深基坑地连墙支护结构变形的有限元分析

孙兴远，刘亚文，梁进军，王飞，徐金玉

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007）

1 概 述

在城市地下空间开发和高层建筑物的建设过程中，产生了大量深基坑工程，其规模和深度不断增加。基坑工程是当前大家非常关注的岩土工程热点，深基坑开挖的影响因素甚多，难度极大[1～4]。基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围土体水平移动、竖直沉降等。实践表明[5]，在基坑开挖过程中改变了原有土体的应力场以及地下水等环境因素，由此而引发诸多的环境岩土工程问题及工程事故，不仅危及工程安全，造成巨大的人员伤亡和经济损失，而且影响城市道路交通、供电供气、通讯等，引起社会不安。为了保证周边建筑物的安全与正常使用,基坑设计和施工过程中必须严格控制对周边环境的影响。本文结合南京梅子洲过江通道连接线—青奥轴线地下交通系统等相关工程J2区YK10+615～YK10+650里程段开挖实例，采用有限元软件MIDAS/GTS建立三维模型，对该里程段基坑开挖过程进行了数值模拟，讨论基坑开挖对邻近土体影响。

2 工程应用

2.1 工程概况

南京市梅子洲过江通道接线工程-奥轴线地下交通系统及相关工程是2014年青奥会的主要配套工程之一。拟开挖J2区YK10+615～YK10+650里程段基坑长约313m，施工方法为明挖顺作法，采用φ800地连墙作为基坑开挖时的支护结构，且不参与主体结构受力。基坑跨度约45m，开挖深度为14.3m～15.3m，地连墙深27.5m,格构柱下的φ1000钻孔灌注桩长约12.5m。本里程段共设4道横撑，第一道为1m×1m的混凝土支撑，2-4层支撑采用φ609mm（δ＝16mm）@3m的钢管。为增加支护结构的横向刚度，横向设置了两道立柱间距3m。

2.2 计算参数的选取

各物理参数及土层变化严格按照原设计图及地质勘察报告取值，部分不详参数按相关规范选取，具体参见表1。为了便于建模，对某些力学参数相近的土层进行近似合并（图1）。

2.3 三维数值模型的建立

基坑开挖深度为16.25m、宽度为45m。为尽量减小人为边界对计算结果的影响，计算模型（图1）水平方向取至基坑范围外40m，竖直方向从墙底底向下取19.5m。基坑开挖范围内单元采用1m大小的四边形单元，开挖范围外采用1m～5m大小的四边形单元，混凝土支撑及横撑采用桁架单元模拟，总计划分单元1902个。模型边界条件为：左、右边界x 方向位移为0；下边界x、y、z 方向位移均为0；前后边界y 方向位移为0。

2.4 分析计算

基坑开挖在充分考虑时间、空间效应的前提下，分层开挖、先支撑后开挖、每次开挖规定深度、严禁超挖的原则，随挖随撑，做好基坑排水，减少坑底暴露时间[6]。分部开挖，设地连墙和桩、坑底不加固等。为了满足基坑开挖施工需要，每道一道支撑离开挖面总有一定距离(本工程为0.5m)。考虑实际施工过程，共划分7个计算工况（以桩顶作为标高0.00m）。

①计算工况1：初始地应力平衡。把原状土激活，计算初始地应力，位移清零。

②计算工况2：施作地连墙，施加地面超载（-20kPa）。

③计算工况3：初始开挖1m杂填土（-1.0m）。

④计算工况4：施作混凝土八角支撑及主支撑、混凝土连系梁，开挖至第1道支撑下0.5m（-5.2m）。

⑤计算工况5：施作第1道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力，开挖至第2道支撑下0.5m(-9m)。

⑥计算工况6：施作第2道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力，开挖至第2道支撑下0.5m(-12.75m)。

土层、支护结构物理力学指标及几何尺寸 表1

⑦计算工况7：施作第3道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力，开挖至坑底（-16.25m）。

