深基坑施工过程中地下人防结构处理技术研究

杨 蒙，李文峰，谭跃虎，李二兵，周 俊，卞少帅

（1.解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007；2.苏州轨道交通集团有限公司，江苏 苏州215004；3.解放军95526部队，西藏 拉萨 850000）

深基坑施工过程中地下人防结构处理技术研究

杨 蒙1,3，李文峰2，谭跃虎1，李二兵1，周 俊1，卞少帅1

（1.解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007；2.苏州轨道交通集团有限公司，江苏 苏州215004；3.解放军95526部队，西藏 拉萨 850000）

阐述了地下连续墙向下贯穿既有人防结构的施工技术，通过数值模型分析了人防结构处理过程中地下连续墙的变形特性，及人防结构的支撑效应，并与实测数据进行了对比。现场结果表明：施工过程中地下连续墙的变形与计算结果吻合较好，满足规范要求，说明本工程的地下人防结构处理技术制定合理、施工措施得当，基坑处于安全范围之内。

深基坑工程；地下人防结构；临时支撑；施工技术；数值模拟

引 言

根据规划苏州轨道交通四号线某地铁站大部分位于人防工程位置，紧邻繁华商区，周边环境极其复杂，人防结构横贯地铁站东西两侧，东侧紧邻地铁基坑，西侧大约 1/4处于地下连续墙外部。因而地铁基坑施工受到地下人防结构和周围环境的双重制约，如何处理好基坑开挖与人防结构的关系是本工程的关键。本文提出将人防结构处理为临时支撑的技术方案，随之基坑施工的进行，边支护边拆除。

数值分析方法[1～5]由于考虑多层土体的分层情况和不同土的性质、支撑围护结构分布及其性质、基坑开挖的整个过程以及建（构）筑物存在等复杂的环境因素，因此运用数值模型对基坑土体开挖进行模拟能够有效的指导工程实施。本文以苏州轨道交通四号线某标段地铁深基坑为例，考虑人防结构和地铁基坑围护墙相互作用影响，利用数值模拟的方法，研究地下人防结构处理过程中连续墙的变形特征，并通过现场监测进行比较，以期为相似工程的处理及实施提供参考。

1 工程概况

本标段场区范围内存在建于 80年代的察院场人防工程，根据现场测定，结合地铁站的规划，人防结构概况及与基坑的相对位置如图1所示，人防结构顶板埋深1.55 m，底板埋深6.80 m，局部2层，南北向长度约115.3 m。基坑深度为16.45 m，宽度约为 20 m，整体位于人防工程内部，施工中地下连续墙不可避免需要向下贯穿人防结构，两者直接接触并相互作用。

图1 人防结构概况及与地下连续墙相对位置

苏州地区位于太湖冲积平原区，工程区主要为第四系覆盖层。根据现场勘察实测，本场区地下水埋深在1.0～1.5 m范围内，地基土整体性质较差，其具体土层分布及相关的力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2 既有地下人防结构的处理方案

2.1 方案选定

传统的连续墙施工是由土体承受钢筋笼、钻机、浇注混凝土等静、动荷载的作用。本工程中由于人防结构的整体分布在地下-1.55～6.80 m的位置，使得地连墙的施工初期两侧没有土体支撑，施工荷载无处借力。传统的处理方案是对地下人防结构进行局部拆除，并回填该区域，以满足地下连续墙的施工要求。为解决悬空的问题，结合既有人防结构、地质条件以及施工场地状况，采用既有人防结构顶（底）板作为临时支撑，随基坑开挖进行，边支护、边拆除地下人防的处理方案。

基坑内部人防结构随着基坑的开挖施工逐步拆除，在处理的过程中由于原有人防结构的柱子和图2（a）中深导墙的支撑作用，在未拆除前顶板和底板充当了临时支撑。为充分发挥人防结构的支撑作用，减少基坑开挖过程中无支护暴露时间，后续施工中，将第一道支撑设置在基坑顶部，第二道支撑设置在与人防结构底板相同的位置，见图2（b）。

图2 人防结构的处理及支护结构的布置

第二道支撑可以在人防底板切槽施工，因而整个基坑在开挖深度 6.80 m以上完全没有无支撑的暴露时间，使得基坑一直处于支撑状态，基坑开挖的初期变形被有效抑制，因基坑的整体变形得以控制。

2.2 具体施工技术

本工程中将人防结构处理为临时支撑，地下连续墙穿越人防结构顶板与底板，因而方案的关键在于保证人防结构稳定的前提下进行深导墙的施工，其具体施工技术如下。

1）在设置深导墙的位置进行基面凿毛，基面凿毛时必须彻底凿除表面装修层与砂浆层，凿出新鲜混凝土基面；进而绑扎深导墙钢筋笼及连接部位的牛腿，并植筋进入人防顶板和底板，最后设置模板。由于人防结构侧墙与底板钢筋硅墙板厚度大多为40cm，施工时植筋深度以5～10cm为准，以免影响人防结构自身防水质量。

