復雜環(huán)境下超大深基坑開挖變形演化規(guī)律研究①

陳勇超， 何忠明， 王利軍， 羅 欣， 史振寧

（1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙410114； 2.廣州地鐵集團有限公司 建設事業(yè)總部，廣東 廣州510380）

基坑開挖作為開發(fā)城市地下空間的主要技術(shù)手段，逐漸向大、深方向發(fā)展，施工環(huán)境也越來越復雜。在超大、超深基礎上，基坑開挖每加深1 m，對周圍環(huán)境的影響就會增大幾分［1-4］。 因此，在保證復雜環(huán)境下超大深基坑開挖安全穩(wěn)定的同時，避免因施工開挖導致周邊環(huán)境的破壞，是目前亟需解決的一個工程難題，國內(nèi)外眾多學者對此進行了大量研究［5-11］。 本文以廣州地鐵11 號線琶洲站與城際鐵路琶洲站合建車站基坑工程為背景，采用仿真分析軟件FLAC3D建立三維模型，對基坑周邊土體地表沉降變化規(guī)律、地下連續(xù)墻墻后土體水平變化規(guī)律以及各道支撐軸力變化規(guī)律等進行了研究。

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣州地鐵11 號線琶洲站與城際鐵路琶洲站合建車站，車站處于繁華地段，人流密集，周邊建筑林立，地下管線埋置錯綜復雜。 地鐵車站主體基坑、城際車站主體基坑及其北端明挖區(qū)間基坑合并為一個大基坑開挖施工，大基坑呈刀把形，基坑總長526 m，車站區(qū)段標準段寬73.15 m，地鐵車站標準段基坑深度28.5 m，端頭基坑深度29.8 m。 基坑東北側(cè)為香格里拉酒店，東南側(cè)為國際采購中心，南端頭為正在運營的地鐵8號線明挖區(qū)間及區(qū)間風道，西南側(cè)為8 號線琶洲站，西側(cè)為廣交會二期辦證中心，明挖區(qū)間北端頭為閱江中路地下人行通道。 以上周邊建（構(gòu)）筑物均距離主體及附屬基坑較近，在基坑施工影響范圍內(nèi)，施工期間需采取保護措施。

1.2 工程地質(zhì)

工程所在地地貌為海陸交互相沖積平原，場地范圍內(nèi)地層由上至下依次為填土層、淤泥土層、砂礫層、粉質(zhì)粘土層、全風化巖土層、強風化巖土層、中風化巖土層和微風化巖土層。 各地層物理力學參數(shù)見表1。

1.3 基坑設計方案

為減少基坑施工開挖對周邊環(huán)境的影響，車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用1 000 mm 厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻加豎向4 道內(nèi)支撐方案，連續(xù)墻接頭采用工字型型鋼接頭，連續(xù)墻內(nèi)外兩側(cè)設置單軸攪拌樁成槽保護，支撐方案見表2。

表2 支撐方案

深基坑施工開挖采用分層、分段開挖，開挖完一段支撐一段，每完成一段視為一種工況。 基坑開挖共分為4 種工況。 豎向開挖共分4 層，第一層開挖至-2.0 m，并在-1.5 m 處加設支撐；第二層開挖至-10.2 m，并在-9.7 m 處加設支撐；第三層開挖至-18.4 m，并在-17.9 m 處加設支撐；第四層開挖至-25.4 m，并在-24.9 m 處加設支撐。

1.4 計算模型

根據(jù)實際工程情況選取合理的模型計算方法，本文采用仿真分析軟件FLAC3D對實際工程進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)工程施工對周邊環(huán)境擾動影響范圍［12］，取模型南北方向長度300 m、東西方向長度250 m、豎向高度70 m，模型共劃分14 820 個單元，16 960 個節(jié)點，基坑模型如圖1 所示。 其中，所建模型包括基坑周圍土體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、冠梁、鋼圍檁）及圍護結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土墻、單軸攪拌樁），各層土體采用Mohr-Coulomb 塑性模型進行模擬，圍護結(jié)構(gòu)采用實體單元模型進行模擬，支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元模型進行模擬。 為減少冗余計算，基坑周圍網(wǎng)格劃分較為緊湊，基坑遠處網(wǎng)格劃分較為稀疏，局部剖面簡圖如圖2 所示。

