長期中斷施工的深基坑數值模擬分析及施工對策

楊 柳 曹 虹

騰達建設集團股份有限公司 上海 200122

隨著城市軌道交通的不斷發展，深基坑工程也越來越多，深基坑工程向著更深、更寬、更復雜的方向發展。在工程施工過程中，往往會遇到各種問題影響施工，不可避免地出現中斷施工現象。深基坑往往采用臨時支護結構和支撐體系作為支護體系來保證基坑開挖和結構施工期間的安全。深基坑工程具有明顯的時空效應，中斷施工時間越長，時間效應的影響就越大，如何保證在中斷施工期間，圍護結構變形以及周邊地面沉降、坑底隆起等在安全范圍內是必須要解決的問題。

通過工程實踐可知，基坑變形具有時間、空間效應規律[1]，即基坑支護結構與周圍土體具有時間、空間關聯的特點，其主要體現在：基坑圍護結構墻體內力和位移隨時間增加而改變；基坑周圍的土體沉降及側向位移隨時間增加而改變[2]。中斷施工時間較長時，時間效應將成為主要影響因素，空間效應會變為次要影響因素[3]。中斷施工會對基坑穩定性、圍護結構水平位移、地表沉降、坑底隆起等方面產生影響[4]。

支撐伺服控制系統通過控制支撐軸力來控制基坑變形，將支撐軸力與基坑變形進行實時聯動，從而將被動控制轉變為主動控制，使得基坑控制向更積極、更自主的方向發展[5]。

1 中斷施工對基坑工程的影響

1.1 中斷施工對基坑穩定性的影響

土體具有流變性，在施工時間比較短時，表現不明顯；而當中斷施工時間較長時，土體的流變性將逐漸增大，圍護結構外側的土體強度將降低，支撐結構軸力將損失，圍護結構支撐體系的受力將發生變化，結構的穩定性將降低?；拥娘L險將變大，嚴重時將造成圍護結構變形過大、滲漏水，甚至基坑坍塌等事故。

1.2 中斷施工對圍護結構的影響

圍護結構的變形一般隨基坑的開挖而增大，最大開挖變形在開挖面附近，中斷施工后隨著時間效應的增大，土體抗剪強度隨著基坑暴露時間的增加而逐漸減小，圍護結構在較短時間內產生一定的水平位移，隨著時間的增加，圍護結構水平位移逐漸增加，同時圍護結構的內力與變形也隨之改變，基坑安全性漸漸降低。

1.3 中斷施工對地表沉降的影響

基坑開挖過程中，外側土體被擾動，地表會產生沉降；中斷施工后，隨著外側土體內的應力消散，土體變形會逐漸變小。地表沉降主要受圍護結構變形影響。中斷施工后支撐軸力會逐漸損失，圍護結構的變形會逐漸增大，而外側地表沉降也隨之增大。隨著中斷施工時間的增長，土體流變性越明顯，地表沉降也越大。而降低地下水后，土體內的有效應力增大，也會增大地表沉降。

1.4 中斷施工對坑底隆起的影響

基坑開挖卸荷后，坑底土體應力釋放，開挖的同時坑底會產生瞬時回彈，由于臨時中斷施工導致土體的流變逐步發展，故坑底隆起會隨著基坑暴露時間的增加而增加。基坑內側土體伴隨著應力釋放，具有了膨脹的趨勢而產生負孔隙水壓力，隨著臨時中斷施工導致基坑暴露時間的延長，負孔隙水壓力會逐漸消散，使得土體吸水膨脹，有回彈的趨勢，從而使得坑底隆起逐漸增大。

基坑開挖面周圍土體的應力水平處于開挖階段的最高值，基坑暴露時間過長，在一定條件下可能會造成流土、管涌等事故，需要慎重對待。

2 工程背景

上海軌道交通某地鐵車站，總長143.9 m，標準寬度25.2 m，為地下3層雙柱三跨14 m的島式站臺車站，覆土深度4.66 m。車站周邊建筑物較密集，建筑物與車站標準段地下3層基坑最近距離9.1 m，距車站端頭井基坑最近7.8 m；建筑物距車站外掛3號、4號風亭地下2層基坑最近6.9 m。

2.1 基坑概況

車站標準段基坑深約2 5.4 2 m，地下連續墻厚1 200 mm，深55 m；沿基坑深度方向設置7道支撐，其中第1、第5道為鋼筋混凝土支撐。第1道鋼筋混凝土支撐截面800 mm×1 100 mm，第5道鋼筋混凝土支撐截面1 000 mm×1 000 mm，頂圈梁截面1 100 mm×1 200 mm，第6道為φ800 mm（t=20 mm）鋼管支撐，其余均為φ609 mm（t=16 mm）鋼管支撐。

南端頭井基坑深約2 6.9 4 m，地下連續墻厚1 200 mm，深55 m；沿基坑深度方向設置7道支撐，其中第1、第5道為鋼筋混凝土支撐。第1道鋼筋混凝土支撐截面800 mm×1 100 mm，第5道鋼筋混凝土支撐截面1 000 mm×1 000 mm，頂圈梁截面1 100 mm×1 200 mm，第6道為φ 800 mm（t=20 mm）鋼管支撐，其余均為φ609 mm（t=16 mm）鋼管支撐。

