深厚软土大跨深基坑变形与参数敏感性分析

曲 强 李明皓

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

随着临海城市向更深层地下空间的迈进，在深厚软土地层中进行大尺度开挖成为常态。而临海地区淤泥层深厚，具有高压缩性、高含水量、低承载力、流塑性强的显著特点，此类地层中大尺度基坑开挖变形大、难控制[1]。紧邻繁华地带的此类基坑开挖日益增多，深基坑支护结构的设计、施工难度远超常规基坑工程，导致基坑实施风险增大[2]。有效降低对周围既有建筑物的扰动成为一个难点，对基坑支护结构提出了更高要求[3,4]。

关于深基坑开挖过程中如何进行变形控制，国内外诸多专家、学者通过理论分析、数值计算以及现场监测等手段展开研究。PROTOSENYA等[5]采用数值计算的方法模拟深基坑开挖过程，对围护结构及土体变形进行了计算及预测；BENIN等[6]考虑基坑开挖过程中各个阶段，评价了基坑开挖对其围护结构变形以及周围建筑物的扰动性；FINNO等[7]采用数值模拟方法对基坑的拐角空间约束效应及其影响因素和范围进行计算，并对围护结构及变形规律进行了研究；ZHANG等[8]分析了基坑开挖过程中基坑的几何参数、土体特性和地下连续墙特性等因素，分析了基坑施工对临近结构的受力和变形影响规律；ZHANG等[9]对基坑施工对临近既有建筑物的沉降变形规律进行了进一步揭示；TAN等[10,11]针对大尺度圆筒型深基坑在软土地层中采用中心岛技术施工，研究了其结构受力特性和变形规律，对基坑墙体侧向变形、墙体竖向位移、地面侧向位移、现浇楼板和支撑柱的轴力、挡土墙两侧的侧向土压力、地面沉降、地下沉降、基底隆起等进行了综合研究。

王立新等[12]采用数值模拟手段，研究基坑近接既有结构的变形规律和控制标准；向亮等[13,14]对基坑开挖过程进行数值计算，将计算结果与实测数据进行对比，研究深基坑的变形规律。信磊磊等[15]考虑土体小应变硬化的力学特性，研究深基坑开挖对近邻结构变形的影响；陈保国等[16]通过设计模型试验，研究内支撑体系、地连墙和墙后土体之间的协调变形特性，提出了地连墙支护体系协调变形智能调节方法；刘念武等[17]通过对深基坑施工过程中的变形进行实测归纳，得出了软土地层中地连墙围护结构的变形演化规律；徐中华等[18,19]通过现场监测数据进行归纳，得出钢支撑轴力补偿系统对深基坑开挖过程中地连墙的变形能够有效抑制。

综上讨论可知，基坑的设计过程需综合考虑支护体系的变形及其内力等指标，因此，支撑体系和围护结构间的力学响应及相互作用的研究显然极为重要。因此，本研究以深厚软土地层中深基坑地连墙支护体系为研究对象，基于实测数据，结合数值模拟手段，综合研究地连墙和支撑体系的内力演化规律，并深入分析支护体系的参数敏感性，准确界定敏感性参数对结构安全性的影响，找出关键因素，可为结构设计与施工提供指导。

2 工程概况

2.1 工程简介

本研究依托某地铁基坑工程，基坑长度555.7 m，标准段宽度50.75 m，深21.7 m。车站主体围护结构采用1.2 m厚地下连续墙，基坑内支护形式为三道钢筋混凝土桁架支撑。该工程地质条件主要位于超厚淤泥质软土地层。

2.2 地质条件

基坑范围地层主要包括：素填土、淤泥、淤泥质黏性土、卵石、砂土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。该基坑所在区域地层上部多为松软土层，中部多为淤泥质黏土地层，下部为残积土或风化岩石地层，这是典型的临海城市地层。

2.3 监测方案

该工程主要采用自动化监测技术和人工监测相结合的方法以实现“动态施工”，即集管理、设计、施工、监控与反馈于一体的信息化施工技术，建立预警机制，保证施工安全。

用徕卡TS30测量机器人进行实时监测，并将数据上传至GEOMOS监测数据处理软件；用徕卡DNA03水准仪进行人工沉降观测、用徕卡TS30全站仪进行人工水平位移观测。

2.3.1 监测仪器

徕卡TS30测量机器人具有自动目标识别功能，可自动搜寻目标并瞄准，显著提高工作效率并减少人为误差。其测角精度为0.5″，测距精度为1 mm±1 ppm，TS30测量机器人如图1所示。

