上软下硬地层深基坑结构变形监测及分析*
时间：2022-12-04 10:10:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄 莺，方中义，李学聪，周清才，梅 源
(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；
2.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510308；
3.中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032)
随着我国经济的不断发展、城镇化进程的快速推进，城市土地资源日趋紧张，开发地下空间是提升土地利用率的有效手段之一[1]。基坑工程作为地下工程的重要组成部分，保障其在施工阶段的安全稳定具有重要意义。我国基坑工程为基于变形的设计理念，该理念对认识基坑变形，特别是围护结构的变形提出了更高的要求[2]。
目前，国内外学者针对不同影响因素下基坑围护结构变形规律进行了相应的研究。Tan等[3]通过对上海软土地区多个深基坑实测数据进行汇总分析，发现长宽比较大的狭长型基坑，其围护结构在坑角处表现出较强的抗变形能力，即坑角效应。Cui等[4]、李涛等[5]以实际工程为依托，运用数值模拟的方法探讨钢支撑轴力与围护桩体水平位移之间的作用机理，并得出相应的形变规律。吴波等[6]以某软土地区2个相邻深基坑开挖为背景进行有限元模拟，结果发现当2基坑同步开挖时应注意保持开挖深度的一致性。郭海庆等[7]通过设计离心模型试验并结合数值模拟的方法发现圆形基坑相对于矩形基坑，受力更合理、变形量更小。陈保国等[8]通过模型试验得出地连墙最大水平位移、内支撑轴力与内支撑体系调节方式之间的协调变形规律，并以此说明支护体系安全性与合理的内支撑长度调节密切相关。针对不同地质条件下深基坑开挖所导致的围护结构变形问题，部分学者采用实测数据结合有限元模拟的方法，对基坑开挖不同阶段围护结构变形规律进行分析总结，提出适用于对应地层条件下结构变形的控制方法[9-13]。
上述研究推动了我国基坑工程的发展，但由于我国不同区域土层地质条件差异极大，针对上软下硬地层条件下基坑围护结构变形分析仍不够充分。因此，本文以广州地区上软下硬地层某地铁盾构井深基坑工程为依托，运用MIDAS/GTS软件，建立深基坑开挖三维有限元模型，并结合现场监测数据，分析不同工况下围护结构变形规律，以期可为类似工程提供借鉴。
广州地区某地铁盾构始发井深基坑项目，基坑平面呈矩形布置，净空尺寸为16.5 m×12.5 m，开挖深度37.2 m，开挖面积206 m2。
工程基坑地貌区域上属于珠江三角洲冲积平原，上覆地层主要为第4系海陆交互相和冲、洪积地层，下部基岩为白垩系泥质粉砂岩、粉砂岩，具体土层分布状况与参数如表1所示，由表1可知，开挖深度范围内地层具有明显的上软下硬特性。
表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil
由于该地区地下水丰富，基坑开挖深度较大，本工程采用地下连续墙+5道环框梁支撑作为其支护结构体系。其中地连墙厚1 m，嵌固深度1.5 m，采用C35P8水下浇筑混凝土。环框梁混凝土强度等级同地连墙，设计标高(底标高)从上至下依次为-2，-9.25，-15.5，-21.25，-27.25 m。截面尺寸(宽×高)：第1道环框梁为2 m×1 m，第3道环框梁为2.5 m×2 m，其余环框梁均为2.5 m×1.5 m。基坑剖面结构与地层位置关系如图1所示。详细施工工况及实际施工天数如表2所示。
表2 基坑施工工况Table 2 Construction conditions of foundation pit
图1 盾构井剖面及对应地层分布关系Fig.1 Distribution relationship of shield well section and corresponding stratum
2.1 监测方案
由于基坑开挖深度大，地层条件复杂，对施工全过程进行现场监测。本文主要分析围护结构水平位移、内支撑轴力变化量，故选取围护结构水平位移监测点为长边中点ZQT3和短边中点ZQT2，轴力监测点位于每道环框梁各边中点位置，由于环框梁数量较多，故选取第1，3，5道环框梁进行轴力分析，对应监测点为ZCL1，ZCL2，ZCL3，ZCL4。所使用仪器主要为测斜仪、测斜管及轴力计，监测平面布置如图2所示。
图2 监测平面布置Fig.2 Monitoring plane layout
2.2 围护结构水平位移分析
