臨江下立交匝道偏壓基坑開挖方案優化

王海龍，方燾，余小強，曹煌煌，郭俊

(1.南昌市政公用集團，江西 南昌 330000；2.華東交通大學 土木與建筑學院，江西 南昌 330013)

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臨江下立交匝道偏壓基坑開挖方案優化

王海龍1，方燾2，余小強2，曹煌煌2，郭俊1

(1.南昌市政公用集團，江西 南昌 330000；2.華東交通大學 土木與建筑學院，江西 南昌 330013)

摘要:南昌紅谷隧道東岸匝道采用明挖法施工，其中C和S匝道空間立交，岸上下高差顯著，基坑圍護結構局部處于懸臂偏壓狀，開挖風險大。針對此問題，利用大型有限元軟件ABAQUS建立全仿真模型，對不同開挖方案進行對比研究。結果表明：先開挖岸上C和S匝道至與岸下齊平，再同時開挖岸上和岸下基坑，圍護結構變形最小，基坑安全度最大。現場監測表明，圍護結構變形和受力已趨于穩定且均在可控范圍。優化方案保證了基坑開挖安全，可供類似工程借鑒。

關鍵詞：立交匝道；偏壓基坑；數值分析；現場監測

現基坑開挖深、面積大、形式多樣復雜，使基坑圍護結構的設計和施工越來越復雜。而對基坑開挖方法和施工的順序選擇有誤，對不利因素考慮不足引起的工程事故時有發生。基坑在開挖過程中，由于場地限制，而且周邊環境復雜，使基坑往往處于偏壓的狀態。基坑圍護作為一種臨時性結構，安全儲備有限，如何在設計和施工過程中考慮這些不利因素，并做到安全經濟，成為亟待解決的工程難題[1]。目前已有不少學者對偏壓基坑開挖做了諸多研究。理論研究方面，龐小朝[2]等分析了不對稱荷載作用下支護結構的受力和變形特點，同時考慮到支護結構與周圍土體變形的協調，提出了偏壓基坑多點支撐支護結構的設計計算方法。唐文鵬[3]探討了存在偏壓的非對稱基坑的支護結構設計，結合實例給出了偏壓基坑設計的基本思路和具體的計算過程,并通過分析計算結果提出偏壓基坑需要注意的事項。數值方法研究方面，徐長節等[4]采用有限元分析軟件PLAXIS，對基坑在不同挖深差和挖深分界面位置不同條件下的非對稱開挖進行了模擬。李新平等[5]利用數值模擬方法對不同偏壓距離下的基坑內力場和位移場變化進行研究。陳晨[6]采用現場實測及數值分析等手段對偏壓基坑圍護穩定性進行研究,進一步分析不同偏壓高度對圍護結構的影響。徐燁等[7]以南京地鐵3號線明發廣場站偏載深基坑工程為背景，采用二維有限元數值模擬分析偏載深基坑圍護結構內力分布及變形形態。熊健[8]以偏壓基坑的工程實例為基礎，對比分析HS模型與HSS模型2種本構模型在基坑有限元計算中的適用性。另外，不少學者通過模型試驗及現場監測手段來研究，石鈺鋒等[9]通過對基坑連續墻水平位移及內力的實測分析，系統研究偏壓基坑圍護結構位移和內力特征，對圍護結構穩定性進行評價。汪東林等[10]對既有緊鄰合寧高速公路偏壓作用下的深基坑開展其開挖過程中圍護樁水平位移、圍護樁豎向位移及其相鄰路基沉降規律的研究。劉波等[11]以合肥城市軌道交通工程建設過程中某緊鄰既有高速公路高填方路基偏壓深基坑為背景，通過現場監測資料，分析該深基坑在偏壓作用下圍護樁的樁體深層水平位移和樁頂水平位移、支撐軸力、基坑周圍地表沉降以及基坑開挖對鄰近高速公路的影響。本文針對坐落于南昌市在建的大型工程紅谷隧道東岸C和S交叉匝道基坑開挖方案優化問題展開研究。紅谷隧道東岸匝道采用明挖法施工，其中C和S匝道空間立交，岸上下高差10.5m，基坑圍護結構局部處于懸臂偏壓狀，若開挖方法不當，基坑將產生很大風險，甚至垮塌。因此，本文利用有限元數值方法詳細分析存在高差的C和S交叉匝道基坑開挖的施工方案，得出最優的開挖方法，優化施工方案，予類似基坑工程參考。

1工程概況

紅谷隧道東岸C和S匝道基坑立體交叉平面呈“剪刀”狀，其中C匝道位于下層，S匝道位于上層，C匝道結構頂板和S匝道結構底板共板。C匝道基坑設計起訖里程CK0+040～CK0+160，S匝道基坑設計起訖里程S1K2+800～S1K2+920。本文選取C匝道CK0+062～CK0+154段、S匝道S1K2+817～S1K2+911段為研究對象。C匝道CK0+104和S匝道S1K2+872里程設置地連墻封端墻，把C和S匝道基坑劃分為3個基坑，即岸上C和S匝道基坑、岸下C匝道基坑和岸下S匝道基坑。岸上匝道基坑和岸下匝道基坑場地高差10.5m，岸上和岸下場地按照1∶2坡度進行放坡，坡頂標高25.5m，坡底標高為15m。基坑局部空間位置示意圖如圖1所示。