GEOMOS专业监测软件界面如图2所示，通过该软件可远程操控机器人，且能自动处理监测数据，并生成相关监测成果表及变形曲线。

2.3.2 自动化监测系统构成

1)系统架构。

自动变形监测系统主要由以下几部分组成：测量设备、数据接收设备、处理系统，如图3所示。

2)通讯架构。

监测系统的数据传输模式分为：远程遥控模式和应急模式，如图4,图5所示。

3 支护体系内力实测结果分析

由于连续墙深埋于土层中，其内力往往难以监测。因此在现有的研究中关于连续墙内力的实测数据相对匮乏。本节采用的信息化监测技术可以有效实时监测其内力演化过程及其随深度的分布特征。因此本节选取具有代表性的两断面(基坑中心对称面：A—A断面和靠近基坑角部断面：B—B断面)对施工过程中连续墙内力进行研究。

3.1 连续墙弯矩分析

连续墙在各个开挖深度下的弯矩图如图6所示，由图6可知，在不同开挖深度下的连续墙弯矩随深度分布的规律基本一致。在基坑中心对称面上(A—A断面)，均为随开挖深度的增加，弯矩逐渐增大，当增大到最大值时开始减小；最大弯矩基本位于开挖面附近。在墙体顶部和下部局部区域出现负弯矩，但量值较小，原因是连续墙顶部内撑和下部土体的约束作用。开挖完成后最大正弯矩值为529.3 kN·m/m，下部最大负弯矩值为21.9 kN·m/m，上部最大负弯矩值为48.7 kN·m/m。

在基坑角部附近断面上(B—B断面)连续墙受到弯矩的变化规律与中心对称面上相似，从弯矩大小来看角部弯矩值远小于中心对称面处，原因是基坑角部附近连续墙受到空间约束效应，其变形相对较小。开挖完成后，靠近基坑角部断面上最大弯矩值为126.5 kN·m/m，中心对称面上最大弯矩值为529.3 kN·m/m，中心处弯矩值达到角部处4.2倍。表明连续墙的弯矩沿其水平轴线长度方向分布的不均匀性，因此根据该规律，可对连续墙的配筋合理进行优化提供指导。

3.2 支撑结构受力分析

支撑在开挖过程中实测应力变化曲线如图7所示，由图7可知，竖向支撑在刚架设完成时，其轴向应力为12.0 MPa；第二层开挖完成时，轴向应力为12.5 MPa；第三层开挖完成时，轴向应力为13.0 MPa；第四层开挖完成后，増加到28.1 MPa；由应力变化过程可知，前三层开挖对竖向支撑应力变化影响较小，在第四层开挖完成后突然增大，主要原因是前期开挖基坑主要以水平位移为主，随着开挖的进行，基坑隆起现象越来越明显，基坑隆起使竖向支撑有向上运动的趋势，而上部水平支撑在重力作用下具有向下运动的趋势，两者共同作用使竖向支撑受力较为明显。

由水平支撑应力曲线可知，水平支撑应力随土体的开挖呈现明显的增长。第一道钢支撑在开挖第一层之前的应力为2.6 MPa；第一层开挖完成时的应力迅速增加为2.9 MPa；在第一层开挖完成后至第二层开挖前的这段时间应力无明显变化；随着第二层开挖的进行，第一道支撑的轴力由2.9 MPa迅速增加到3.6 MPa；第三层开挖完成后的应力为4.3 MPa；第四层开挖完成后的应力为4.7 MPa。每道钢支撑架设后均存在应力快速上升过程。随基坑开挖的进行，第一道水平支撑的轴力迅速增大，在增大至某一值后会有一小幅度的减小，主要原因是第二道水平支撑的架设会对第一道支撑产生影响，致使其应力值有所减小。

4 支撑体系参数敏感性分析

围护结构的变形受多种因素的共同影响，主要包含结构厚度、间距、开挖方式、基坑长宽比等。本节在实测数据基础上，建立数值计算模型，首先与实测数据对比验证模型准确性，进一步通过变参数法详细分析这些相关的因素对基坑变形的影响。

4.1 连续墙厚度的影响

连续墙的厚度影响其抗弯刚度，能够对自身的变形起到控制作用。因而本节详细分析连续墙厚度对深基坑支护结构的影响。

本研究所依托深基坑工程地连墙厚度为1 200 mm，分别再取厚度为1 000 mm和800 mm进行计算。建立计算模型，对三种不同地连墙厚度的计算结果进行对比，其计算结果如图8所示。

由支撑应力变化过程可知，地下连续墙厚度对支撑应力影响较小，即当地下连续墙厚度为600 mm时，支撑最大应力为28.6 MPa，较原工况(27.9 MPa)增大了2.6%。说明地连墙厚度对支护结构受力及变形影响较小。