基坑围护结构主要为地下连续墙，围护结构稳定与否直接关系到基坑整体的稳定与安全。本次监测数据包含基坑开挖全过程，长边监测点ZQT3及短边监测点ZQT2处水平位移变化曲线分别如图3和图4所示，正值表示偏向基坑侧位移。
图3 各开挖工况下ZQT3水平位移变化曲线Fig.3 Change curves of ZQT3 horizontal displacement under various excavation conditions
图4 各开挖工况下ZQT2水平位移变化曲线Fig.4 Change curves of ZQT2 horizontal displacement under various excavation conditions
由图3可知，墙体顶部和底部处位移变化量较小，墙体中部位移变化量较大。且随着开挖深度的增大，位移最大值位置不断下降，至开挖结束，位移最大值位于自然地表以下约27 m位置，约为0.7H(H为基坑开挖深度)，最大值为11.78 mm，小于警戒值(30 mm)。工况12处水平位移变化量较快，分析原因，主要由于基坑开挖面狭小，为满足后续大型机械进驻基坑工作面破洞门的需要，在第5道环框梁施工前地层超挖3 m所致。
如图4所示，为短边ZQT2监测点位移变化曲线，顶部水平位移最大值为4.08 mm，略大于长边对应处位移。该侧地面为进场材料堆放用地，使得该处地连墙上部位移较大。整体上看，ZQT2处水平位移变化趋势与图3保持一致，随着开挖深度的增加，各工况下最大水平位移值逐渐增加，至开挖结束，最大位移位于0.7H附近，为8.97 mm。
综上可知，本基坑至开挖结束，最大水平位移所处深度约为0.7H，上述统计规律能够较好地反映出上软下硬地层围护结构变形特性，即最大水平位移所处位置有所上升，最大位移相对量明显减小。这主要与基坑下部地层自身性质较好，地下连续墙加环框梁组成的围护结构整体稳定性较高有关。
2.3 内支撑轴力变化分析
内支撑作为支护系统的重要组成部分，布设方式直接关系到围护结构水平位移变化大小。盾构井因后期盾构机吊装需要，且下部土层状况较好，所以该基坑没有选择传统的水平对撑，而是设置多道环框梁作为其内支撑体系。
图5，图6和图7分别为第1，3，5道环框梁轴力变化曲线，正值表示环框梁受压，负值表示环框梁受拉。如图5可知，随着开挖深度的增加，第1道环框梁轴向力逐渐由受压变为受拉，因其距地表较近，受地面施工机械荷载，渣土、材料堆载影响，使得轴力变化差异较大，但最大轴力始终低于设计允许值(4 300 kN)。
图5 第1道环框梁轴力变化曲线Fig.5 Change curves of axial force of first ring frame beam
图6 第3道环框梁轴力变化曲线Fig.6 Change curves of axial force of third ring frame beam
图7 第5道环框梁轴力变化曲线Fig.7 Change curves of axial force of fifth ring frame beam
第3和第5道环框梁埋设位置较深，受地面荷载变化影响较小，整体轴力变化较为稳定，二者变化趋势相似。随着开挖深度的增加，支撑轴力先增加后保持稳定，短边处轴力值明显大于长边位置。第5道环框梁处于微风化粉砂岩层，地层条件较好，故趋于稳定后的轴力值略小于第3道环框梁。至开挖完成阶段，第3和第5道环框梁轴力最大值分别为5 645，4 559 kN(预警值分别为7 800，6 400 kN)，均低于设计预警值。
由图3～7可知，随着开挖深度的增加，各道内支撑轴力最大值和墙体水平位移值整体上呈现先增大后减小的变化趋势。基坑短边方向墙体水平位移值较长边方向较小，但轴力大小恰好相反，短边方向轴力值显著大于长边方向。原因是该工程采用多道环框梁作为其内支撑形式，同一道环框梁各边截面面积相同，在所受土压力相近的情况下，短边处环框梁所受弯矩值较小。因而能维持较小的形变量，承担大部分土压力，从而使得墙体所受被动区土压力减小，水平位移值降低，长边方向则恰好相反。
选用MIDAS/GTS/NX岩土工程软件进行基坑开挖有限元分析。模型尺寸为237 m×233 m×110 m(长×宽×高)[14]。网格划分采用混合网格生成器，划分单元尺寸约4 m。
假定各土层为规则分布的长方体，按实际土层厚度平均值对模型土层进行划分。土体本构模型选用“修正摩尔-库仑模型”，该模型能够较好地模拟基坑开挖所引起的地层变形[15]。具体土层模型参数如表1所示。地下连续墙采用二维板单元模拟，环框梁采用一维梁单元模拟。开挖具体工况如表2所示。模拟得到的开挖完成后围护结构位移云图如图8所示。
图8 开挖完成后围护结构位移云图Fig.8 Cloud diagram of retaining structure displacement after completion of excavation