2）顶板钻灌注孔，采用混凝土取芯机在深导墙对应位置顶板上按照φ150 mm@1 000 mm钻取混凝土灌注孔，应用C30微膨胀混凝土浇筑深导墙混凝土。

3）浇筑完毕之后，待混凝土强度达到强度，拆除模板，破除深导墙之间的顶板和底板，并素土回填（见图3）。

图3 素土回填示意

随后在深导墙与人防结构的联合作用下施工地下连续墙的。并在施工基坑的过程中按照既定方案设置支护结构和拆除人防结构。

3 考虑人防结构支撑作用的数值模拟

在上述施工方案中，涉及到人防结构、地下连续墙和土之间的相互作用。为了顺利完成深基坑的施工，就必须保证施工过程中围护结构不会产生较大的侧向变形。因此对采用上述方案进行地下人防结构处理的深基坑的开挖过程进行了数值模拟，并据此对支护结构的变形进行分析，对方案的有效性进行了验证。

本标段为长条形地铁深基坑，沿着人民路纵向分布，图2（b）是该标段的标准基坑支护形式。计算模型选取最不利的横切面建立（图4）。模型边界距离围护结构50 m，整体模型为120 m×75 m的几何矩形。地表荷载取20 kPa；模型两侧限制其水平位移；模型底部同时限制水平和竖直位移；模型顶面设置为自由表面。地下人防及基坑围护结构的模拟均采用Plate单元，应用Anchor单元模拟基坑支撑的作用[6]。各结构的EI或EA等力学参数见表2。为确保土层变形模拟准确，土体采用硬化土本构模型（HS），各土层的力学参数依据文献[7]推荐的方案选取；人防结构及连续墙与土体之间相互作用应用弹塑性无厚度接触面单元模拟。

图4 数值模型

表2 结构单元参数

为反应初始应力状态和施工的真实过程中，计算按10个施工步骤，如表3所示。开挖第一层土体之后，人防结构的顶板和底板开始工作，充当两道支撑的角色，数值模拟过程采用激活模型中顶板和底板的方式模拟现实工况。

表3 剖面计算工况

4 基坑变形结果分析

4.1 地下连续墙墙体变形特征分析

参照上文，对选定模型进行真实工况下的开挖模拟，对支护结构的变形进行比较分析。

图5（a）为地连墙在不同工况下的水平位移，最大水平位移为 28.35 mm，低于规范要求，基坑处于稳定状态。由于人防结构的顶板和底板充当了支撑的作用，step3工况下，墙体在6.6 m以上的位置位移很小，这是由于人防结构的顶板和底板有效的限制了墙体侧移。人防结构以下，土拱效应使得墙体侧移反而最大。在拆除了人防结构之后（step5），由于相对于人防结构的底板和顶板，混凝土支撑的刚度要小一些，因而上部墙体的侧移相对拆除之前有所增大。随着基坑挖深持续增加，连续墙的最大侧移也持续增大，但都是维持在开挖面上下的位置；图5（b）为不同工况下墙体最大侧向位移的变化，直观的表明随着土体挖深的增大，墙身最大侧位移也不断增加，但在人防结构拆除之前位移变化较小。基坑土体开挖到 10 m左右的位置，开挖面处于力学参数相对较弱的粉土夹粉砂层，坑内土体不能有效的抵制围护结构的变形，因此墙体侧向位移的增长速度变快，当施工进行到 16.45 m，到达深基坑设计的最终深度，此时墙体变形达到最大值，为防止变形增长过快，需要迅速浇筑底板。

图5 地下连续墙水平位移变化特征

4.2 即有人防结构支撑效应分析

图6（a）为采用采用相同工况建立的正常加撑开挖到 6.60 m的连续墙墙体水平位移与本工程的对比分析图，正常开挖过程中无人防结构作为临时支撑，其中A表示正常工况，B表示人防结构在处理过程中作为临时支撑作用。可以看到开挖1 m的工况下，墙体在6.6 m以上的位置变形很小，墙顶几乎没有位移，位移集中在开挖面以下,相反无人防支撑的工况下墙顶位移最大。这是因为人防结构的支撑作用，墙体侧移被有效的控制了；开挖到 6.6 m时，拆除了人防结构，改为混凝土支撑，由于刚度小于人防底板，因而连续墙侧移小范围增大，但相对于无人防临时支撑开挖仍然较小。

