临江下立交匝道偏压基坑开挖方案优化

王海龙，方焘，余小强，曹煌煌，郭俊

(1.南昌市政公用集团，江西 南昌 330000；2.华东交通大学 土木与建筑学院，江西 南昌 330013)



临江下立交匝道偏压基坑开挖方案优化

王海龙1，方焘2，余小强2，曹煌煌2，郭俊1

(1.南昌市政公用集团，江西 南昌 330000；2.华东交通大学 土木与建筑学院，江西 南昌 330013)

摘要:南昌红谷隧道东岸匝道采用明挖法施工，其中C和S匝道空间立交，岸上下高差显著，基坑围护结构局部处于悬臂偏压状，开挖风险大。针对此问题，利用大型有限元软件ABAQUS建立全仿真模型，对不同开挖方案进行对比研究。结果表明：先开挖岸上C和S匝道至与岸下齐平，再同时开挖岸上和岸下基坑，围护结构变形最小，基坑安全度最大。现场监测表明，围护结构变形和受力已趋于稳定且均在可控范围。优化方案保证了基坑开挖安全，可供类似工程借鉴。

关键词：立交匝道；偏压基坑；数值分析；现场监测

现基坑开挖深、面积大、形式多样复杂，使基坑围护结构的设计和施工越来越复杂。而对基坑开挖方法和施工的顺序选择有误，对不利因素考虑不足引起的工程事故时有发生。基坑在开挖过程中，由于场地限制，而且周边环境复杂，使基坑往往处于偏压的状态。基坑围护作为一种临时性结构，安全储备有限，如何在设计和施工过程中考虑这些不利因素，并做到安全经济，成为亟待解决的工程难题[1]。目前已有不少学者对偏压基坑开挖做了诸多研究。理论研究方面，庞小朝[2]等分析了不对称荷载作用下支护结构的受力和变形特点，同时考虑到支护结构与周围土体变形的协调，提出了偏压基坑多点支撑支护结构的设计计算方法。唐文鹏[3]探讨了存在偏压的非对称基坑的支护结构设计，结合实例给出了偏压基坑设计的基本思路和具体的计算过程,并通过分析计算结果提出偏压基坑需要注意的事项。数值方法研究方面，徐长节等[4]采用有限元分析软件PLAXIS，对基坑在不同挖深差和挖深分界面位置不同条件下的非对称开挖进行了模拟。李新平等[5]利用数值模拟方法对不同偏压距离下的基坑内力场和位移场变化进行研究。陈晨[6]采用现场实测及数值分析等手段对偏压基坑围护稳定性进行研究,进一步分析不同偏压高度对围护结构的影响。徐烨等[7]以南京地铁3号线明发广场站偏载深基坑工程为背景，采用二维有限元数值模拟分析偏载深基坑围护结构内力分布及变形形态。熊健[8]以偏压基坑的工程实例为基础，对比分析HS模型与HSS模型2种本构模型在基坑有限元计算中的适用性。另外，不少学者通过模型试验及现场监测手段来研究，石钰锋等[9]通过对基坑连续墙水平位移及内力的实测分析，系统研究偏压基坑围护结构位移和内力特征，对围护结构稳定性进行评价。汪东林等[10]对既有紧邻合宁高速公路偏压作用下的深基坑开展其开挖过程中围护桩水平位移、围护桩竖向位移及其相邻路基沉降规律的研究。刘波等[11]以合肥城市轨道交通工程建设过程中某紧邻既有高速公路高填方路基偏压深基坑为背景，通过现场监测资料，分析该深基坑在偏压作用下围护桩的桩体深层水平位移和桩顶水平位移、支撑轴力、基坑周围地表沉降以及基坑开挖对邻近高速公路的影响。本文针对坐落于南昌市在建的大型工程红谷隧道东岸C和S交叉匝道基坑开挖方案优化问题展开研究。红谷隧道东岸匝道采用明挖法施工，其中C和S匝道空间立交，岸上下高差10.5m，基坑围护结构局部处于悬臂偏压状，若开挖方法不当，基坑将产生很大风险，甚至垮塌。因此，本文利用有限元数值方法详细分析存在高差的C和S交叉匝道基坑开挖的施工方案，得出最优的开挖方法，优化施工方案，予类似基坑工程参考。

1工程概况

红谷隧道东岸C和S匝道基坑立体交叉平面呈“剪刀”状，其中C匝道位于下层，S匝道位于上层，C匝道结构顶板和S匝道结构底板共板。C匝道基坑设计起讫里程CK0+040～CK0+160，S匝道基坑设计起讫里程S1K2+800～S1K2+920。本文选取C匝道CK0+062～CK0+154段、S匝道S1K2+817～S1K2+911段为研究对象。C匝道CK0+104和S匝道S1K2+872里程设置地连墙封端墙，把C和S匝道基坑划分为3个基坑，即岸上C和S匝道基坑、岸下C匝道基坑和岸下S匝道基坑。岸上匝道基坑和岸下匝道基坑场地高差10.5m，岸上和岸下场地按照1∶2坡度进行放坡，坡顶标高25.5m，坡底标高为15m。基坑局部空间位置示意图如图1所示。

