砂性土中异形基坑群分期施工受力变形的特性研究

2021-12-31姚青李明广

特种结构 2021年6期

关键词：轴力土体墙体

姚青李明广

1.上海城建市政工程（集团）有限公司 200065

2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 200240

3.上海市基础工程集团有限公司 200002

引言

近年来，随着城市发展，交通拥堵日益严重，发展地下交通作为缓解都市交通压力的一种有效手段受到诸多城市的推崇。作为地铁线路主要节点的地铁换乘车站多处于都市繁华区，其基坑形状常常受到周边复杂环境的限制而设计为不规则形状。为了减小异形基坑空间效应的影响，实际施工中，常将整个基坑划分为多个小基坑，整体施工采用基坑群分期施工的方式。因此研究异形基坑群分期施工的受力变形特性及其对周边建（构）筑物的影响十分重要。

对于异形基坑施工的变形特性，已有部分学者开展了一些研究。吴水根［1］、姜艳红［2］等学者曾基于工程实例对异形基坑的支护方案优化选择方面进行了研究，但其关注重点在于支护结构方案的优化，不涉及对周边环境的影响分析。在分期施工减小基坑空间效应影响方面，已有研究的分析对象多为软土地区基坑开挖施工。如应宏伟等［3］探究在软土深基坑中采用分段施工方法减小基坑变形和对周边环境的影响；郭跃［4］研究了分段施工对围护结构的变形特性及内力的影响。

砂性土地区的土层黏聚力较小，故在此类场地进行深基坑施工与其他类型的地质条件存在明显差异。而对砂性土地区地铁车站深基坑施工的受力变形特性的研究较少：俞建霖等［5］采用数值分析与实测数据分析的手段，研究了杭州某砂性土基坑施工的变形特性及其对紧邻地铁隧道的影响；范建军等［6］针对砂性土地质条件下超大超深基坑进行研究，提出了一种包括围护设计、降水、开挖、拆撑等施工措施的控制围护变形的综合施工技术；赵秀绍等［7］结合数值模拟和监测数据分析的手段对砂性土中深基坑变形特性进行研究。但上述学者研究涉及的基坑形状和支撑结构体系较为规整，且不涉及分期开挖对减小基坑群施工的空间效应问题。

总结上述已有研究可以发现，尚未有针对砂性地层中异形基坑群分期施工的受力变形特性的研究。本文以地处砂性土地区的南昌市轨道交通青山路口站基坑分期施工为例进行数值分析对该问题进行探究。首先采用前处理软件对基坑进行精确建模，然后通过模拟先期施工的一期基坑对数值参数的准确性进行反分析，最后模拟二期基坑施工的全过程。为了指导后续施工，本文重点分析了二期基坑模拟结果的坑外地表沉降、墙体水平变形和支撑轴力，得出异形基坑分阶段开挖的受力和变形特性以及其环境影响。

1 工程概况

1.1 工程背景及地质条件

南昌市轨道交通2 号线和3 号线的青山路口换乘站位于市区交通繁华地带，所在路口为连接市中心与昌北地区的重要节点，场地土层为砂性土，周边环境和工程地质条件十分复杂。该车站的2 号线部分车站长度约为200m，宽度约为25m，埋深约为24m 左右，采用明挖顺作施工；3 号线部分车站长度约为340m，宽度约为24m，埋深约为17m左右，采用半盖挖顺作和明挖顺作施工。

基坑群拟建场地属于赣江二级阶地，地形较平坦、起伏不大，地质结构较单一，无不良地质构造。根据岩性及工程特征，场地的地层自上而下可依次划分为：素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、细砂、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

1.2 施工方案及支护结构

青山路口换乘车站基坑示意如图1 所示，功能较多且形状复杂。基坑水平方向主要为地铁2号线车站覆盖区域（包括区域Ⅰ、Ⅴ），竖向方向主要为地铁3 号线车站覆盖区域（包括区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。同时，Ⅳ区域内还有一栋需要拆除的南昌市第二十八中学的教学楼。为了协调施工与教学楼拆迁以及地铁2 号线和3 号线的盾构进度之间的关系，在车站基坑主体结构内设置多道封堵墙，将青山路口换乘站基坑主要分成两个阶段进行施工：一期施工阶段包括区域Ⅰ、Ⅴ，二期施工阶段包括区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。其中，区域Ⅴ为一期基坑施工和二期基坑施工的交叉区域，如图1 所示。

图1 青山路口站两期施工区域划分Fig.1 Division of two stages construction area of Qingshan Road Station