3.1 监测数据与有限元模拟对比
为验证有限元模型的准确性，将开挖后围护结构水平位移模拟值与监测数据进行对比分析。如图9所示，在基坑开挖完成后，围护结构水平位移模拟值与实测值变化趋势保持一致，随着开挖深度的增加逐渐呈“凸”字型分布，最大水平位移值位于基坑深28.1 m处，与实测值基坑深27 m左右位置相近。模拟位移最大值为8.67 mm，与监测值11.78 mm相比差值较小。如图10～图11所示，将支撑轴力监测值和数值模拟值进行对比后可知，最大结果误差为8.6%，误差值较小，满足工程应用要求，故该模型具有一定的准确性。
图9 开挖完成后ZQT3水平位移变化对比曲线Fig.9 Contrast curves of ZQT3 horizontal displacement change after completion of excavation
图10 开挖完成后第3道环框梁轴力变化对比曲线Fig.10 Contrast curves of axial force change of third ring frame beam after completion of excavation
图11 开挖完成后第5道环框梁轴力变化对比曲线Fig.11 Contrast curves of axial force change of fifth ring frame beam after completion of excavation
3.2 围护结构嵌入地层深度分析
选取嵌固深度分别为0.5，1.5，3，4.5，6 m工况对其进行模拟，数值模拟结果如图12所示，模拟过程中没有出现嵌固深度不足从而导致模型计算失效的问题。
图12 不同嵌固深度下围护结构水平位移对比曲线Fig.12 Contrast curves of horizontal displacement of retaining structure under different embedded depths
由图12可知，不同嵌固深度下，围护结构顶部水平位移基本保持一致，坑深15 m位置处，不同工况下结构水平位移变化量开始发生改变，但整体变化趋势保持一致。围护结构嵌固0.5 m时，水平位移最大值相比于1.5 m工况略微有所增加，为9.2 mm。随着嵌固深度的增加，结构水平位移逐渐减小，但当嵌固深度增加至3 m工况时，因其地层条件较好，后续增加嵌固深度对结构水平位移几乎不产生影响。从施工现场安全和经济角度考虑，该地层条件下，类似基坑工程围护结构嵌固深度设定在1.5～3 m较为适宜。
3.3 围护结构主体厚度分析
结构主体厚度是影响地连墙水平位移的另1个重要因素。设置0.6，0.8，1.0，1.2 m 4种地连墙厚度进行研究，计算结果如图13所示。由图13可知，相较于嵌入深度，不同结构厚度对水平位移的影响较大，随着厚度的减小，围护结构各部位水平位移均有所增加，但整体变化趋势和最大变形所处位置与监测值保持一致，最大位移均处于0.7H(H：基坑深度)附近。但结构厚度达到一定值后，通过增加结构厚度来降低围护结构水平位移效果不明显，且造价较高。考虑到实际施工中可能产生的土体超挖和工程造价等因素，围护结构主体厚度选取0.8～1.0 m较为适宜。
1)随着基坑开挖深度的增加，围护结构水平位移最大值逐渐增加，长边方向位移变化曲线呈“凸”字型分布，短边方向上部呈“前倾型”、下部呈“凸”字型分布，最大位移值分别为11.78，8.97 mm，均位于0.7倍开挖深度位置附近。最大水平位移均位于各边中点位置，坑角处位移值最小。相较于其他地层，上软下硬地层深基坑围护结构最大水平位移所处位置有所上升，最大位移相对量明显减小。
2)各道内支撑施做完成后，支撑轴力随着坑深的增加先增加后保持稳定，短边方向支撑轴力普遍大于长边方向。至开挖完成，最大支撑轴力位于基坑中部第3道环框梁，为5 645 kN，小于警戒值。
3)围护结构嵌固深度会对其水平位移产生一定影响，随着嵌固深度的减小，坑深15 m以下结构水平位移明显增大，嵌固端变形明显。当嵌固深度增加至3 m以上时，更大的嵌固深度不会引起结构水平位移产生明显变化。类似工程围护结构嵌固深度设定在1.5～3 m较为合理。
4)围护结构主体厚度对基坑整体稳定性至关重要。随着结构厚度不断增加，其整体水平位移值均有所降低。但厚度增加到一定大小时，仅通过增加结构厚度来控制位移发展效果不甚显著，考虑到实际工况及工程造价等因素，围护结构主体厚度选用0.8～1.0 m较为适宜。
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