地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑開挖過程分析

曹文峰，張俊騰，張李平

（1.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，福建 福州 350119；2.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 南平 353000）

0 引言

自世界上第一條地鐵在英國倫敦誕生以來，地鐵作為一種大運量、長距離、環(huán)保低碳、高效便捷的運輸工具在城鎮(zhèn)內(nèi)部大量出現(xiàn)。與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國地鐵建設(shè)雖然起步較晚，但隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，我國地鐵迎來建設(shè)高潮。截至 2018 年 12 月底，我國已有 32 個城市開通地鐵，運營總里程已達(dá) 5 066.76 km，車站 3 202 座，通車總里程居世界第一位。在地鐵的建設(shè)過程中，區(qū)間一般采用盾構(gòu)方式，但車站建設(shè)一般采用開挖基坑的方式建設(shè)。由于受道路、管線和建筑物密集的限制，一般均采用有支護(hù)形式開挖。在開挖的過程中，各種荷載疊加，工況復(fù)雜，因此地鐵車站深基坑開挖施工過程的安全性成為施工中必須面對和解決的重要問題［1］。

從地鐵車站基坑支護(hù)形式來看，主要有混凝土地下連續(xù)墻、混凝土圍護(hù)樁、土釘墻、SMW 工法樁、鉆孔灌注樁等形式。其中混凝土地下連續(xù)墻整體剛度大、防滲效果好、安全系數(shù)高、可兼做主體結(jié)構(gòu)等特點，是地鐵車站建設(shè)過程中常用的一種支護(hù)形式。

地鐵車站基坑開挖將會導(dǎo)致基坑周邊土體位移和應(yīng)力的改變，且這種改變在軟土地區(qū)變化更為明顯［2-4］，因此在基坑開挖前，需對基坑內(nèi)土體分層開挖，并對基坑各工況下穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計驗算［5-7］。本文以某地鐵車站基坑開挖為例，利用 PLAXIS2D 有限元軟件，對該基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，論證各開挖工況下基坑的安全情況。

1 PLAXIS 軟件

1.1 軟件簡介

1987 年，荷蘭 Technische Universiteit Delft 開發(fā)設(shè)計了 PLAXIS 軟件，目的是為了解決荷蘭國內(nèi)的軟土地基開挖穩(wěn)定性工程問題。目前該軟件廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的路堤工程、基礎(chǔ)工程和基坑工程領(lǐng)域，在國內(nèi)各設(shè)計、施工等單位也得到廣泛應(yīng)用。

1.2 本構(gòu)模型

PLAXIS 軟件提供了 2 種常用的土體分析本構(gòu)模型，分別是 MOHR-COULOMB 模型（理想塑性）和HARDENING-SOIL 模型（各向同性 HARDENING）。本文采用 MOHR-COULOMB 模型進(jìn)行計算。

2 工程概況

某地鐵車站總長度 386.7 m，站臺標(biāo)準(zhǔn)段寬 20.2 m，底板埋深約為 15.46 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)撐形式。地下連續(xù)墻厚度 800 mm，采用 C30 鋼筋混凝土。坑內(nèi)共設(shè)置 3 道內(nèi)撐，從上到下第 1 道為鋼筋混凝土（C 30）支撐，截面尺寸為 0.8 m×0.9 m，水平間距 6 m；第 2、3 道為鋼管支撐，尺寸為φ=609 mm，t=16 mm，水平間距 3 m，分別位于地下 1.5、5.5、10.5 m。根據(jù) GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，本基坑安全等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)取 1.1；支護(hù)結(jié)構(gòu)最大允許水平位移≤0.25 % H（H 為基層開挖深度）且≤0.03 m；地面最大允許沉降≤0.15 % H 且≤0.03 m。混凝土內(nèi)支撐和鋼管內(nèi)支撐主要計算參數(shù)如表 1～2 所示。

3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告及有關(guān)設(shè)計資料，車站基坑內(nèi)各地層巖性特征如下：第①層為素填土，平均層厚3.2 m，主要由黏性土回填形成，中夾雜少量中砂和碎石；第②層為中硬黏性土，平均層厚 3.4 m，中密，壓縮性低；第③層為砂性土，平均層厚 3.6 m，含黏粒，夾雜少量有機質(zhì)；第④層為中密卵石，平均層厚 2.8 m，分選性好，局部夾雜黏土；第⑤層為中風(fēng)化花崗巖，未揭穿，有少量風(fēng)化裂隙。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表 3 所示。

表1 混凝土內(nèi)支撐主要計算參數(shù)

表2 鋼管內(nèi)支撐主要計算參數(shù)

