明挖隧道深基坑變形影響因素研究

摘要：通過有限元分析軟件對(duì)基坑進(jìn)行模擬，以數(shù)值分析的方式研究了圍護(hù)樁參數(shù)與基坑變形的關(guān)系、基坑開挖寬度的影響，為基坑設(shè)計(jì)施工提供理論支持。結(jié)果表明，樁徑、樁間距以及嵌固深度對(duì)基坑變形所起到影響存在“邊際效應(yīng)”，嵌固深度在10m以上時(shí)所起到的作用較小。具體設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件綜合對(duì)比之下進(jìn)行確定最為合理的參數(shù)，可通過降低樁體剛度或嵌固深度方式對(duì)窄基坑進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：明挖隧道;深基坑變形;數(shù)值模擬;開挖寬度

0" "引言

隨著不斷推進(jìn)的城市化進(jìn)程，地下空間深基坑項(xiàng)目也在不斷增加。但當(dāng)前深基坑項(xiàng)目周圍常有密集的建筑物等分布，則存在較大的施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)重視深基坑項(xiàng)目施工時(shí)的變形規(guī)律，以最大限度確保施工安全。李博[1]通過有限元分析的方式探討了基坑變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，李淑[2]等人研究了國(guó)內(nèi)30多個(gè)深基坑項(xiàng)目，分析了基坑墻體在支護(hù)形式不同時(shí)的側(cè)移模式。雖然當(dāng)前已經(jīng)有較多關(guān)于基坑變形的研究，但隨著城市空間的不斷縮小，人們對(duì)于基坑變形的要求逐漸提高，對(duì)其變形規(guī)律做出進(jìn)一步的分析，有助于為施工設(shè)計(jì)提供更為全面的借鑒與參考。

1" "有限元模型

本文以某18.5m埋深的明挖隧道基坑為背景進(jìn)行研究。基坑上部土體有1：1的坡度，下部支護(hù)結(jié)構(gòu)為“鉆孔灌注樁加鋼支撐”。將1m長(zhǎng)度、直徑為12mm的土釘按照2.5m的間距以梅花形布置的方式，打入基坑上部的放坡體中。以長(zhǎng)度24m、直徑1000mm按照1.35m的間距布置鉆孔樁。使用Q235鋼管以3m的水平間距設(shè)置三道支撐。在斜坡和樁基間使用C25混凝土進(jìn)行網(wǎng)噴防護(hù)。

以實(shí)體單元模擬土體，以Liner和Beam單元模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，以線彈性本構(gòu)的方式進(jìn)行定義[3]。所建模型的尺寸為70m×21m×55m，考慮到荷載的作用，以與坑邊距離為2m的10m寬度的15kPa作為地面堆載，以10kPa作為平臺(tái)堆載，如圖1所示。以法向約束對(duì)模型側(cè)面進(jìn)行約束，以固定約束對(duì)模型底部進(jìn)行約束，頂部允許自由變形。

2" "圍護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)

明挖隧道基坑項(xiàng)目中未開挖側(cè)土壓力，主要依賴于鉆孔灌注樁進(jìn)行承受。對(duì)于樁體的剛度而言，樁徑、間距均有較大影響。圍護(hù)樁中的下滑推力主要通過周邊土體及嵌固地層的抗力分擔(dān)，以此保持基坑穩(wěn)定[4]。

2.1" "樁徑與樁間距

2.1.1" "樁徑

樁體在不同樁徑下的水平位移曲線如圖2所示。由圖2可知，樁體在樁徑不同時(shí)的變形均為弓形，且均在同一位置出現(xiàn)位移最大值。樁頂?shù)乃轿灰苾H在0.6m樁徑時(shí)超出基坑，且在-0.9m位置，即支撐位置出現(xiàn)拐點(diǎn)。分析原因在于，較小的樁徑下樁體有較大的柔性。此時(shí)基坑支撐發(fā)揮主要作用，在支撐軸力的影響下圍護(hù)樁出現(xiàn)一定形變。