单位：m图1　基坑局部空间位置示意图Fig.1 Local spatial location of foundation pit

1.1工程地质

基坑开挖及计算分析所涉及的主要土层有5层，自上而下具体分布情况如下：①素填土，10.5m，c=6kPa，φ=17°；②粗砂，5m，φ=32°；③砾砂，7m，φ=35°；④中风化泥质粉砂岩，9m，c=100kPa，φ=35°；⑤微风化泥质粉砂岩，28.5m，c=100kPa，φ=35.6°[12]。

1.2围护结构参数

岸上C和S匝道基坑围护结构为1m厚地连墙。岸上C匝道设6道支撑，第1和5层为0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，第2～4和6层为φ609钢管支撑。岸上S匝道设4道支撑，第1层为0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，第2～4层支撑为φ609钢管支撑。岸上C和S匝道交叉口部位设五层钢筋混凝土支撑和一层钢管倒撑。岸上C和S匝道基坑纵剖面图分别如图2～3所示。

图2　岸上C匝道基坑纵剖面图Fig.2 Profile of the shore C ramp foundation pit

图3　岸上S匝道基坑纵剖面图Fig.3 Profile of the shore S ramp foundation pit

岸下C匝道基坑围护结构为1m，0.8m厚地连墙。设3道支撑。第1层为0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，支撑间距7m；第2～3层支撑为φ609钢管支撑和0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，钢管支撑间距3.5m。基坑剖面如下图4所示。岸下S匝道基坑围护结构为1m，0.8m厚地连墙。设3道支撑，第1层为0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，支撑间距7m；第2～3层支撑为φ609钢管支撑和0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，钢管支撑间3.5m。基坑剖面如图5所示。

图4　岸下C匝道基坑纵剖面图Fig.4 Profile of the under C ramp foundation pit

图5　岸下S匝道基坑纵剖面图Fig.5 Profile of the under S ramp foundation pit

2数值分析

2.1模型建立

根据该基坑具体条件，保证基坑开挖对边界产生的影响可以忽略，建立如图6所示的三维模型。本模型三维尺寸为250m×300m×60m。

图6　三维模型图Fig.6 3D model diagram

模型的边界条件为：模型四周土体在水平方向无变形，数值方向会产生沉降或隆起，因而对模型四周边界条件设置X和Y方向的水平位移约束。底面约束3个方向的位移，上表面不作约束。

土体采用8节点的实体单元(ABAQUS中的C3D8单元)模拟，地连墙采用壳单元模拟，支撑采用梁单元模拟。地连墙与土体之间的接触采用tie接触。模型中的土层按均质土考虑。土体的本构关系采用M-C模型。参考地勘报告[12]，岩土体参数如表1所示。地连墙及支撑等采用线弹性模型，其有关参数如表2所示。

表1　相关土层参数

表2　地连墙及支撑参数

围护结构模型图如图7所示。

图7　围护结构模型图Fig.7 Model of the enclosure structure

2.2工况拟定

C和S匝道基坑开挖区域分布图如图8所示。拟定如表3所示3种工况，以供对比分析。

图8　分区开挖平面图Fig.8 Plan of excavation process

工况描述工况1区域1开挖10.5m,施作第2道混凝土支撑及抛撑,随后开挖区域2和3,最后开挖区域一剩余部分;工况2区域1开挖5.4m,施作第2道混凝土支撑及抛撑,随后开挖区域2和3,最后开挖区域一剩余部分;工况3区域1开挖10.5m,施作第2道混凝土支撑及抛撑,区域1,2和3同时开挖。

2.3计算结果及分析

取如图9所示点，对围护结构变形进行分析。

2.3.1工况1地连墙变形情况

如图10所示为基坑开挖结束后地连墙的侧向变形云图。可以看出基坑围护结构的侧向变形存在明显的三维空间效应，越靠近基坑开挖高度中部变形越大，基坑角点附近变形较小，这是由于土体的拱效应和基坑角点两个方向地连墙结构的强大相互支撑作用(拐角刚度强化效应)有效限制了基坑角点维护结构的侧向变形。

图9　监控点布置图Fig.9 Layout of monitoring points

图10　地连墙变形云图Fig.10 Deformation nephogram of diaphragm wall

基坑开挖后，岸上基坑内土体卸载，使得作用在内岸上基坑外侧地连墙上的主动土压力减小，作用在内侧地连墙上的被动土压力增大。

基坑内土体开挖时，在不同的开挖深度下，墙体变形基本表现为上大下小的平滑曲线，这是考虑下部墙体由于嵌固作用，侧向变形较小，在数值模拟时将地连墙的下部与土体偶尔绑定在一起，所以出现的变形均为上大下小的平滑曲线。