圖1 基坑三維數(shù)值模型圖

圖2 基坑局部剖面簡圖（單位：m）

2 計算結(jié)果與規(guī)律分析

2.1 計算結(jié)果

2.1.1 基坑周邊土體地表沉降

基坑施工過程中，基坑周邊土體地表沉降如圖3所示。 由圖3 可知，隨著基坑施工的進行，土體地表沉降顯著增大，地表最大沉降出現(xiàn)在墻后13 m 左右處，最大沉降值達到42 mm，并且基坑兩側(cè)地表沉降呈對稱分布，基坑周邊地表沉降沿基坑橫向逐漸呈“鐮刀”形變化。 從圖3 中不難看出，地表最大沉降值從工況1 的11 mm 逐步增大至工況4 的42 mm，沉降值隨著距基坑距離增大先逐漸增大，在地下連續(xù)墻墻后13 m 左右處達到峰值，然后逐漸減小，最后趨近于0。

圖3 基坑周邊土體地表沉降圖

2.1.2 墻后土體水平位移

圖4 為每次工況開挖完成前后地下連續(xù)墻墻后土體水平位移情況。 由圖4 可知，地下連續(xù)墻墻后土體水平位移與基坑挖深成正相關(guān)關(guān)系，在每次工況開挖完成后基坑底部的水平位移達到峰值，而在每次工況開挖前頂部及開挖后深部土體位移值相對較小，整個地下連續(xù)墻墻后土體水平位移逐漸呈明顯的“凸肚”型。 最后一次工況開挖完成后土體最大水平位移量為32 mm。

圖4 墻后土體水平位移圖

2.1.3 支撐軸力

圖5 為數(shù)值模型中各道支撐在基坑開挖過程中不同位置以及不同開挖深度的軸力變化。 由圖5 可知，第1 道支撐在基坑挖深為10.2 m 位置處，支撐中部的軸力最大，軸力最大值為1 756 kN，之后隨基坑開挖工作的進行逐漸減小；第2道支撐在基坑挖深為18.4 m位置處，支撐中部靠右的位置軸力最大，軸力最大值為3 478 kN，之后隨基坑挖深增加略有減??；第3 道支撐和第4 道支撐的最大支撐軸力分別為4 572 kN 和1 276 kN，分別位于支撐中部和支撐靠右的位置，其中第三道支撐軸力為各道支撐軸力中的最大值。

圖5 支撐軸力分布圖

2.2 規(guī)律分析

2.2.1 地表沉降演化規(guī)律分析

由圖3 可知，基坑周邊土體地表沉降會隨著基坑開挖工作的進行呈非線性增長，增長的幅度呈明顯上升的趨勢，并且在離基坑一定距離的位置處達到沉降最大值，而并非在離墻最近的位置處，之后地表沉降會隨著離基坑的距離增加而逐漸減小為0。 筆者認為，隨著基坑開挖工作的逐步進行，基坑周圍原狀土體的結(jié)構(gòu)形式被逐步破壞，土體受到的各項應力也逐漸攀升，而基坑周邊土體地表沉降最大值之所以會出現(xiàn)在距離地下連續(xù)墻墻后13 m 左右處，主要原因是地下連續(xù)墻與基坑周邊土體之間強大的摩擦阻力在一定程度上限制了土體在基坑附近產(chǎn)生自由移動，加上各道支撐與地下連續(xù)墻之間所產(chǎn)生的相互作用，使得土體沉降只能向沒有圍護結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。

2.2.2 墻后土體水平位移規(guī)律分析

由圖4 可知，地下連續(xù)墻墻后土體水平位移與基坑挖深呈非線性關(guān)系，在施工過程中，基坑頂部土體的水平位移值相對較小，在每次工況開挖完成后基坑底部土體的水平位移值最大，隨著挖深增加，“凸肚”現(xiàn)象也越發(fā)明顯。 筆者認為，隨著施工的逐步進行，地下連續(xù)墻墻體兩側(cè)土體平衡穩(wěn)定性逐漸遭到破壞，墻體兩側(cè)土體向中間產(chǎn)生不均勻擠壓現(xiàn)象。 隨著基坑側(cè)的土體被不斷開挖清除，另一側(cè)土體所受到的橫向擠壓力逐漸增大，使得地下連續(xù)墻產(chǎn)生一定程度的橫向移動，而在基坑頂部土壓力相對較小，基坑底部土體主要為各類風化巖土體，加上鋼筋混凝土地下連續(xù)墻與巖土體之間形成嵌固作用使得地下連續(xù)墻底部位移相對較小，則導致了“凸肚”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.2.3 支撐軸力演變規(guī)律分析