圍護(hù)樁的剛度隨著不斷增加的樁徑而有所提高。此時(shí)基坑圍護(hù)樁是支護(hù)結(jié)構(gòu)中的主要受力結(jié)構(gòu)，頂部出現(xiàn)不斷增大的位移，而位移的最大值則不斷降低。樁體的最大位移在樁徑從0.6上升到1.1m時(shí)，約有41.5%的降低幅度，但水平位移最大值隨著不斷增大的樁徑，呈現(xiàn)越來越小的降低幅度。

基底的隆起值在0.6m樁徑上升到0.9m時(shí)約降低了0.9mm，且基底隆起值隨著不斷增加的樁徑基本不發(fā)生變化。樁徑變化對(duì)樁體基底以下位移的影響較小，支護(hù)樁不會(huì)因?yàn)椴粩嘟档偷臉稄蕉霈F(xiàn)更大的土體擠推作用。綜上可知，樁徑的改變對(duì)基坑隆起影響較小。

進(jìn)一步分析樁徑對(duì)地表沉降的影響，可得如圖3所示結(jié)果。地表沉降曲線在不同的樁徑下變化情況趨于一致，且約在與坑邊6m位置出現(xiàn)地表沉降最大值。地表最大沉降在0.6m樁徑上升到1.1m時(shí)約有41%的降幅。分析原因在于，隨著不斷增加的樁徑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度也在不斷增加，有效抑制了土體朝坑內(nèi)的水平位移，從而對(duì)坑外土體沉降起到約束作用[5]。且在地表沉降中，隨著樁徑的不斷增加其所能產(chǎn)生的作用在不斷減小。

對(duì)圍護(hù)樁在不同樁徑下的彎矩變化進(jìn)行分析可知，圍護(hù)樁的正彎矩最大值在0.6m的樁徑上升到1.1m時(shí)，約減小了178kN/m，最大負(fù)彎矩約增加了471kN/m 。綜上可知，圍護(hù)樁的正負(fù)彎矩隨著不斷增加的樁徑，表現(xiàn)出不同的變化情況，而圍護(hù)樁的最大彎矩受配筋影響最大。因此只有在圍護(hù)樁和支撐結(jié)構(gòu)的剛度比例適當(dāng)，圍護(hù)樁有較為接近的正負(fù)彎矩時(shí)，才能形成更為合理的受力。

2.1.2" "樁間距

樁間距不同時(shí)的樁體水平位移如圖4所示。由圖4可知，圍護(hù)樁水平位移最大值在1.2m樁間距上升到2.2m時(shí)，約有13%的增長(zhǎng)幅度。同樣，地表最大沉降值約有11%的增長(zhǎng)幅度，其與樁徑降低時(shí)的結(jié)果基本一致。圍護(hù)樁剛度隨著不斷增加的樁間距而有所降低，導(dǎo)致基坑變形有所上升。對(duì)比可知，樁徑變化對(duì)基坑變形造成的影響更大。原因主要在于，兩種影響因素對(duì)圍護(hù)樁剛度所起的影響程度有所區(qū)別，樁徑呈現(xiàn)出四次冪的影響程度，而樁間距僅為反比關(guān)系。

隨著不斷增加的樁間距樁體的彎矩也在不斷上升，原因在于，圍護(hù)樁需要承受的土壓力在逐漸增加的樁間距影響下不斷增加，使得樁體內(nèi)力不斷上升[6]。樁體正彎矩最大值在1.2m樁間距上升到2.2m時(shí)，約有11%的增長(zhǎng)幅度。同樣，負(fù)彎矩約有42%的增長(zhǎng)幅度。由此可知，樁間距對(duì)圍護(hù)樁的內(nèi)力有較大的影響，在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)予以重視。