工况2和工况3地连墙变形云图与在工况1情况下的类似。

2.3.23种工况对比分析

如图11所示为3种不同工况下地连墙各监控点的变形变化曲线。

图11　3种不同工况下地连墙各监控点的变形曲线Fig.11 Deformation graph of diaphragm wall monitoring points at three different working conditions

表4为3种不同工况下地连墙各监控点的变形最大值。

表43种不同工况下地连墙各监控点的变形最大值

Table4Deformationmaximumofdiaphragmwallmonitoringpointsatthreedifferentworkingconditionsmm

工况监控点1监控点2监控点3监控点4监控点5监控点6监控点7工况1-0.890.77-4.713-6.5313.3-2.82工况2-1.20.75-4.713-6.5413.2-2.83工况3-0.740.7-4.613-6.5413-2.8

由图11可以看出，在3种不同工况下，地连墙各监控点的变形趋势基本一致，符合变形规律。但从变形量大小来看，工况3下地连墙各监控点总体变形最小。分析表4可知，监控点1在工况2下变形量为1.2mm,为最大量；在工况3下变形量为0.74mm，为最小量。监控点6在工况1下变形量最大，为13.3mm；在工况3下变形量最小，为13mm。其余各监控点在3种工况下变形量相差甚小。综合上图11和表4，对比分析各监控点变形量，可以看出，工况3情况下开挖，地连墙变形最小，因此工况3为最佳开挖方案。

3施工效果

C和S匝道基坑开挖，选择上述工况3施工方案，并严格按照设计的要求，逐步施工。

施工中对C和S匝道地下连续墙进行监测，如下图12为监测点分布图。

图12　监测点分布图Fig.12 Distribution of monitoring points

测斜点CX-7的监测数据如图13所示。

图13　CX-7的监测数据Fig.13 Monitoring data of CX-7 point

测斜点CX-9的监测数据如图14所示。

图14　CX-9的监测数据Fig.14 Monitoring data of CX-9 point

测点CX-7累计变形量为-6.01mm,测点CX-9累计变形量为-5.67mm,都向基坑外偏移。远小于变形控制值30mm。地连墙顶部测点水平位移累计值如表5所示。

表5　测点水平位移累计值

可见，位于基坑端部一定范围内，地连墙向基坑外的位移相对显著，但最大值只有7mm，远小于控制值30mm。

4结论

1)C和S匝道基坑选择工况3的开挖方案为最佳，即岸上基坑开挖10.5m，使得岸上开挖面与临岸基坑开挖面在同一水平面，进而同时开挖。

2) 存在高差的深基坑，在偏压的条件下，围护结构地连墙水平位移随基坑开挖深度增大而增大，朝低基坑侧墙体位移比背低基坑侧墙体位移大，基坑开挖至一定深度后，背低基坑侧墙体上部向基坑外侧移动。随着基坑开挖深度增大，向外移动的趋势增大。

3) 通过本文的研究，可以了解存在高差的基坑在开挖过程中变形的性状，可利用有限元软件模拟基坑开挖过程，优化施工方案，指导施工，减少工程风险。同时与施工监测的数据对比分析，确保工程安全。

4) 数值模拟分析的基坑围护结构变形规律与实测相同，但具体的变形量大小存在一些差异。因此基坑开挖过程中，应实时监测基坑围护结构的变形，达到动态施工的效果。

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* 收稿日期：2015-08-25

基金项目：江西省科技落地计划资助项目(KJLD4036);南昌市政公用集团科技基金资助项目;国家自然科学基金资助项目(51208198)

通讯作者：王海龙(1981-)，男，江西信丰人，高级工程师，从事项目管理工作；E-mail：6953268@qq.com

中图分类号：TU745.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1061-07

The excavation scheme optimization of beside river interchange ramp unsymmetrical loaded foundation pit

WANG Hailong1, FANG Tao2, YU Xiaoqiang2, CAO Huanghuang2, GUO Jun1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Abstract:East ramp of Nanchang hong-gu tunnel is constructed by using open excavation method, which the ramp C and the ramp S are interchanged in the space. This tunnel is in high-risk condition, because there are significant height differences between foundation pit on the ashore and under the ashore, and the local position of the retaining structure is in the cantilever bias. In order to analyse this problem, the simulation model is established in this paper and compared of different excavation schemes with large-scale finite element software ABAQUS. The results show that the deformation of retaining structures is minimum,and foundation pit safety is the largest in this condition,which is the ramp C and ramp S were excavated to the line of under ashore, and then excavate foundation pit on the ashore and under the ashore at the same time. The field monitoring data show that the retaining structure deformation and stress have been stabilished and controlled. By using optimize programs, the excavation of foundation is successful. It could provide reference for similar project.

Key words：overpass ramp; unsymmetrical loaded foundation pit; numerical analysis; field monitoring