深基坑地連墻支護結構變形的有限元分析

孫興遠，劉亞文，梁進軍，王飛，徐金玉

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

1 概 述

在城市地下空間開發和高層建筑物的建設過程中，產生了大量深基坑工程，其規模和深度不斷增加。基坑工程是當前大家非常關注的巖土工程熱點，深基坑開挖的影響因素甚多，難度極大[1～4]。基坑開挖不僅要保證基坑本身的安全與穩定，而且要有效控制基坑周圍土體水平移動、豎直沉降等。實踐表明[5]，在基坑開挖過程中改變了原有土體的應力場以及地下水等環境因素，由此而引發諸多的環境巖土工程問題及工程事故，不僅危及工程安全，造成巨大的人員傷亡和經濟損失，而且影響城市道路交通、供電供氣、通訊等，引起社會不安。為了保證周邊建筑物的安全與正常使用,基坑設計和施工過程中必須嚴格控制對周邊環境的影響。本文結合南京梅子洲過江通道連接線—青奧軸線地下交通系統等相關工程J2區YK10+615～YK10+650里程段開挖實例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維模型，對該里程段基坑開挖過程進行了數值模擬，討論基坑開挖對鄰近土體影響。

2 工程應用

2.1 工程概況

南京市梅子洲過江通道接線工程-奧軸線地下交通系統及相關工程是2014年青奧會的主要配套工程之一。擬開挖J2區YK10+615～YK10+650里程段基坑長約313m，施工方法為明挖順作法，采用φ800地連墻作為基坑開挖時的支護結構，且不參與主體結構受力。基坑跨度約45m，開挖深度為14.3m～15.3m，地連墻深27.5m,格構柱下的φ1000鉆孔灌注樁長約12.5m。本里程段共設4道橫撐，第一道為1m×1m的混凝土支撐，2-4層支撐采用φ609mm（δ＝16mm）@3m的鋼管。為增加支護結構的橫向剛度，橫向設置了兩道立柱間距3m。

2.2 計算參數的選取

各物理參數及土層變化嚴格按照原設計圖及地質勘察報告取值，部分不詳參數按相關規范選取，具體參見表1。為了便于建模，對某些力學參數相近的土層進行近似合并（圖1）。

2.3 三維數值模型的建立

基坑開挖深度為16.25m、寬度為45m。為盡量減小人為邊界對計算結果的影響，計算模型（圖1）水平方向取至基坑范圍外40m，豎直方向從墻底底向下取19.5m。基坑開挖范圍內單元采用1m大小的四邊形單元，開挖范圍外采用1m～5m大小的四邊形單元，混凝土支撐及橫撐采用桁架單元模擬，總計劃分單元1902個。模型邊界條件為：左、右邊界x 方向位移為0；下邊界x、y、z 方向位移均為0；前后邊界y 方向位移為0。

2.4 分析計算

基坑開挖在充分考慮時間、空間效應的前提下，分層開挖、先支撐后開挖、每次開挖規定深度、嚴禁超挖的原則，隨挖隨撐，做好基坑排水，減少坑底暴露時間[6]。分部開挖，設地連墻和樁、坑底不加固等。為了滿足基坑開挖施工需要，每道一道支撐離開挖面總有一定距離(本工程為0.5m)。考慮實際施工過程，共劃分7個計算工況（以樁頂作為標高0.00m）。

①計算工況1：初始地應力平衡。把原狀土激活，計算初始地應力，位移清零。

②計算工況2：施作地連墻，施加地面超載（-20kPa）。

③計算工況3：初始開挖1m雜填土（-1.0m）。

④計算工況4：施作混凝土八角支撐及主支撐、混凝土連系梁，開挖至第1道支撐下0.5m（-5.2m）。

⑤計算工況5：施作第1道鋼支撐及鋼圍檁并施加設計的預應力，開挖至第2道支撐下0.5m(-9m)。

⑥計算工況6：施作第2道鋼支撐及鋼圍檁并施加設計的預應力，開挖至第2道支撐下0.5m(-12.75m)。

土層、支護結構物理力學指標及幾何尺寸 表1

⑦計算工況7：施作第3道鋼支撐及鋼圍檁并施加設計的預應力，開挖至坑底（-16.25m）。

計算中分析過程采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加了本施工階段的分析結果。上一個施工階段中結構體系與荷載的變化都會影響到后續階段的分析結果。