青山路口站总体地面标高为20.66m，主体围护结构采用1000mm 地下连续墙和内支撑系统，混凝土等级为水下C35 混凝土。图2 为一期基坑支撑平面布置，基坑设四道支撑，第一道支撑为钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑；图3为二期基坑施工支撑平面和剖面布置，共设4 道钢筋混凝土支撑。各支撑尺寸及中轴线标高见表1。

图2 一期基坑第一道支撑平面示意Fig.2 First support of the first-stage foundation pit

图3 二期基坑支撑平面和剖面布置示意Fig.3 Plane and sectional view of the second-stage foundation pit support

表1 青山路口站支撑布置Tab.1 Support arrangement of Qingshan Road Station

2 计算模型与参数

由于本基坑形状不规则，支撑设置不规则，且分成两个阶段进行施工，故该基坑群受力条件复杂，施工过程结构受力不明确。为了解采用该施工方案引起的基坑围护结构的受力变形及其对周边环境的影响，本文采用数值方法模拟整个基坑群的开挖过程。由于项目施工时处于枯水期，数值模拟中暂不考虑地下水的影响。

数值模型包括基坑支护结构和坑内外土体两部分，为减小边界条件对基坑变形的影响，本次计算边界取为坑深的5 倍，开挖深度27m，考虑到开挖对周围土体的扰动，三维模型取为333m×300m×90m。模型的边界条件方面，上边界设为自由边界，底部各向全约束，各侧边限制法向位移。图4 所示为土体计算模型和结构单元计算模型示意，其中，土体采用实体（zone）单元模拟，地下连续墙采用liner 单元模拟，钢筋混凝土支撑和钢支撑采用空间梁（beam）单元模拟，立柱桩和工程桩采用桩（pile）单元模拟。

图4 土体和结构单元计算模型示意Fig.4 Calculation model of soil and structural

土体单元采用摩尔-库仑本构进行模拟，根据地勘报告中的土层分布情况以及一些土体物理力学性质试验，可以得到土体物理力学参数。其中，杨氏模量E取钻孔岩土波速试验中动杨氏模量的一半；泊松比ν采用当地相关经验数据，取砂土约0.3，黏土约0.495；砂土的内摩擦角φ按照式（1）计算得到；黏土的黏聚力取不排水抗剪强度Cu。将土体模拟用到的参数按照上述标准进行整理，得到各层土层的土体参数，如表2所示。

表2 土体参数Tab.2 Parameter of soil

式中：N为经杆长修正后的标贯击数。

结构单元采用线弹性本构模型进行模拟，弹性模量取30GPa，泊松比取0.2。

土体单元与结构单元之间的接触通过弹簧实现，接触参数包括弹簧的法向和切向刚度，墙土摩擦角和黏聚力。其中，弹簧的法向和切向刚度通过式（2）求得。墙土摩擦角取土体内摩擦角的2／3，黏聚力取土体黏聚力的0.8 倍。

式中：kn和ks分别为弹簧的法向和切向刚度；K和G分别为土体的体积模量和剪切模量；Δzmin为接触面相邻区域法向上的最小宽度。

3 数值参数反分析

由于本工程分期开挖，模拟过程中需要考虑先开挖基坑的施工对周围土体地应力分布的影响，故数值模拟仍按照一二期基坑的施工顺序进行。先对已完成施工的一期基坑进行模拟，并根据模拟所得结果与实测值进行对比，以此反分析数值模拟参数，确定取值的准确性。一期基坑（区域Ⅰ和Ⅴ）模拟工况见表3。

表3 第一期基坑开挖步骤Tab.3 Excavation steps of the first-stage foundation pit

根据一期基坑数值模拟结果可得坑外地表沉降和墙体测斜分布，图5 为基坑端头井地连墙上点DB0 处墙后地表沉降计算值与实测值的对比；图6 为基坑地连墙测斜点CX0 处水平位移计算值与实测值之间的对比。从中可以看到，实测值和模拟值吻合较好。因此可以认为本文的参数取值能够较为精确地模拟该区域基坑的变形规律，故以此对二期基坑在施工过程中的变形特性进行分析。

图5 DB0 处坑外地表沉降计算值与实测值Fig.5 Calculated and measured values of surface settlement of DB0 outside the pit

图6 CX0 处墙体水平位移计算值与实测值Fig.6 Calculated and measured values of wall horizontal displacement of CX0

4 二期基坑数值模拟

4.1 施工工况模拟

一期基坑开挖模拟完成后，需先将模型的变形和位移清零，继而进行二期基坑（区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）的施工模拟，其开挖步骤见表4。

表4 二期基坑开挖步骤Tab.4 Excavation steps of the second-stage foundation pit

4.2 二期基坑变形特性预测

为了更好地了解二期基坑施工时的变形特性及其对环境的影响，数值模拟重点关注基坑及其周边土体变形、支撑围护变形和支撑轴力的分布，图7 为本文分析的几个关键位置分布。

图7 变形特性分析的几个关键位置分布Fig.7 Distribution of several key locations for deformation characteristics analysis