图6 人防结构支撑作用连续墙侧移对比

图6（b）为两种工况下墙身的最终变形，位移最大的位置均处于开挖面的附近。由于人防结构的前期支撑作用，B工况下最终变形小于A工况，并且开挖面以上部分变形整体小于 A工况，开挖面以下基本重合。由于A，B两种工况下唯一不同点就在于 B工况前期采用了人防结构作为临时支撑，因而造成最终结果差异的原因就在于采用了我们提出的地下人防结构的处理技术。

4.3 与实测值的对比分析

基坑的施工是一个复杂的工程，连续墙的侧移可能受到施工方法、施工机械等多种因素的影响，因此数值模拟存在局限，应与实测数据对比分析。

从图7可以看出在开挖面上方数值计算的基坑围护结构水平位移值与实测值较为吻合。但开挖面下方，实测值相对计算值有明显减小，初步分析这是由于施工后期严格限制基坑周边人流车辆通行，使得地表超载大大降低，因而实测位移随着开挖施工的进行相对计算值有明显降低。虽然计算值与实测值虽然在数量上不完全一致，但是所揭示的变形规律较为一致，说明本工程的数值模拟计算方法较符合实际施工情况。

图7 拆除人防结构之后墙体水平变形对比

图8 墙体最终水平位移对比

图8中实测基坑开挖完毕后最大侧移为25.38 mm，低于计算值 28.35 mm，满足施工要求。因而现场实测表明：本工程很好的控制了基坑的水平位移，地下人防结构处理方案制定合理、施工措施得当。

5 结 论

本文针对苏州轨道交通四号线某标段地铁深基坑范围内存在大片地下人防结构，根据现场调研，结合数值分析和现场实测，研究了深基坑施工过程中既有地下人防结构的处理技术，主要结论如下：

1）采用既有人防结构的顶（底）板作为临时支撑，随着基坑开挖的进行，边支护、边拆除人防结构的处理方案，保证了基坑在人防结构拆除过程中的施工安全，减少基坑在无支护条件下的暴露时间。

2）建立了地下连续墙与既有人防结构相互作用的数值模型，分析了基坑开挖区域存在大刚度地下构筑物如人防结构时围护结构变形不同的特点：人防结构处理为临时支撑，由于顶板和底板刚度相对较大，有效的限制了开挖初期墙体侧移。人防结构以下，由于土拱效应反而位移最大。人防结构拆除以后，墙体最大变形位置逐步移到开挖面附近。与无人防结构影响的基坑施工相比，既有人防结构处理成为临时支撑使得基坑在拆除人防结构的过程中始终处于有支撑的状态，这使得基坑开挖的初期变形被有效抑制，因而基坑的整体变形得以控制。

3）实测结果表明：基坑围护结构的变形整体较小，满足规范要求。现场实测值与模拟结果所表现的变形特征基本一致，说明本处理方案是科学合理的，相应的施工举措也处理得当，因此基坑在施工过程中没有发生较大变形。

[1]俞建霖,赵荣欣,龚晓南.软土地基基坑开挖沉降量的数值研究[J].浙江大学学报,1998,38(1):95-101.

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[6]Brinkgreve R B J,Al-Khoury R,Bakker K J,et al.PLAXIS finite element code for soil and rock analyses [M].[S.l.]:Balkema,2001.

[7]周恩平.考虑小应变的硬化土本构模型在基坑变形分析中的应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

Research on Techniques of Treating Underground Air-defense Structure Used in Construction of Deep Foundation Pit

Yang Meng1,3,Li Wenfeng2,Tan Yuehu1,Li Erbing1,Zhou Jun1,Bian Shaoshuai1
(1.College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Suzhou Rail Transit Group Co.,Ltd.,Suzhou Jiangsu 215004,China; 3.Unit No.95526 of PLA,Lhasa Tibet 850000,China)

An introduction is made to the construction techniques of concrete diaphragm wall penetrating the existing air defense structure.A numerical model is also used to analyze the deformation characteristic of concrete diaphragm wall and the support effect of air defense structure while treating air defense structure.The analysis results are compared with the measured data.The results show that the deformation of concrete diaphragm wall accords with the calculated results well and meets the requirement of relevant specification during the construction.In the case,the combination of reasonable techniques of treating underground air defense structure and appropriate construction measures guarantees the safety of foundation pit in the project.

deep foundation pit project; underground air-defense structure; temporary support; construction techniques; numerical simulation

TV551.4

：A

：1004-9592（2016）06-0022-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160606

2015-12-01

苏州市轨道交通集团有限公司科研项目（SZGDKY201304）

杨蒙（1989-），男，博士，主要从事岩土工程及地基处理方向的研究。