由圖5 不難看出，在基坑開挖過程中，各道支撐在不同開挖時期支撐軸力變化不盡相同。 隨著基坑挖深增加，基坑附近土體主動土壓力逐漸得到釋放，支撐軸力由工況1 開始至開挖結(jié)束后不斷增大，第1、2、3 道支撐最大軸力位于支撐中部附近的位置處，第4 道支撐的最大軸力則位于端部附近，其中第3 道支撐處支撐軸力為各道支撐中的最大值。 筆者認為，由于前3道支撐為鋼筋混凝土支撐，并且在支撐兩側(cè)與地下連續(xù)墻相結(jié)合的部位設置三道斜撐作為邊撐，將軸力更均勻地分散至各處，在這種情況下支撐中部處的應力達到最大值。 而第4 道支撐為鋼支撐，在開挖結(jié)束后基于兩側(cè)土體對支撐所產(chǎn)生的應力并不均勻，以至于支撐軸力最大位置處于支撐端部。

3 施工與設計優(yōu)化建議

基于對基坑周邊地表沉降、墻后土體水平位移以及支撐軸力所做規(guī)律分析，現(xiàn)針對廣州地鐵11 號線琶洲站與城際鐵路琶洲站合建車站基坑工程及其類似工程的施工與設計提出下述幾點優(yōu)化建議：

1） 由于此基坑項目開挖距離長、寬度廣、深度大，基于地表沉降演化規(guī)律，在基坑分層、分塊開挖方面應該做到合理分配，在開挖過程中如每一段深度相差較大，應在合理的深度差內(nèi)設置臨時支撐，或者將各段支撐預應力進行一定提升，或合理增大圍護墻剛度。

2） 由于基坑周邊地表最大沉降值出現(xiàn)在距離地下連續(xù)墻墻后13 m 左右的位置處，加上項目周圍建筑物繁多，基于地表沉降演化規(guī)律，對基坑兩側(cè)25 m 范圍內(nèi)的土體變化情況應加大監(jiān)測頻率及監(jiān)測點密度，同時應考慮對一定范圍內(nèi)的土體進行穩(wěn)定處理。

3） 在基坑開挖過程中，由于支撐軸力與基坑挖深成正相關(guān)關(guān)系，基于支撐軸力演變規(guī)律，在開挖末期，應對不同結(jié)構(gòu)類型支撐的支撐軸力分別進行不同手段的嚴密監(jiān)測，一旦支撐處軸力值接近或超過警戒值，應立即加設臨時支撐并對支撐附近土體進行穩(wěn)定處理。

4） 由于墻后土體水平位移與基坑挖深成正相關(guān)關(guān)系，并且隨開挖深度的增加“凸肚”現(xiàn)象越發(fā)明顯，基于墻后土體水平位移規(guī)律，在施工過程中應及時施做支護結(jié)構(gòu)，并且合理地增大各支護結(jié)構(gòu)的抗彎強度及抗壓強度。

4 結(jié) 論

1） 基坑周邊土體地表沉降沿基坑橫向先逐漸增大，在距離地下連續(xù)墻墻后13 m 左右處沉降達到峰值，此后逐漸減小。 地表沉降趨勢呈“鐮刀”形變化，最大沉降值為42 mm，在實際施工過程中，對基坑附近25 m 范圍內(nèi)建筑物及地下管線變形應著重監(jiān)測。

2） 在開挖過程中，基坑頂部土體的水平位移值相對較小，隨著基坑開挖工作的逐步進行，地下連續(xù)墻墻后土體水平位移逐漸增大，漸漸形成“凸肚”現(xiàn)象，土體最大水平位移量為32 mm，在施工過程中應合理增大圍護墻剛度和支撐強度。

3） 支撐軸力與基坑挖深成正相關(guān)關(guān)系，最大支撐軸力為4572kN，第1、2、3 道鋼筋混凝土支撐最大支撐軸力出現(xiàn)在支撐中部附近，第4 道鋼支撐最大支撐軸力出現(xiàn)在支撐端部附近，在基坑開挖過程中應對不同結(jié)構(gòu)類型支撐的支撐軸力分別進行不同手段的嚴密監(jiān)測，同時應合理加設臨時支撐，減少圍護結(jié)構(gòu)變形。