表3 基坑各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

4 模型構(gòu)建

因該車站基坑為狹長型，為簡化計算，取最不利斷面進(jìn)行分析計算。因本基坑長度相對于寬度較大，最不利斷面為橫斷面，故本基坑可簡化為平面應(yīng)變問題，可只取基坑寬度 1/2 進(jìn)行計算。為更好地模擬荷載分布情況，本工程計算寬度取 40 m。一般而言，深基坑開挖過程中，荷載在一倍于開挖深度內(nèi)有較大的影響，故本工程模型計算深度取 50 m。由此建立寬度為 40 m、深度為50 m 的計算模型。地面荷載按 25 kN/m 等效設(shè)置，布置在基坑邊緣 5 m 處。

4.1 計算模型

本工程網(wǎng)格疏密程度為中等，采用 15 節(jié)點單元模擬土體，間距為 1 m，格柵間分隔數(shù)為 1，重力加速度取 9.8 m/s2。為提高地下連續(xù)墻附近變形情況模擬的精確性，在地下連續(xù)墻附近對網(wǎng)格線加密，共劃分單元數(shù)177，節(jié)點數(shù) 1 555，應(yīng)力點數(shù) 2 100，網(wǎng)格數(shù)為 2 684 個。鋼筋混凝土地下連續(xù)墻用板單元進(jìn)行模擬，鋼筋混凝土內(nèi)撐和鋼管內(nèi)撐均采用點對點錨桿單元進(jìn)行模擬。根據(jù)本工程實際情況，設(shè)定各邊界位移條件，其中基坑模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發(fā)生變形；下邊界任意方向的變形為零。計算模型如圖 1 所示。

圖1 計算模型圖

4.2 計算工況

根據(jù)經(jīng)批準(zhǔn)的專項施工方案，將本車站基坑開挖劃分為如下 8 個施工加載工況：工況①施工鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，施加地面荷載；工況②開挖第一層土體至第一道內(nèi)撐下 0.5 m；工況③施作第一道鋼筋混凝土內(nèi)撐；工況④待第一道鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計要求強度后，開挖第二層土體至第二道內(nèi)撐下 0.5 m 處；工況⑤施作第二道內(nèi)撐；工況⑥開挖第三層土體至第三道內(nèi)撐下 0.5 m 處；工況⑦施作第三道內(nèi)撐；工況⑧開挖至設(shè)計標(biāo)高。對工況①～⑧進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出各施工工序下坑底、地下連續(xù)墻變形和內(nèi)撐軸力及地下連續(xù)墻剪力、彎矩變化情況和坑外土體變形情況。

5 各工況數(shù)值模擬情況

5.1 地下連續(xù)墻水平變形情況

經(jīng)分析計算可知，地下連續(xù)墻水平位移隨著開挖深度的增加而變大。由于坑內(nèi)土體開挖導(dǎo)致基坑外土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)的土壓力，且由于第 1 道支撐在墻頂以下1.5 m 處，此時地下連續(xù)墻相當(dāng)于懸臂梁狀態(tài)，因此地下連續(xù)墻水平位移最大值出現(xiàn)在墻頂位置。在工序 2 狀態(tài)下，基坑第一層土體已經(jīng)開挖，此時地下連續(xù)墻最大水平位移為 3.03 mm；工序 3 狀態(tài)下，施加第一道內(nèi)支撐，地下連續(xù)墻最大水平位移為 3.38 mm，水平位移有增大的趨勢，主要是由于第一道內(nèi)撐為鋼筋混凝土內(nèi)撐，施工完畢后達(dá)到設(shè)計強度需要一定時間，此時地下連續(xù)墻仍屬于無內(nèi)撐狀態(tài)，在坑外土體壓力下，向坑內(nèi)水平位移進(jìn)一步增大。隨著開挖工序的進(jìn)行，坑內(nèi)土體不斷被挖除，地下連續(xù)墻下部水平位移也不斷增大。在第 2、3 道橫撐處，由于橫撐的支撐作用，地下連續(xù)墻水平位移受到一定約束。工序 2～8 地下連續(xù)墻水平位移情況如圖 2 所示。

5.2 坑內(nèi)土體回彈情況

圖2 工序 2～8 地下連續(xù)墻水平位移情況

在基坑施工前，坑內(nèi)外土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著基坑的開挖，這種原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，變形隨之發(fā)生。隨著基坑開挖的進(jìn)行，坑內(nèi)土體不斷處于卸載狀態(tài)，坑底土體有回彈和涌起現(xiàn)象發(fā)生。在工序 2 狀態(tài)下，第一層土體已經(jīng)被開挖，此時坑底土體有回彈現(xiàn)象，變形為 2.8 mm。在工序 4 狀態(tài)下，此時底 2 層土體已經(jīng)開挖且第 2 道內(nèi)撐尚未施加，此時坑底土體有明顯的回彈現(xiàn)象，變形為 4.79 mm，且越接近基坑中心位置，位移越大（見圖 3）。在工序 8（見圖 4）狀態(tài)下，基坑土體進(jìn)一步卸載，坑內(nèi)土體最大位移量已接近 10.92 mm，且最大變形量仍出現(xiàn)在基坑中心位置。