北端頭井基坑深約2 7.3 7 m，地下連續墻厚1 200 mm，深55 m；沿基坑深度方向設置7道支撐，其中第1、第5道為鋼筋混凝土支撐。第1道鋼筋混凝土支撐截面800 mm×1 100 mm，第5道鋼筋混凝土支撐截面1 000 mm×1 000 mm，頂圈梁截面1 100 mm×1 200 mm，第6道為φ 800 mm（t=20 mm）鋼管支撐，其余均為φ609 mm（t=16 mm）鋼管支撐（圖1）。

圖1 基坑支撐布置剖面

2.2 地層

本車站地基土在80.00 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和黏性土、粉土和粉砂組成，一般具有成層分布特點?？辈斐晒砻?，擬建場地位于古河道沉積區，缺失⑥層，分布有⑤1t層灰色砂質粉土夾粉質黏土、⑤2-2灰色黏質粉土與粉質黏土互層、⑤31a灰色粉質黏土和⑤32b層灰色粉砂，這3層對基坑施工不利；⑤32b層灰色粉砂的厚度變化較大。

2.3 周邊建筑物及地下管線

本站周邊建筑密集，地下管線眾多。主要為3～5層建筑，以企事業單位、廠房為主。車站主體結構距建筑物邊線最近僅4 m。

3 模型建立及數值模擬

3.1 模型建立

絕大多數的軟土問題都可以用HS模型來分析，但是考慮蠕變，即次壓縮的情況下不宜用該模型。所有的軟土都有一定的蠕變性質，因此主壓縮后面總是跟隨著一定程度的次壓縮。假設次壓縮是主壓縮的1%，那么很明顯，當主壓縮量很大時，蠕變的問題是重要的。

SSC模型共有9個參數，包括：3個摩爾-庫侖強度參數，即有效黏聚力 、有效內摩擦角 、剪脹角 ；3個基本剛度參數，即修正的膨脹指標、修正的壓縮指標、修正的蠕變指標；3個高級參數，即卸載-重加載情況下的泊松比 （缺省值0.15）、正常固結狀態的應力比 、相關參數。這些參數可以通過等向壓縮試驗或者固結儀試驗來確定。

采用同地區以往的模型參數為參考，并根據變形實測反饋進行參數修正，使計算結果與實際基本一致，修正后的模型參數用于整個基坑的軸力計算。結合勘察報告，以反分析法和上海地區相關經驗取值得到SSC模型所需的相關參數。

3.2 數值模擬

該地鐵車站春節前施工至風亭底板，中斷施工2個月。為盡量減小中斷施工期間基坑圍護變形，采用有限元軟件進行模擬分析，計算不同方案下基坑圍護變形的增長情況。

計算模型如圖2所示，采用軟土蠕變本構模型，不考慮周邊建筑。

圖2 軟土蠕變本構模型

以0.1%H（H為開挖深度）為位移控制目標，在支撐承載力范圍內通過“雙控法”得到支撐初始施加軸力[6]。支撐初始施加軸力分別為：第2道鋼支撐-600 kN，第3道鋼支撐-700 kN，第4道鋼支撐-1 000 kN，第6道鋼支撐-1 300 kN，第7道鋼支撐-1 300 kN。

3.3 方案對比分析

1）方案一：僅在風亭底部澆筑底板。

2）方案二：澆筑風亭底板，并在節前加快施工至第6道支撐處，在第6道支撐處加內撐。

3）方案三：澆筑風亭底板，并將第6道支撐上移至與風亭底板齊平處（圖3）。

4）方案四： 施工至風亭底板處，并齊平風亭底板澆筑整塊墊層（圖4）。

圖3 第6道支撐上移示意

圖4 澆筑整個底板示意

5）方案五為無任何措施。

5種不同方案下的地下連續墻變形情況如表1所示。

表1 不同方案下的地下連續墻變形情況

根據以上幾個方案對比，考慮安全性和施工便利性，最終選擇方案四（澆筑整個底板）作為實施方案。實際中斷施工期間地下連續墻最大側向變形由22.08 mm增長至27.14 mm。與模型計算結果較吻合，也表明模型的選擇比較合理，控制效果較好。

4 中斷施工時的主要對策措施

4.1 基坑穩定性措施

采用支撐軸力伺服系統，減小軸力損失而引起的影響，增強圍護體系的整體穩定性、有效性。加強監測，坑內設置排水溝、集水井，及時排出基坑內的地下水。

4.2 圍護結構變形措施

采用支撐軸力伺服系統，增強圍護結構對外側土體的支撐效果，減小外側土體的應力消散。

4.3 地表沉降措施

采用支撐軸力伺服系統，降低圍護結構的變形，從而減小對外側土體的不利影響。減小基坑周邊附加荷載，盡量少堆放材料設備，減小振動。

4.4 坑底隆起措施

及時施做臨時板，可有效抑制坑底的隆起?？刹扇〉叵滤毓啻胧拥锥逊e臨時荷載，加強監測。

5 結語

深基坑中斷施工期間，存在著諸多危險，通過建立模型進行數值分析，可預測基坑變形的危險點。通過采取支撐軸力伺服系統的主動控制措施，可有效控制基坑變形；澆筑臨時混凝土板可提高圍護結構整體的穩定性，有效防止坑底隆起造成的影響。通過加強監測、地下水及時回灌、實行信息化施工等措施來降低對周邊環境的影響，確?；又袛嗍┕て陂g的安全性、有效性，對類似工程具有一定的借鑒意義。