深基坑开挖过程水平位移动态调整方法及其应用

2021-10-18闫腾飞陈保国宗秋雷

西北民族大学学报（自然科学版） 2021年3期

关键词：轴力受力基坑

闫腾飞，张磊，陈保国，宗秋雷

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北武汉 430074；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

0 引言

随着城市规模建设，深基坑地连墙支护体系逐渐成为开发地下空间的重要支护型式[1-3].基坑开挖具有三维空间效应[4-5].施工过程中的支护体系受力和变形特征与实际情况往往存在较大差异，导致支护体系时常出现局部变形过大或局部应力集中的问题.

当基坑邻近有地铁隧道或其他重要建筑物时，地连墙较大的水平位移将对周围建筑物正常运行产生重要的安全风险[6-8]，同时对基坑正常施工产生极大的威胁.然而现有的设计方案难以考虑与实际施工中的变形差异，导致基坑施工面临风险，甚至失稳破坏.

地连墙最大横向变形取决于开挖深度、支撑刚度和土体特性[9].墙体位移随支撑刚度的减小而增大[10].当面临一些周围无重要建筑物的基坑工程时，地连墙的水平位移只要控制在合理范围内即可.支护体系局部应力集中将导致地连墙水平位移过小，轴力值过大.在实际工程中支护体系时常存在局部应力集中问题，且难以动态调整，对支护体系受力性能产生极大限制[11-12].因此，本文提出一种深基坑水平位移实时调整方法，并采用验证后的数值分析模型研究该调整方法的可行性，最后研究分别调整S2～S4中的任意一道支撑时的支护体系受力特性.本文的研究工作以期指导工程设计和实际施工，提高基坑施工质量，降低风险.

1 深基坑水平位移实时调整方法

本文设计了一种长度可以调节的内支撑结构，改进后的内支撑如图1所示.长度调节装置可以由液压控制.若地连墙水平位移过大，可通过伸缩装置增加内支撑的长度.通过伸长内支撑抑制地连墙水平位移，提高基坑稳定性.若支护体系应力集中显著，地连墙水平位移应在合理范围内适当释放，通过缩短内支撑来减缓支护体系内力，尤其是减小支撑轴力，防止内支撑体系失稳引起支护体系连续破坏.

实际工程中，绝大多数深基坑的第一道内支撑为钢筋混凝土支撑，且一般承受竖向荷载.因此，本文提出的支护体系动态调整方法主要考虑调节除第一道混凝土支撑以外的其他内支撑(钢支撑).

2 数值模拟

2.1 模型概况

本文依托深圳地铁12号线上川站基坑进行研究.该长条形基坑标准段断面如图2所示，基坑宽20 m，开挖深度为18.5 m.支护体系采用0.8 m厚地连墙结合四道内支撑组合形式，地连墙高度为26 m，支撑自上而下依次采用1道混凝土支撑 (S1) 和3道钢支撑 (S2、S3和S4).混凝土支撑截面尺寸为1 000 mm×800 mm，钢支撑截面尺寸为ø=609 mm，t=16 mm.

图1 长度可调节支撑示意图图2 基坑标准断面

2.2 数值模型及参数

采用Midas(GTS)建立上川站基坑三维数值分析模型，数值模型如图3所示.模型几何尺寸长、宽分别为180 m和50 m.地层采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型、三维实体单元模拟，地连墙采用弹性模型、板单元模拟，内支撑采用弹性模型、beam单元模拟.模型底面约束水平和竖向位移，四周约束水平位移，模型上表面为自由边界，不考虑排水固结作用.材料物理、力学参数如表1所示.

图3 数值模拟

表1 数值模型材料参数

2.3 数值模型验证

开挖结束后的地连墙水平位移及内支撑轴力分布规律如图4和图5所示.地连墙最大水平位移数值接近(模拟值为16.67 mm，实测值为16.38 mm)，且都位于深度14 m处.内支撑的最大轴力值都位于S3，且差异值小于5%.数值模拟得出的地连墙水平位移分布规律、内支撑轴力分布规律与现场监测结果一致，从而验证了数值模型的可靠性.

图4 地连墙水平位移图5 内支撑轴力曲线

下文将运用验证后的数值模型分析内支撑在不同调整工况下支护体系的受力特性.

2.4 开挖过程中的动态调整分析

在开挖过程中缓解局部应力集中的支护体系动态调整特性如图6和图7所示.当基坑开挖至地面以下14.5 m时，支护体系局部应力集中问题将对后续施工带来风险.结合动态调整构想，在确保安全的前提下主动释放位移将缓解支护体系局部应力集中问题,由此调节S2、S3纵向减小10 mm.调节后的地连墙最大水平位移增大了25.9%，S2、S3轴力值分别减小了28.1%、6.9%.

图6 地连墙水平位移变化规律图7 内支撑轴力变化规律

针对局部地连墙水平位移过大的支护体系动态调整特性如图8和图9所示.地连墙过大的变形趋势将对后续施工带来挑战.基于动态调整构想，支撑纵向伸长将地连墙水平位移产生抑制作用.因此调节S2、S3、S4纵向增加10 mm.调整后的地连墙最大水平位移减小了21.4%，S2、S4轴力值分别增加了89%、24.8%.