綜上分析可知，圍護(hù)樁的剛度，隨著樁徑的不斷增加以及樁間距的不斷減小而有所增大，有效抑制了樁體水平位移和地表沉降。但在樁體剛度上升到某限值時(shí)，抑制作用有所減弱，即出現(xiàn)“邊際效應(yīng)”。

樁徑過大會(huì)使得成樁施工時(shí)的缺陷過大，而樁間距較小時(shí)則容易有斷樁情況出現(xiàn)，并且樁間土自承性能也會(huì)被限制，導(dǎo)致工程造價(jià)有所提高。因此，在設(shè)計(jì)基坑支護(hù)時(shí)，樁徑以及樁間距的確定，應(yīng)基于圍護(hù)樁強(qiáng)度以及樁間土穩(wěn)定性進(jìn)行考慮，不可盲目增大活減小。

2.2" "嵌固深度

圍護(hù)樁水平位移與嵌固深度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，樁體基底以下的水平位移，隨著不斷增加的嵌固深度逐漸降低。樁頂水平位移在4m嵌固深度上升到14m時(shí)，約降低了0.7mm，樁體的水平位移最大值約降低了1.4mm，樁底水平位移約降低了2.7mm。

由此可見，樁底位移在較小的嵌固深度下較大。樁底水平位移可通過適當(dāng)增加嵌固深度進(jìn)行有效抑制，原因在于基底以下土體在增加嵌固深度時(shí)，可以為圍護(hù)樁提供足夠的被動(dòng)土壓力。部分基坑項(xiàng)目產(chǎn)生事故的原因，在于支護(hù)結(jié)構(gòu)因缺乏足夠的嵌固深度而出現(xiàn)傾斜。針對(duì)于基坑項(xiàng)目處于軟土地區(qū)，在設(shè)計(jì)基坑項(xiàng)目的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須確保嵌固深度充足，以保障圍護(hù)樁足夠的穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析地表沉降與基坑隆起和嵌固深度間的關(guān)系可知，地表沉降和基底隆起在嵌固深度不同時(shí)變化趨勢(shì)類似，嵌固深度增加時(shí)兩者的變形有較大降低，但在12m以上的嵌固深度下抑制變形的幅度較小。

樁體基底以下部分在6m以上嵌固深度時(shí)有正彎矩出現(xiàn)，且隨著不斷增加的嵌固深度，彎矩值在不斷增加，但均在250kN/m以下。且正負(fù)彎矩的最大值有所降低。正負(fù)彎矩的最大值，在4m嵌固深度上升到14m時(shí)均有所減小。由此可知，圍護(hù)樁的受力隨著不斷增加的嵌固深度而有所改善[7]。在10m以上的嵌固深度下，改善效果較小。由此可知，該項(xiàng)目圍護(hù)樁應(yīng)采用10m以下的嵌固深度。

綜上分析可知，基坑變形可通過提高圍護(hù)樁嵌固深度的方式進(jìn)行抑制，尤其是抑制樁底位移的效果最佳，并可使圍護(hù)樁受力更為合理，使支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到有效提高。但嵌固深度大于某數(shù)值時(shí)，抑制基坑變形的效果逐漸減弱，且會(huì)使成本增加，即同樣存在“邊際效應(yīng)”。

3" "基坑開挖寬度對(duì)基坑變形的影響分析

以14m作為基坑樁撐的支護(hù)深度，選定四種不同的寬度進(jìn)行模擬。圍護(hù)樁不同部位位移統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1可知，圍護(hù)樁的變形在不同開挖寬度下表現(xiàn)出兩邊小而中間大的趨勢(shì)。圍護(hù)樁各個(gè)部位的位移，隨著不斷增加的基坑寬度表現(xiàn)出不斷增加趨勢(shì)。最大水平位移在7m的基坑寬度上升到42m時(shí)，約有134%的增長(zhǎng)率，但水平位移最大值所在點(diǎn)未改變，均處于樁頂下11.4m位置。在28m以下基坑寬度時(shí)，樁底和樁體最大位移的比值均隨著不斷增長(zhǎng)基坑寬度而表現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，且相比之下，樁底位移有較為顯著的增長(zhǎng)。

若圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入較差土質(zhì)，則容易導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“踢腳”現(xiàn)象。故在設(shè)計(jì)基坑時(shí)，若基坑的寬度過大，則應(yīng)將圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度以及嵌固深度適當(dāng)提升，以保證其穩(wěn)定性。同時(shí)，可通過適當(dāng)降低窄基坑的相應(yīng)參數(shù)來降低成本。

地表沉降隨基坑寬度變化曲線如圖6所示。由圖6可知，地表最大沉降速率在13.4m的基坑開挖寬度上升到28m時(shí)最大，沉降值隨著不斷增大的基坑寬度而不斷增加，但其位置基本保持不變，均在坑邊約5.5m位置。當(dāng)基坑在42m寬度下時(shí)，與坑邊有37m距離的地表約有1.95mm的沉降值，說明基坑深度2倍范圍內(nèi)是坑外土地沉降影響區(qū)域。

同理，對(duì)比基坑隆起值可知。基坑的最大隆起值在各種基坑寬度下均出現(xiàn)在圍護(hù)樁周圍。且基坑隆起最大值在42m基坑寬度下約有53.6%的增長(zhǎng)率。分析原因在于，樁體出現(xiàn)較大朝向坑內(nèi)的位移，導(dǎo)致基底遭到較強(qiáng)擠壓，引起土體出現(xiàn)過大隆起量。

圍護(hù)樁最大彎矩值如表2所示。分析圍護(hù)樁彎矩可知，圍護(hù)樁彎矩在僅改變基坑寬度而不改變支撐位置時(shí)，有基本一致的變形曲線。圍護(hù)樁第一道支撐在增加基坑寬度時(shí)，表現(xiàn)出正彎矩也隨之上升規(guī)律，而第二、三道支撐則表現(xiàn)出隨之減小的規(guī)律，各支撐間負(fù)彎矩均有所增加。

4" "結(jié)語

樁體水平位移以及地表沉降變形可通過增大圍護(hù)樁樁徑的方式進(jìn)行抑制，但隨著不斷增加的樁徑抑制效果逐漸減弱，在兩種影響因素中樁徑的影響程度較大，但樁身彎矩在增加樁間距時(shí)也會(huì)不斷增加。基坑變形和樁體彎矩可通過增加圍護(hù)樁嵌固深度的方式進(jìn)行抑制，但嵌固深度在10m以上時(shí)，抑制效果較弱，且對(duì)于窄基坑，可通過降低樁體剛度以及嵌固深度的方式進(jìn)行優(yōu)化。具體在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)比分析多種參數(shù)，基于經(jīng)濟(jì)性的要求選取最為合適的方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 李博.基于時(shí)空效應(yīng)的深基坑開挖與支護(hù)變形特性研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)， 2017.

[2] 李淑，張頂立，房倩.北京地區(qū)深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2012，31（11）：2344-2353.

[3] 吳云雷.海口某深基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)， 2018.

[4] 張顯飛.深基坑內(nèi)支撐支護(hù)體系及其數(shù)值研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)， 2006.

[5] 李海龍，吳家嵐，王志詳.明挖隧道深基坑變形監(jiān)測(cè)技術(shù)及分析[J].路基工程， 2010（5）：137-139.

[6] 李肖.明挖隧道深基坑變形監(jiān)測(cè)及數(shù)值計(jì)算分析[J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新， 2020（32）：34-36.

[7] 呂高樂，易領(lǐng)兵，杜明芳，等.軟土地區(qū)雙側(cè)深基坑施工對(duì)鄰近地鐵車站及盾構(gòu)隧道變形影響的分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)， 2018，"24（5）：682-691.