4.2 水平支撑楼板厚度的影响

支撑刚度对基坑变形有较大影响，支护结构与主体地下结构相结合的深基坑工程中，主体结构中梁板体系是作为基坑水平支护体系的一部分，因此基坑水平支撑刚度大小主要取决于主体结构楼板的厚度和梁的布置。此外，梁轴向的刚度可等效到水平楼板中。计算可得，等效后的水平楼板厚度为100 mm时，水平支撑的轴向刚度达2 400 MN/m/m(混凝土的弹性模量取2.4×1010Pa)，计算所得刚度远大于基坑支护中一般临时支撑的刚度，因此可以看出主体结构楼板厚度是影响基坑变形的一大因素。

地下工程中常见地下室楼板厚度为100 mm，120 mm等，特殊情况下为满足特性要求可达到250 mm。因此，综合考虑各种情况下楼板厚度的影响，取80 mm，100 mm，120 mm，150 mm，200 mm及250 mm六种参数工况。计算过程中模型和计算参数仅考虑水平支撑楼板厚度变化，其他参数与本文基本分析模型保持一致。

不同楼板厚度工况下基坑开挖过程中的最大变形和连续墙受到最大应力图如图9所示。从图9中可以看出，基坑开挖深度小于12 m时，楼板厚度变化对基坑开挖过程中地连墙变形量和弯矩(由应力换算所得)变化的影响较小，主要原因是基坑开挖深度较浅，水平支撑刚度足够，增加楼板厚度并不能显著限制变形。当基坑开挖深度达到32 m时，支撑楼板厚度自80 mm逐渐加厚到250 mm时，基坑开挖过程中连续墙的最大侧移、墙后土体最大沉降、连续墙最大弯矩、墙后土体最大侧移、基底回弹、墙顶回弹显著减小，减小量分别为13.0%，17.7%，8.6%，15.7%，3.4%和9.5%。其中，墙顶回弹量的减小主要原因是水平支撑楼板自重随着厚度的增加而增大。

4.3 地连墙深度的影响

为研究地连墙深度对其变形的影响，设置地连墙深度分别为21.7 m，24.0 m，36.0 m三种工况进行计算，图10为不同深度时的地连墙侧移曲线，由图10可知，地连墙深度对其侧移有一定程度的影响，三种工况下地连墙侧移的最大值均出现在地连墙中部，侧移的整体趋势可分为三个阶段：第一阶段，深度不超过5 m时，三种工况下的地连墙侧移都随着入土深度的增加，从侧移为-3 mm不断减少为0，主要受水平支撑体系的影响；第二阶段，深度在5 m～16 m时，三种工况下的地连墙侧移分别随着入土深度的增加，从位移为0 mm不断增大为3.5 mm，3.0 mm，2.5 mm；第三阶段，深度大于16.0 m时，随着深度的继续增加，三种工况下的地连墙侧移又逐渐变为0；随着地连墙深度的进一步增加，地连墙未再有较大幅度的减小侧移。由此说明，地连墙达到一定深度后，再通过增加地连墙深度来控制侧移量的方法不可取。

4.4 坑底加固的影响

该地区地质条件差，常采用基坑内地基加固的方法来减少基坑变形、减小对基坑周边环境的扰动。常用的加固方法包括注浆、水泥土搅拌桩以及高压旋喷加固等。其中深层搅拌桩加固以其施工简便、成桩快、价格低廉和施工无噪声等优点在建筑和地铁基坑工程中得到了广泛的应用。

水泥土搅拌桩加固方法常有块状加固、抽条加固和柱状加固，如图11所示，关于水泥土搅拌桩的加固机理，陈兴年[21]作了较详细的研究，本节不再赘述，仅对水泥土搅拌桩加固对基坑变形的影响进行分析。

考虑到建模方便，这里仅考虑块状加固对基坑变形的影响，加固范围为基坑底下4 m深，4 m宽，鉴于不同开挖深度下基坑底加固的位置不同，因此各开挖深度下模型加固均不同，考虑控制变量下结果对比，因此结构尺寸、参数及未加固区域土体参数均与本文基本模型一致。加固范围内土体模型采用Mohr-Coulomb模型，水泥土加固体力学参数取值为[21]：粘聚力c变化范围为0.1 MPa～1.0 MPa，这里取平均值0.55 MPa；内摩擦角φ变化范围为20°～30°；这里取平均值25°；压缩模量变化范围为60 MPa～100 MPa，这里取平均值80 MPa；模型中弹性模量参数取为压缩模量的3倍，即E=240 MPa。连续墙与加固土体间接触面摩擦系数取μ=0.4；葛中华[22]通过试验研究分析，认为掺水泥后桩土界面抗剪强度提升可达到原状的1.5倍，因此本文将搅拌桩加固后土体与连续墙间接触面极限摩阻力提升到原来的1.5倍。