2.5 模擬結果與分析

對于基坑工程，土體是產生荷載的主要來源，但同時也是支撐體系的一部分，支護結構的變形不僅影響基坑的穩定性，也會使土體所受到的荷載和分布形態發生改變；由于基坑土方開挖卸載作用改變了原有的應力狀態，必然會導致支護結構發生變形。圖2為不同工況下支護結構沿深度的變形情況。提取各工況下模型的整體水平位移云圖如圖3所示。

結合圖2、圖3可知：

①基坑開挖的深度與地連墻的水平位移變化量近似呈正比，地連墻水平位移隨著開挖深度的增加而增加[7]。地連墻的在最后一次開挖結束后出現水平位移最大值。

②現對各工況下墻體水平位移的變化情況作對比分析，可知:支護結構的變形呈現“兩頭大、中間小”，這與常見多支撐圍護結構變形規律吻合[8]，驗證了該計算模型的可行性。其中第一步開挖后，墻體在頂部位移處產生的水平位移較大，此時圍護結構受力形式類似一根懸臂梁；第二步開挖后，墻體的位移分布形態有了一定變化，最大位移值點出現于開挖面以下4～5m處；第三步、第四步開挖后，隨著鋼支撐的架設完畢，墻體最大水平位移點逐漸向基坑下部移動，形成基坑中下部變形量最大的態勢，所以應該在中下部位置加強監測且要減少土體的暴露時間，鋼支撐架設要及時。

3 計算值與實測值的對比

作為起支護作用的地連墻，對其位移情況的實時監測，對于基坑、周邊建筑物、地下管線的穩定等具有非常重要的意義；必須使其最大位移不超過最大容許值[9]。現選取地連墻附近測斜點CX3的監測值，將其與計算值作對比。

由圖4可知，隨著開挖深度的增大，支護結構的水平位移不斷增加，且計算值與實測值基本一致，說明本模型基本準確，參數選取合理。但計算值較實測值偏大，可能是由于基坑開挖前已打入一定數量的工程樁等，使坑底得到了一定程度的加固，但本次模擬中未能考慮這些因素的影響。

4 結 論

本文針對J2區YK10+615～YK10+650里程段基坑應用有限元軟件MIDAS/GTS進行三維有限元模擬分析，并與實測數據對比，可得如下結論。

①基坑開挖的深度與地連墻的水平位移變化量呈正比，地連墻水平位移隨著開挖深度的增加而增加。地連墻在最后一次開挖結束后出現水平位移最大值。

②支護結構的變形呈現“兩頭大、中間小”，這與常見多支撐圍護結構變形規律吻合。

③通過與實測數據的對比得出有限元模擬結果與實際監測值相差不大，結果較為可靠可以反映實際情況，此模型具有可行性，比較符合實際，對實際工程有一定的指導意義。

④本次基坑數值模擬未考慮地下水的影響，關于地下水對于基坑圍護結構以及周邊環境的影響有待進一步研究。

[1]江曉峰,劉國彬,張偉立,等.基于實測數據的上海地區超深基坑變形特征研究[J].巖土工程學報,2010(S2).

[2]劉寶琛.綜合利用城市地面及地下空間的幾個問題[J].巖石力學與工程學報，1999(1).

[3]張建全.北京某深基坑工程施工監測與成果分析[J].工程勘察,2010(2).

[4]楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用[J].巖土力學,2004(12).

[5]秦前波,方引晴.基坑開挖及上蓋荷載對下臥隧道結構的影響分析[J].建筑結構,2012(6).

[6]胡斌,郭利娜,李方成，等.武漢地鐵名都站深基坑圍護結構水平變形分析與仿真模擬研究[J].工程勘測,2012(8).

[7]吳佩軫,王明俊,彭嚴儒,等.連續壁變形行為探討［A］.第七屆大地工程學術研究討論會[C].1997.

[8]劉燕,劉國彬,孫曉玲,等.考慮時空效應的軟土地區深基坑變形分析[J].巖土工程學報,2006(S1).

[9]劉杰,吳超平,錢德玲,等.基坑開挖引起下部地鐵隧道變形控制研究[J].合肥工業大學學報,2012(2).