本文支护体系动态调整的核心思路在于通过调节内支撑的长度促使支护体系内力重新分布，目的使支护体系受力更加适应不同施工阶段的安全要求.数值结果表明，支护体系内支撑动态调整方法具有可行性.

图8 基坑侧壁水平位移变化规律图9 内支撑轴力变化规律

3 开挖结束后动态调整分析

为探讨单独某一道支撑长度的改变对支护体系受力特性的影响规律，在开挖结束后分别控制S2、S3、S4缩短2～8 mm或伸长2～8 mm.

3.1 规律分析

如图10和图11所示，当调节S2缩短2～8 mm时，地连墙最大水平位移保持在16.78 mm左右.0H～ 0.6H 深度范围内地连墙水平位移增加，S2深度处地连墙水平位移依次增加10.1% (-2 mm)，20.3% (-4 mm)，30.4% (-6 mm)，40.5% (-8 mm).S2长度减小将使S2轴力值减小(依次减小23%、48%、72%、96%)，但同时也将导致S1和S3轴力值增加(S1：71%、142%、213%、285%；S3：10%、20%、30%、40%).当调节S2伸长2～8 mm时，地连墙最大水平位移保持不变.0H～ 0.6H 深度范围内地连墙水平位移减小.S2深度处地连墙水平位移依次减小10% (+2 mm)，20.1% (+4 mm)，30.3% (+6 mm)，40.4% (+8 mm).S2长度增加将使S2轴力值增加(依次增加25.4%、47.8%、73.8%、95.6%)，但同时也将导致S1和S3轴力值减小，S1甚至出现拉应力.

综上所述，S2长度调整不会改变地连墙最大水平位移值.S2长度调整仅对0.6H高度范围内水平位移产生调节作用，且仅对S1和S3的轴力值产生影响，对S4的影响小于5%，可忽略不计.

图10 调节S2(水平位移) 图11 调节S2(轴力)

如图12和图13所示，当调节S3缩短2～8 mm时，0.3H～ 0.85H范围内地连墙水平位移增加，地连墙最大水平位移依次增加1% (-2 mm)、2.1% (-4 mm)、4.2% (-6 mm)、6.5% (-8 mm).S3长度减小将导致S3轴力值减小(依次减小15.6%、31.2%、46.8%、62.4%)，也将导致S2和S4轴力值增加，但不会引起S1轴力值大幅度的改变.当调节S3伸长2～8 mm时，0.3H～ 0.85H 范围内地连墙水平位移减小，地连墙最大水平位移依次减小1.1% (+2 mm)、1.7% (+4 mm)、2% (+6 mm)、2.3% (+8 mm).S3伸长将导致S3轴力值增加(依次增加15.6%、31.2%、46.8%、62.4%)，也将引发S2和S4轴力值减小，对S1影响可忽略不计.综上所述，S3长度调整会对0.3H～0.85H高度范围内水平位移产生调节作用，且影响地连墙最大水平位移值.该条件下S2和S4的轴力值变化较大，S1轴力变化较小，可忽略不计.

图12 调节S3(水平位移) 图13 调节S3(轴力)

正如图14和图15所示，当调节S4缩短2～8 mm时，0.5H～1.4H深度范围内地连墙水平位移增加，地连墙最大水平位移依次增加4.5% (-2 mm)、9.1% (-4、mm)、13.6% (-6 mm)、18.2% (-8 mm).S4缩短将使S4轴力值减小(依次减小11.3%、22.6%、34%、45.2%)，也使S3轴力值增加，但对S1和S2的轴力值影响小于5%，可忽略.当调节S4伸长2～8 mm时，0.5H～1.4H深度范围内地连墙水平位移减小，地连墙最大水平位移依次减小4.5% (+2 mm)、9.1% (+4 mm)、13.5% (+6 mm)、17.1% (+8 mm).S4伸长将使S4轴力值增加(依次增加11.3%、22.6%、34%、45.2%)，也将导致S3轴力值减小，但对S1和S2轴力值的影响可忽略不计.综上所述，S4长度调整会对0.5H～1.4H高度范围内水平位移产生调节作用，且影响地连墙最大水平位移值.该条件下S3的轴力值变化较大，S1和S2轴力值变化可忽略不计.

图14 调节S4(水平位移) 图15 调节S4(轴力)

3.2 工程建议

单独调节一道内支撑下的支护体系最大轴力与最大水平位移之间的关系曲线如图16所示.由图16可知，当只对一道内支撑进行调节时，无论如何调节，支护体系都一定存在一个受力最优点.无论地连墙水平位移大于或小于该点，都将引起支护体系轴力值急剧增加.调节S1，S2，S3对应的斜率绝对值的比值如下：

本文条件下支护体系受力最优点为水平位移16.76 mm，轴力值1 347.09 kN.在工程应用中应根据不同地区实际情况设置灵敏度R1.通过内支撑长度调节装置，使支护体系受力始终保持在以最优点为圆心，灵敏度R1为半径的圆内.值得注意的是，该受力最优点并非定点，但其随开挖工况的变化机理与规律尚不清楚，本文此处不做研究.