基坑开挖过程中坑底加固和未加固两种工况下基坑的最大变形和连续墙最大应力变化曲线如图12所示。从图12中可以看出，基坑开挖深度在12 m～24 m过程中，坑底加固对连续墙最大水平位移和应力的控制效果较为明显，其中开挖深度为20 m时效果最佳，该开挖深度下连续墙的最大水平位移、最大弯矩(由应力换算得到)、墙后地层的最大水平位移和竖向沉降分别较未加固时减少10.3%，12.3%，18.1%和9.4%。坑底加固对基底的土体回弹及连续墙顶回弹影响相对较小，基本可以忽略。由此可知，坑底加固对控制基坑的变形效果有限，这是由于支护结构与主体地下结构相结合的基坑本身整体刚度较大，采用基底加固的方法效果不再明显。

4.5 基坑长宽比的影响

基坑开挖具有明显的空间约束效应，其影响的大小主要受基坑几何形状的影响。本节主要考虑不同几何尺寸基坑效应，为简化计算，保持本研究的基本分析模型的宽度(B/2=28 m)不变。改变基坑的长度(L/2)，考虑三种情况，即基坑长度L/2分别为28.0 m，56.0 m和112.0 m，从而基坑的长宽比分别为1∶1，2∶1和4∶1。

不同长宽比时基坑在开挖完成后的变形曲线如图13所示，由图13可知，L/B=2时连续墙短边的侧移较方形基坑的侧移增大26.5%，而L/B=4时连续墙长边的侧移较方形基坑的侧移增大29.4%；L/B=2时连续墙长边侧移较方形基坑的侧移增大29.4%，而L/B=4时连续墙长边侧移较方形基坑的侧移增大33.1%。这说明基坑的长宽比主要影响长边变形。从计算结果可看出，L/B=4和L/B=2时连续墙的变形相差不明显。这说明L/B=2时基坑长边中点的变形已接近于平面应变状态，再增加基坑长边尺寸时，基坑的空间效应对长边的影响已经不大。

从地表竖向沉降图可以看出，长宽比对墙后地表沉降和侧移的影响与其对连续墙变形的影响相似。L/B=2时基坑长边中点的地表沉降和侧移与L/B=4时的沉降和侧移较为接近。L/B=2时基坑短边中点的地表沉降和侧移与L/B=4时基坑短边的沉降和侧移较为接近。在开挖深度较小时，L/B=2和L/B=4时短边的沉降和侧移与方形基坑相差不大，随着开挖深度的增大，其差值逐渐增大。L/B=4时长边的地表沉降和侧移较方形基坑分别增加56.1%和75.4%，这说明长宽比对长边的地表沉降和侧移的影响更显著。从图13中可以看出，长宽比不同时短边的沉降分布相差不大，且沉降的影响范围基本保持不变。

5 结语

1)介绍了本研究所依托深基坑工程开挖过程中能够实现“动态施工”的信息化监测技术，该技术可有效监测深埋地连墙内力、变形等演化过程，并及时反馈，建立预警机制，保证施工安全。

2)根据信息化监测手段获取的地连墙内力演化过程，对开挖至不同深度时地连墙的内力特征进行了详细分析。揭示了地连墙在开挖过程中弯矩的分布规律，得出最大弯矩及不利断面位置，有助于为配筋设计提供指导。

3)支撑体系实测内力特征表明：前三层开挖对竖向支撑应力变化影响较小，在第四层开挖完成后突然增大，说明竖向支撑主要在第四层开挖时发挥作用，可有效控制水平支撑竖向变形。每道钢支撑架设后均存在应力快速上升过程；后续支撑的施加会使已施加支撑的内力有小幅度的减小。

4)通过对支撑体系参数敏感性分析可知，地连墙厚度对支撑体系的受力基本无明显影响；由于主体结构自身刚度相对较大，在开挖深度较浅时，水平支撑楼板厚度对地连墙变形无明显影响；地连墙深度存在一个最佳值，采用较深的地连墙并不能显著提高其抗变形能力；采用坑底加固措施时，在浅部开挖中效果较为显著，进入深部地层后地层条件相对较好，加固的效果不再明显；基坑长宽比主要影响基坑的长边变形，对连续墙的侧移和基坑的回弹影响较小。