單位：m圖1　基坑局部空間位置示意圖Fig.1 Local spatial location of foundation pit

1.1工程地質

基坑開挖及計算分析所涉及的主要土層有5層，自上而下具體分布情況如下：①素填土，10.5m，c=6kPa，φ=17°；②粗砂，5m，φ=32°；③礫砂，7m，φ=35°；④中風化泥質粉砂巖，9m，c=100kPa，φ=35°；⑤微風化泥質粉砂巖，28.5m，c=100kPa，φ=35.6°[12]。

1.2圍護結構參數

岸上C和S匝道基坑圍護結構為1m厚地連墻。岸上C匝道設6道支撐，第1和5層為0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，第2～4和6層為φ609鋼管支撐。岸上S匝道設4道支撐，第1層為0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，第2～4層支撐為φ609鋼管支撐。岸上C和S匝道交叉口部位設五層鋼筋混凝土支撐和一層鋼管倒撐。岸上C和S匝道基坑縱剖面圖分別如圖2～3所示。

圖2　岸上C匝道基坑縱剖面圖Fig.2 Profile of the shore C ramp foundation pit

圖3　岸上S匝道基坑縱剖面圖Fig.3 Profile of the shore S ramp foundation pit

岸下C匝道基坑圍護結構為1m，0.8m厚地連墻。設3道支撐。第1層為0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，支撐間距7m；第2～3層支撐為φ609鋼管支撐和0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，鋼管支撐間距3.5m。基坑剖面如下圖4所示。岸下S匝道基坑圍護結構為1m，0.8m厚地連墻。設3道支撐，第1層為0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，支撐間距7m；第2～3層支撐為φ609鋼管支撐和0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，鋼管支撐間3.5m。基坑剖面如圖5所示。

圖4　岸下C匝道基坑縱剖面圖Fig.4 Profile of the under C ramp foundation pit

圖5　岸下S匝道基坑縱剖面圖Fig.5 Profile of the under S ramp foundation pit

2數值分析

2.1模型建立

根據該基坑具體條件，保證基坑開挖對邊界產生的影響可以忽略，建立如圖6所示的三維模型。本模型三維尺寸為250m×300m×60m。

圖6　三維模型圖Fig.6 3D model diagram

模型的邊界條件為：模型四周土體在水平方向無變形，數值方向會產生沉降或隆起，因而對模型四周邊界條件設置X和Y方向的水平位移約束。底面約束3個方向的位移，上表面不作約束。

土體采用8節點的實體單元(ABAQUS中的C3D8單元)模擬，地連墻采用殼單元模擬，支撐采用梁單元模擬。地連墻與土體之間的接觸采用tie接觸。模型中的土層按均質土考慮。土體的本構關系采用M-C模型。參考地勘報告[12]，巖土體參數如表1所示。地連墻及支撐等采用線彈性模型，其有關參數如表2所示。

表1　相關土層參數

表2　地連墻及支撐參數

圍護結構模型圖如圖7所示。

圖7　圍護結構模型圖Fig.7 Model of the enclosure structure

2.2工況擬定

C和S匝道基坑開挖區域分布圖如圖8所示。擬定如表3所示3種工況，以供對比分析。

圖8　分區開挖平面圖Fig.8 Plan of excavation process

工況描述工況1區域1開挖10.5m,施作第2道混凝土支撐及拋撐,隨后開挖區域2和3,最后開挖區域一剩余部分;工況2區域1開挖5.4m,施作第2道混凝土支撐及拋撐,隨后開挖區域2和3,最后開挖區域一剩余部分;工況3區域1開挖10.5m,施作第2道混凝土支撐及拋撐,區域1,2和3同時開挖。

2.3計算結果及分析

取如圖9所示點，對圍護結構變形進行分析。

2.3.1工況1地連墻變形情況

如圖10所示為基坑開挖結束后地連墻的側向變形云圖。可以看出基坑圍護結構的側向變形存在明顯的三維空間效應，越靠近基坑開挖高度中部變形越大，基坑角點附近變形較小，這是由于土體的拱效應和基坑角點兩個方向地連墻結構的強大相互支撐作用(拐角剛度強化效應)有效限制了基坑角點維護結構的側向變形。

圖9　監控點布置圖Fig.9 Layout of monitoring points

圖10　地連墻變形云圖Fig.10 Deformation nephogram of diaphragm wall

基坑開挖后，岸上基坑內土體卸載，使得作用在內岸上基坑外側地連墻上的主動土壓力減小，作用在內側地連墻上的被動土壓力增大。

基坑內土體開挖時，在不同的開挖深度下，墻體變形基本表現為上大下小的平滑曲線，這是考慮下部墻體由于嵌固作用，側向變形較小，在數值模擬時將地連墻的下部與土體偶爾綁定在一起，所以出現的變形均為上大下小的平滑曲線。

