻段的交接處、基坑的邊角或豎向支護結構的拐點,以減小地下連續墻變形量。

3)開挖后及時對墻體進行加固;在條件允許的情況下,多劃分施工單元。采取盆式開挖的方式能有效減小地下連續墻變形。

4)在不影響出土的前提下,減小地下連續墻的橫向長度,從而增加支撐剛度。

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