圖3 工序 4 狀態(tài)下基坑垂直變形情況

圖4 工序 8 狀態(tài)下基坑垂直變形情況

5.3 基坑外土體變形情況

由于考慮到地面荷載按 25 kN/m 布置，因此經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)在地面荷載處出現(xiàn)沉降溝現(xiàn)象。在工況1～3，地面最大沉降均出現(xiàn)在荷載布置處，最大沉降為5.21 mm。隨著開挖工作的進(jìn)行，地面荷載處位移雖繼續(xù)增大，但速率明顯放緩。從計算情況來看，坑外一定范圍內(nèi)的土體均有位移現(xiàn)象發(fā)生。從橫向來看，在工序 1 情況下，在基坑外側(cè) 30 m 處仍監(jiān)測到位移現(xiàn)象發(fā)生，且隨著開挖的進(jìn)行，坑外土體的位移影響范圍逐漸縮小，到了工序 8 情況下，最大影響范圍為基坑外20 m 左右。從縱向來看，隨著基坑開挖深度的增加，坑內(nèi)土體位移影響范圍隨之增大。在工序 2 情況下，坑內(nèi)土體位移約延伸到地面以下 35 m 處；在工序 8 情況下，在地面以下 45 m 處仍有位移現(xiàn)象發(fā)生。

5.4 地下連續(xù)墻內(nèi)力情況

在工序 2 狀態(tài)下，地下連續(xù)墻處于懸臂狀態(tài)，承受負(fù)彎矩，最大彎矩值為 79.75 kN·m，出現(xiàn)在第一道橫撐處。隨著開挖的進(jìn)行，彎矩極值隨之下探，且最大彎矩值不斷增大。在工序 6 狀態(tài)下，最大彎矩值為 100.73 kN·m，出現(xiàn)在深度約 13 m 處；在工序8狀態(tài)下，最大彎矩值為 156.01 kN·m，出現(xiàn)在深度約 16 m 處，且在 3 道支撐處，彎矩明顯有反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，工序 2、4、6、8 地下連續(xù)墻彎矩圖如圖 5 所示。從剪力情況來看，隨著開挖深度的增加，坑外土體向坑內(nèi)的擠入效應(yīng)更加明顯，墻內(nèi)剪力也隨之增大，在三道內(nèi)撐處均出現(xiàn)剪力極值現(xiàn)象，且由于內(nèi)撐的支撐作用，剪力出現(xiàn)正負(fù)突變。

圖5 工序 2 、4、6 、8 地下連續(xù)墻彎矩圖

6 結(jié)論

由于地質(zhì)情況復(fù)雜，危險性大，因此深基坑工程是跨多學(xué)科的系統(tǒng)工程［8］，且風(fēng)險貫穿勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)，坑外不當(dāng)堆載、降雨、開挖、擾動等各種不利因素都可能對其造成安全影響［9］，因此在基坑施工前，通過有限元分析軟件對基坑的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況進(jìn)行模擬計算是很有必要的。

1）該地鐵車站基坑工程采用地下連續(xù)墻 +1 道鋼筋混凝土內(nèi)撐 +2 道鋼管內(nèi)撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，整體剛度較大、穩(wěn)定性較好，滿足施工要求。地下連續(xù)墻水平位移和豎直位移均小于 30 mm，最大側(cè)向位移為基坑開挖深度的 0.022 %，小于報警值。地下連續(xù)墻側(cè)向變形形態(tài)為內(nèi)弧形，且最大位移出現(xiàn)在墻頂位置。受 3 道內(nèi)支撐的作用，其變形在橫撐處有縮減現(xiàn)象發(fā)生。

2）隨著坑內(nèi)土體的不斷卸載，坑內(nèi)土體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，坑內(nèi)土體有明顯的回彈現(xiàn)象，且越靠近基坑中心位置回彈現(xiàn)象越明顯。因此開挖到設(shè)計標(biāo)高處時，為了基坑安全需及時施作底板。

3）坑外土體影響范圍一般為基坑寬度的 3 倍左右，深度為基坑深度的 2 倍左右。在地面荷載處，出現(xiàn)沉降溝現(xiàn)象，因此需對地面構(gòu)筑物沉降現(xiàn)象加強監(jiān)測。

PLAXIS2D 有限元分析軟件能夠精確模擬基坑開挖過程，能對基坑土體變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化數(shù)值模擬，精度能夠滿足施工需要。在實際施工過程中，基坑的變形、地表沉降及支撐內(nèi)力等受坑外堆載、基坑暴露時間、降雨等外界環(huán)境因素影響較大，因此應(yīng)對基坑變形情況加強監(jiān)測，并及時有效應(yīng)對，確保基坑整體安全穩(wěn)定。