軟土深基坑多撐同拆引起的地下墻與內襯共同作用實例分析

史 煒

上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

軟土深基坑工程的拆、換撐是深基坑施工的關鍵工序，也是重要風險之一。很多基坑根據設計要求，將鄰近的多道臨時支撐在沒有換撐的情況下全部拆除，從而出現多撐同拆的工況。“多撐同拆”形成較大的凈空高度，勢必會對基坑圍護結構及內襯結構的穩定性等產生較不利影響。

很多學者針對深基坑的拆、換撐技術進行過實例研究。成關鋒（2005）[1]以某深基坑工程為背景，通過換撐技術解決了由于內支撐拆除所導致的支護的穩定性問題。朱小軍（2010）[2]結合上海及周邊軟土地區的大量深基坑工程設計和施工案例，歸納總結了換撐方法，并對不同換撐結構的特點、適用條件、特殊條件下設計要點進行分析。秦勝伍（2020）[3]以某基坑工程為背景，通過數值模擬對基坑開挖和支撐拆除過程對周圍環境的影響進行了研究，發現支撐拆除階段與基坑開挖階段的變形規律相吻合。

還有較多學者針對基坑拆、換撐后的受力變形規律目前已經進行了大量研究，但對于多道支撐同時拆除不換撐的工況研究較少，且較少考慮支撐拆除后支護結構與內襯的受力變形及二者共同作用規律。因此本文將依托上海某深基坑工程，對“多撐同拆”工況下圍護結構與內襯的共同作用規律進行探究分析。

1 工程概況

上海某工作井深基坑工程，平面尺寸74.8m×(24.4～34.8)m，開挖深度30.5m。圍護選用1200mm厚地下連續墻，墻深70m，工字鋼接頭，支撐為6道鋼筋混凝土支撐。

1.1 多撐同拆施工

因在施工過程中涉及超大直徑盾構過站，為此，該范圍內第3～5道混凝土臨時支撐在沒有換撐條件下一次性全部拆除，使得多撐同拆后產生的軸力卸荷作用將對支護結構與內襯產生較大擾動，可能導致內襯開裂破壞或滲漏，從而影響永久結構內襯的使用性能。

1.2 現場測點布置

為確保施工安全，對墻體水平位移（監測點CX1～CX8），內襯鋼筋應力（G01～G03）以及裂縫寬度監測（LF1～LF12）等進行監測，監測點布置如圖1所示。

圖1 測點分布圖

圖2 地下連續墻在豎向上的水平位移

圖3 拆撐過程中混凝土應力變化曲線

2 計算模型與工況

2.1 土體本構模型選取

工作井基坑深30.5m，位于上海軟黏土地區，其土體靈敏度較高，因此在基坑開挖、架設支撐以及拆撐過程中會對土體產生較大的擾動，進而影響土體的強度及變形，因此為保證數值模擬計算的準確性選擇了HS本構模型。

2.2 模型基本假定

（1）假設同一土層厚度一致且保持水平，不考慮實際土層厚度變化的影響，土體本構模型采用土體硬化本構模型（HS模型），為各向同性均質材料；

（2）本模型主要關注深基坑多撐同拆施工工況下，地下連續墻與內襯墻的受力變形以及二者的相互作用規律，因此基坑開挖及支撐架設均在同一分析步里完成；

（3）假設地下連續墻、內支撐、圈梁、底板、中板等圍護結構物均采用理想線彈性模型；

（4）模型中地面標高0.000m初始地下水水位為-0.500m，激活地下連續墻后將地下水位一次性降至設計坑底標高以下，不考慮地下水滲流的影響；

（5）為簡化建模和計算過程，簡化了支撐布置，省略部分混凝土系桿，并且不考慮基坑周圍建筑物荷載、地面堆載和施工荷載的影響。

2.3 模型建立

工作井基坑長×寬×深：為74.8m×(24.4～34.4)m×30.53m，根據影響范圍為2～3倍開挖深度，選定模型尺寸為長×寬×高：220m×180m×100m，共劃分為248011個單元，393045個結點。

為探究“多撐同拆”工況下地下連續墻與內襯共同變形規律，采用板單元與實體單元模擬地下連續墻與內襯，并在地下連續墻迎土面及背土面分別建立了正、負界面模擬地下連續墻與周圍土體及內襯的接觸關系。

2.4 模擬工況

通過PLAXIS 3D軟件模擬的“多撐同拆”工況如下所示。

階段0：平衡初始地應力階段；

階段1：激活地下連續墻及正負界面；

階段2：降低坑內地下水位至工作井基坑坑底設計標高以下；

階段3：分步開挖，逐次激活1～6道混凝土支撐；

階段4：激活底板并殺死（拆除）第六道混凝土支撐；

階段5：激活內襯及B1板；

階段6：殺死（拆除）第五道混凝土支撐;

階段7：殺死（拆除）第四道混凝土支撐;

階段8：殺死（拆除）第三道混凝土支撐

本文重點研究第五、四、三道混凝土支撐同時拆除過程中內襯與地下連續墻的共同作用規律，“多撐同拆”模擬工況與實際工況的對比如表2所示。

表2 工況對照表

表3 實測與理論計算地墻水平峰值位移對比

3 現場實測對比分析

3.1 地下墻變形監測

支護結構的受力變形是否處于安全限值內對于基坑在支撐拆除過程中能否保持安全穩定狀態起著至關重要的作用。在有限元模型中選取CX1、CX4監測點位置處地下連續墻的水平位移結果與現場該測點實測數據進行對比分析。

地下連續墻豎向水平位移的數值模擬與實測數據對比可分析得到：二者變化趨勢大致相同，均大致呈“弓形”，即兩頭小中間大的拋物線，且最大位移出現位置相近；此外，基坑內地下連續墻部分的數值模擬結果要比入土部分更加接近實測值，基坑內地下連續墻的模擬效果要優于入土部分地下連續墻。