计算中分析过程采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化都会影响到后续阶段的分析结果。

2.5 模拟结果与分析

对于基坑工程，土体是产生荷载的主要来源，但同时也是支撑体系的一部分，支护结构的变形不仅影响基坑的稳定性，也会使土体所受到的荷载和分布形态发生改变；由于基坑土方开挖卸载作用改变了原有的应力状态，必然会导致支护结构发生变形。图2为不同工况下支护结构沿深度的变形情况。提取各工况下模型的整体水平位移云图如图3所示。

结合图2、图3可知：

①基坑开挖的深度与地连墙的水平位移变化量近似呈正比，地连墙水平位移随着开挖深度的增加而增加[7]。地连墙的在最后一次开挖结束后出现水平位移最大值。

②现对各工况下墙体水平位移的变化情况作对比分析，可知:支护结构的变形呈现“两头大、中间小”，这与常见多支撑围护结构变形规律吻合[8]，验证了该计算模型的可行性。其中第一步开挖后，墙体在顶部位移处产生的水平位移较大，此时围护结构受力形式类似一根悬臂梁；第二步开挖后，墙体的位移分布形态有了一定变化，最大位移值点出现于开挖面以下4～5m处；第三步、第四步开挖后，随着钢支撑的架设完毕，墙体最大水平位移点逐渐向基坑下部移动，形成基坑中下部变形量最大的态势，所以应该在中下部位置加强监测且要减少土体的暴露时间，钢支撑架设要及时。

3 计算值与实测值的对比

作为起支护作用的地连墙，对其位移情况的实时监测，对于基坑、周边建筑物、地下管线的稳定等具有非常重要的意义；必须使其最大位移不超过最大容许值[9]。现选取地连墙附近测斜点CX3的监测值，将其与计算值作对比。

由图4可知，随着开挖深度的增大，支护结构的水平位移不断增加，且计算值与实测值基本一致，说明本模型基本准确，参数选取合理。但计算值较实测值偏大，可能是由于基坑开挖前已打入一定数量的工程桩等，使坑底得到了一定程度的加固，但本次模拟中未能考虑这些因素的影响。

4 结 论

本文针对J2区YK10+615～YK10+650里程段基坑应用有限元软件MIDAS/GTS进行三维有限元模拟分析，并与实测数据对比，可得如下结论。

①基坑开挖的深度与地连墙的水平位移变化量呈正比，地连墙水平位移随着开挖深度的增加而增加。地连墙在最后一次开挖结束后出现水平位移最大值。

②支护结构的变形呈现“两头大、中间小”，这与常见多支撑围护结构变形规律吻合。

③通过与实测数据的对比得出有限元模拟结果与实际监测值相差不大，结果较为可靠可以反映实际情况，此模型具有可行性，比较符合实际，对实际工程有一定的指导意义。

④本次基坑数值模拟未考虑地下水的影响，关于地下水对于基坑围护结构以及周边环境的影响有待进一步研究。

[1]江晓峰,刘国彬,张伟立,等.基于实测数据的上海地区超深基坑变形特征研究[J].岩土工程学报,2010(S2).

[2]刘宝琛.综合利用城市地面及地下空间的几个问题[J].岩石力学与工程学报，1999(1).

[3]张建全.北京某深基坑工程施工监测与成果分析[J].工程勘察,2010(2).

[4]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[J].岩土力学,2004(12).

[5]秦前波,方引晴.基坑开挖及上盖荷载对下卧隧道结构的影响分析[J].建筑结构,2012(6).

[6]胡斌,郭利娜,李方成，等.武汉地铁名都站深基坑围护结构水平变形分析与仿真模拟研究[J].工程勘测,2012(8).

[7]吴佩轸,王明俊,彭严儒,等.连续壁变形行为探讨［A］.第七届大地工程学术研究讨论会[C].1997.

[8]刘燕,刘国彬,孙晓玲,等.考虑时空效应的软土地区深基坑变形分析[J].岩土工程学报,2006(S1).

[9]刘杰,吴超平,钱德玲,等.基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究[J].合肥工业大学学报,2012(2).