工況2和工況3地連墻變形云圖與在工況1情況下的類似。

2.3.23種工況對比分析

如圖11所示為3種不同工況下地連墻各監控點的變形變化曲線。

圖11　3種不同工況下地連墻各監控點的變形曲線Fig.11 Deformation graph of diaphragm wall monitoring points at three different working conditions

表4為3種不同工況下地連墻各監控點的變形最大值。

表43種不同工況下地連墻各監控點的變形最大值

Table4Deformationmaximumofdiaphragmwallmonitoringpointsatthreedifferentworkingconditionsmm

工況監控點1監控點2監控點3監控點4監控點5監控點6監控點7工況1-0.890.77-4.713-6.5313.3-2.82工況2-1.20.75-4.713-6.5413.2-2.83工況3-0.740.7-4.613-6.5413-2.8

由圖11可以看出，在3種不同工況下，地連墻各監控點的變形趨勢基本一致，符合變形規律。但從變形量大小來看，工況3下地連墻各監控點總體變形最小。分析表4可知，監控點1在工況2下變形量為1.2mm,為最大量；在工況3下變形量為0.74mm，為最小量。監控點6在工況1下變形量最大，為13.3mm；在工況3下變形量最小，為13mm。其余各監控點在3種工況下變形量相差甚小。綜合上圖11和表4，對比分析各監控點變形量，可以看出，工況3情況下開挖，地連墻變形最小，因此工況3為最佳開挖方案。

3施工效果

C和S匝道基坑開挖，選擇上述工況3施工方案，并嚴格按照設計的要求，逐步施工。

施工中對C和S匝道地下連續墻進行監測，如下圖12為監測點分布圖。

圖12　監測點分布圖Fig.12 Distribution of monitoring points

測斜點CX-7的監測數據如圖13所示。

圖13　CX-7的監測數據Fig.13 Monitoring data of CX-7 point

測斜點CX-9的監測數據如圖14所示。

圖14　CX-9的監測數據Fig.14 Monitoring data of CX-9 point

測點CX-7累計變形量為-6.01mm,測點CX-9累計變形量為-5.67mm,都向基坑外偏移。遠小于變形控制值30mm。地連墻頂部測點水平位移累計值如表5所示。

表5　測點水平位移累計值

可見，位于基坑端部一定范圍內，地連墻向基坑外的位移相對顯著，但最大值只有7mm，遠小于控制值30mm。

4結論

1)C和S匝道基坑選擇工況3的開挖方案為最佳，即岸上基坑開挖10.5m，使得岸上開挖面與臨岸基坑開挖面在同一水平面，進而同時開挖。

2) 存在高差的深基坑，在偏壓的條件下，圍護結構地連墻水平位移隨基坑開挖深度增大而增大，朝低基坑側墻體位移比背低基坑側墻體位移大，基坑開挖至一定深度后，背低基坑側墻體上部向基坑外側移動。隨著基坑開挖深度增大，向外移動的趨勢增大。

3) 通過本文的研究，可以了解存在高差的基坑在開挖過程中變形的性狀，可利用有限元軟件模擬基坑開挖過程，優化施工方案，指導施工，減少工程風險。同時與施工監測的數據對比分析，確保工程安全。

4) 數值模擬分析的基坑圍護結構變形規律與實測相同，但具體的變形量大小存在一些差異。因此基坑開挖過程中，應實時監測基坑圍護結構的變形，達到動態施工的效果。

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* 收稿日期：2015-08-25

基金項目：江西省科技落地計劃資助項目(KJLD4036);南昌市政公用集團科技基金資助項目;國家自然科學基金資助項目(51208198)

通訊作者：王海龍(1981-)，男，江西信豐人，高級工程師，從事項目管理工作；E-mail：6953268@qq.com

中圖分類號：TU745.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1061-07

The excavation scheme optimization of beside river interchange ramp unsymmetrical loaded foundation pit

WANG Hailong1, FANG Tao2, YU Xiaoqiang2, CAO Huanghuang2, GUO Jun1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Abstract:East ramp of Nanchang hong-gu tunnel is constructed by using open excavation method, which the ramp C and the ramp S are interchanged in the space. This tunnel is in high-risk condition, because there are significant height differences between foundation pit on the ashore and under the ashore, and the local position of the retaining structure is in the cantilever bias. In order to analyse this problem, the simulation model is established in this paper and compared of different excavation schemes with large-scale finite element software ABAQUS. The results show that the deformation of retaining structures is minimum,and foundation pit safety is the largest in this condition,which is the ramp C and ramp S were excavated to the line of under ashore, and then excavate foundation pit on the ashore and under the ashore at the same time. The field monitoring data show that the retaining structure deformation and stress have been stabilished and controlled. By using optimize programs, the excavation of foundation is successful. It could provide reference for similar project.

Key words：overpass ramp; unsymmetrical loaded foundation pit; numerical analysis; field monitoring