1.基坑及其周边土体变形特性

图8 为第二期基坑开挖不同阶段土体的竖向位移云图。对比图中的土体竖向位移可以看出，在基坑开挖前期（基坑第一层开挖），坑内隆起分布较为均匀，最大隆起约2.7mm，坑外沉降几乎为零，甚至出现部分隆起；在基坑开挖中期（基坑第三层开挖），坑内中间部分隆起继续增大，最大隆起达到11mm，坑外局部出现沉降，约1mm左右；在基坑开挖结束时（基坑第五层开挖），坑内隆起急剧增加，分布均匀，平均隆起约10mm，最大隆起达到13mm，坑外沉降范围扩大，最大沉降约为25.6mm 左右。基坑外地表最大沉降量约为开挖深度的0.1%。

图8 基坑开挖竖向位移分布（单位： m）Fig.8 Vertical displacement distribution of foundation pit excavation（unit：m）

整理基坑开挖不同阶段时的坑外地表沉降数据，绘制出了墙体2、墙体3 周围的测线A、B的坑外地表沉降分布，如图9 所示。从图中可以看到，在基坑前三层土开挖过程中，墙后地表几乎没有出现沉降，甚至出现了部分隆起；而当基坑开挖到第四层土之后，墙后地表开始出现沉降。其中，在墙体2 后的7m处，墙体3 后的6m处，沉降值达到最大，分别为20mm和5mm。发生最大地表沉降的点距离地墙约为0.25 倍的开挖深度。

图9 墙后测线A 和B 上坑外地表沉降分布Fig.9 Settlement of surface settlement on line A and B after wall outside the pit

总体来说，在基坑开挖完成后，基坑外地表在距离0.25 倍开挖深度的地方达到最大沉降，最大沉降量约为开挖深度的0.1%。因此，该围护结构和施工方案下基坑开挖产生的对坑外地表沉降的影响较小。

2.支撑围护变形特性

整理基坑开挖不同阶段时的地连墙CX1 ～CX4产生的水平位移数据，得到基坑不同开挖工况下基坑四个测斜点处墙体水平位移沿深度分布，如图10所示。从图10中可以看出，随着基坑开挖的进行，墙体水平变形逐渐增大；墙体变形呈凸鼓型，最大水平位移出现在细砂土层范围内，其主要原因是细砂土层以下土体的强度和刚度较大。

图10 不同工况下墙体测斜分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of wall under different working conditions

从图10 中还可以看出，开挖结束后墙顶的水平位移较大，其主要原因是支撑的不规则布置使得支撑的刚度较低，随着开挖的进行，开挖面以上部分的墙体出现了较大的平动位移。统计结果如表5 所示，从表中可以看出，开挖结束后，墙体最大变形为27.8mm，为开挖深度的0.1%。

表5 墙体水平位移统计Tab.5 Statistical table of horizontal displacement of wall

综上，在前三个基坑开挖阶段，墙体水平变形很小；当基坑开挖进行第四、第五阶段时，墙体水平变形开始增大，其最大水平位移出现在CX2 点处，其最大值为27.8mm，约为开挖深度的0.1%。因此，在二期基坑开挖结束后，基坑开挖产生的地墙水平位移相对较小。

3.支撑轴力

图11 显示了二期基坑开挖结束时四层支撑内部的轴力分布。从图中可以看出第一、二和第三道支撑在基坑开挖最后一个阶段完成后均存在拉应力和压应力，而第四道支撑则全部受压；同时，第二道和第三道支撑相比其他道支撑而言，其拉压应力要大一些。

图11 基坑开挖结束支撑内部轴力分布（单位： N）Fig.11 The axial force distribution of support after foundation pit excavation（unit：N）

整理基坑开挖不同阶段时各道支撑的轴力数据，进行基坑开挖不同阶段各道支撑轴力的最大值和最小值的统计，整体结果如表6 所示。从表中可以发现，第一道支撑在开挖最后一个阶段时所受压力与拉力达到最大值，最大拉力为0.58MN，最大压力为4.45MN；第二道支撑也在开挖最后一个阶段时所受压力与拉力达到最大值，最大拉力为3.31MN，最大压力为9.7MN；而第三道支撑在开挖最后一个阶段拉力达到最大值，为13MN，在开挖第四层土时压力达到最大值，为6.51MN；第四道支撑全部受压，最大压力为4.73MN。从各道支撑轴力的最大和最小值统计结果中可以看出，采用本施工方案会引起较大的支撑拉应力。