由上表可知，除測點CX1外的其他測點的數值模擬得出的地下連續墻的位移均整體大于實測位移。最大水平位移出現在測點CX2處為251.48mm大于實測結果220.19mm，相差14.21%；最大偏差出現在測點CX5為18.85%，該測點處最大水平位移為149.82mm大于實測結果126.05mm。

造成偏差的主要原因有以下幾點：（1）在數值模擬過程中的基坑降水施工是在一個施工步驟完成，沒有考慮實際降水過程存在的時間因素，導致基坑開挖過程中的水土壓力差與實際存在差異，使得地下連續墻整體位移偏大，進而使得拆撐過程中的累計位移略大于實際值；（2）在基坑支撐體系中簡化了混凝土系桿使得支撐效果與實際存在差異；（3）在土層的建立過程中為簡化建模難度，假定了每層土是水平等厚與實際土層有所差異。

綜上，數值模擬結果與實測數據結果整體偏差不大，且二者變化趨勢一致，說明所建立的模型較為合理。

3.2 內襯應力監測

3.2.1 內襯應力分析

在鋼筋混凝土結構的正常使用階段，鋼筋與混凝土間保持良好的粘結性能且無滑移，二者變形之間符合變形協調規律，故可使用內襯鋼筋應變實測數據計算得到內襯混凝土在拆撐過程中的應力值，以此分析內襯是否處于正常受力范圍內。

在G01、G02、G03測點處的混凝土應力均處于較低的水平，最大拉應力為0.54MPa，小于內襯所采用的C35混凝土的抗拉強度設計值1.57MPa。因此在支撐拆撐過程中，內襯受拉區混凝土的應力狀態處于安全限度內，不會因為混凝土裂縫地產生而影響內襯的使用性能。

內襯混凝土結構的應力分析無法反應整個截面的受力情況，因此根據上述混凝土應力變化值，對內襯抗彎承載力進行驗算。由于現場實測混凝土應力均小于抗拉強度，因此采用開裂前鋼筋混凝土受力模型取每延米進行計算內襯所受彎矩。

根據計算得到內襯豎向計算彎矩787.50kN·m/m，橫向計算彎矩128.36kN·m/m。而實測豎向彎矩87.63kN·m/m，橫向彎矩79.69kN·m/m。多撐同拆過程中豎向、橫向實測彎矩均小于理論計算彎矩；內襯豎向實測彎矩與計算彎矩存在較大差異，橫向上誤差不大，均滿足抗彎承載力及變形要求。

3.2.2 內襯裂縫分析

拆撐過程中實時監測內襯裂縫的產生及發展情況，LF1～LF12拆撐過程中各監測點裂縫的最大寬度如圖4所示。

圖4 測點裂縫最大監測數值

各測點的實測裂縫寬度值均小于裂縫寬度規范限值0.3mm，表明在多撐同拆施工過程中內襯的變形總體處于安全限度內，不會對其正常使用性能產生影響，但在施工過程中需警惕混凝土裂縫的發展，及時采取相應的措施彌補缺陷。

3.2.3 內襯應力實測與理論對比分析

通過PLAXIS 3D有限元軟件計算所得數據可知：標高-12.0m～-23.0m范圍的內襯豎向內側及部分橫向內側應力大于混凝土抗拉強度，但在現場實測數據中混凝土應力均小于混凝土抗拉強度，與理論數據存在較大差異。主要原因為：現場應力實測數據不夠完善，僅有3個測點對拆撐過程數據進行了監測。通過數值模擬計算所得數據為整個內襯截面的應力值，故相較于實測數據更全面、完整。

通過由實測以及理論計算得到的應力進行的內襯承載及裂縫分析可知：3個測點處的內襯實測應力均小于混凝土抗拉強度，多撐同拆過程中不會產生裂縫，但現場12個裂縫測點處的監測數據中仍有裂縫存在，應力監測數據與裂縫監測數據存在差異。通過理論計算所得內襯應力部分大于混凝土抗拉強度，表明在多撐同拆過程中內襯存在產生裂縫的風險，通過抗彎承載力校核后，內襯所受彎矩小于按裂縫寬度限值控制的抗彎承載力，裂縫寬度小于規范限值，這與現場裂縫實測裂縫寬度數據相吻合，因此相比于現場實測數據通過有限元軟件計算所得理論數據可以更真實、全面地反應內襯在多撐拆過程中的應力狀態。

4 結論

本文采用數值模擬與現場實測相結合的方法，從變形、受力兩個角度研究了軟土深基坑在“多撐同拆”工況下內襯與地下連續墻共同作用規律，并對內襯進行了承載力、變形校核，得到如下結論：

（1）在拆撐過程中，內襯的變形曲線與地下連續墻趨勢一致，趨于協調。并且內襯在拆撐過程的變形增量與地下連續墻亦保持一致；內襯還可有效限制地下連續墻的變形。

（2）由測點CX1～CX7處的地下連續墻豎、橫向上的數值模擬結果與實測數據繪制的水平位移曲線的整體偏差不大。最大偏差出現在測點CX5處，最大水平位移149.82mm大于實測結果126.05mm，相差18.85%；數值模擬結果與實測結果變化趨勢基本一致，說明所建立的有限元模型較為合理。

（3）通過理論與實測數據分別計算得到內襯在拆撐過程中所受彎矩均小于抗彎承載力限值，表明內襯在拆撐過程中受力處于安全狀態。但內襯豎向實測彎矩遠小于計算彎矩，橫向上實測彎矩小于理論計算彎矩不多，可知，在該多撐同拆工況情況下，內襯墻豎向安全系數偏大。