狭隘场地深基坑工程施工过程围护结构变形分析

朱正东， 李涛涛

(安徽建筑大学 土木工程学院， 安徽 合肥 230601)

现代城市的快速发展使城市用地越来越紧张，在这种情况下对地下空间的探索与开发成为解决这一问题的重要方式[1]。基坑工程是一项综合性难题[2]，早些年我国基坑支护技术落后，多数项目采用放坡支护或其他简单支护形式[3]。如今的深基坑工程施工条件更加复杂，施工与监测紧密配合成为保证基坑工程质量的重要手段[4]。本文以某狭隘场地项目深基坑工程为背景，利用数值模拟软件分析该工程基坑开挖过程中围护结构变形的变化规律[5]，对该工程开挖过程进行实时监测。对比分析模拟和监测数据，为同类型深基坑工程的支护方案设计与现场施工提出指导意见[6]。

1 项目介绍

1.1 工程概况

某狭隘场地项目建设用地面积约5 009 m2，建筑功能为酒店及其相关配套设施。主楼地上19层，地下3层，建筑高度74.4 m；裙楼地上4层，地下3层，建筑高度20.4 m，基坑开挖深度为12.5 m。

本工程场地平整，基坑东侧紧邻市政主干道石台路，南侧紧邻市政次干道月明路，2条市政干道相邻规划建筑物侧下均埋设有城市各类管网和通讯光缆，北侧为居民活动用地，西北侧紧邻一栋居民楼建筑，西南侧与一栋8层酒店建筑相邻，相隔一道沉降缝，裙房与酒店建筑相通。施工场地十分狭窄，周边环境相当复杂，对变形控制要求较高。

1.2 工程地质条件

本工程勘探深度范围内各岩土层分布情况如下：

(1)素填土层：色杂，稍湿～湿状态，稍密～中密状态，层厚0.80～3.50 m，层底埋深0.80～3.50 m。

(2)黏土层Ⅰ：黄褐色，可塑～硬塑状态，断面光滑有光泽，干强度和韧性高，含大量高岭土团块。层厚0.80～4.00 m，层底埋深3.50～5.70 m。

(3)黏土层Ⅱ：褐黄色，硬塑～坚硬状态，含大量铁锰结核及高岭土，断面光滑有光泽，干强度和韧性高。层厚15.20～17.30 m，层底埋深19.60～21.50 m。

(4)强风化泥质砂岩层：棕红色，已风化成土状，泥质胶结结构，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层厚4.50～6.70 m，层底埋深24.60～27.50 m。

(5)中风化砂质泥岩层：棕红色，泥质胶结结构，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。发育近垂直向的一组节理，节理面浸染铁氧化物，层面倾角约15°。层厚20.50～36.70 m，层底埋深51.60～57.50 m。

1.3 深基坑工程支护方案概述

工程选用的深基坑支护方案为排桩+内支撑支护。排桩桩径0.9 m，桩长21.5 m，嵌固深度9 m，桩间距1.8 m，设置2道内支撑，第一道内支撑位于基坑深度-2.5 m位置处，第二道内支撑位于基坑深度-6.9 m处。冠梁及圈梁尺寸均为0.9 m × 1.0 m。支护结构信息如表1所示，支护结构剖面图如图1所示，支护结构平面布置图如图2所示。

表1 支护结构信息表

图1 支护结构剖面图

图2 支护结构平面图

2 施工过程有限元模拟分析

2.1 模型建立

2.1.1 基本假定与本构模型选取

在建模前做如下假设：

(1)所用材料均质、连续且各向同性。

(2)由于混凝土和钢材在力的作用下主要发生弹性变形，因此选用弹性模型[7]。

(3)工程现场各层土体稍有起伏，为建模方便，假设各层土体呈水平分布。

(4)忽略开挖过程中引起的土体、材料参数变化。

模拟现场根据土质情况结合支护结构特性，土体本构模型选取修正莫尔-库伦模型。

2.1.2 材料参数

将排桩等效为地下连续墙，主要结构材料参数如表2所示。

表2 主要结构材料参数表

2.1.3 模型尺寸

本工程基坑模型南北方向最长处约110 m，东西方向最宽处约44 m，开挖深度为12.5 m，围护桩嵌固深度为9 m。周边建筑物一栋为酒店建筑(桩基础)，模型长度为66 m，宽度为28 m，高度为20 m。另一栋为居民楼建筑(条形基础)，模型长度为60 m，宽度为14 m，高度为18 m。考虑到边界效应以及邻近建筑物对计算结果的影响，本工程整个模型尺寸取330 m × 240 m × 55 m。有限元整体模型如图3所示。

图3 有限元整体模型

2.1.4 工况定义

本次模拟共划分8个施工阶段，均为应力阶段。具体划分如下：

施工阶段一：初始应力平衡阶段。

施工阶段二：建筑物施作阶段。

施工阶段三：施工围护桩、冠梁及支撑立柱。

施工阶段四：开挖第一层土体，开挖土体至-2.5 m处。

施工阶段五：施工第一道内支撑与冠梁。

施工阶段六：开挖第二层土体，开挖土体至-6.9 m处。

施工阶段七：施工第二道内支撑与冠梁。

施工阶段八：开挖第三层土体，开挖土体至-12.5 m处。

将施工阶段四～施工阶段八设定为工况1～工况5。

2.2 围护结构深层水平位移数值模拟分析

下文将排桩、地下连续墙结构统称为围护结构。由于基坑东侧为市政主干道石台路，车流量大，且出土口位于该侧，这里选取基坑东侧长边中点处围护结构深层水平位移模拟结果进行分析。工况1～工况5围护结构X方向深层水平位移云图如图4～图8所示，基坑东侧长边中点处围护结构深层水平位移模拟结果如图9所示。

图4 工况1围护结构X方向深层水平位移云图 图5 工况2围护结构X方向深层水平位移云图

图6 工况3围护结构X方向深层水平位移云图 图7 工况4围护结构X方向深层水平位移云图

图8 工况5围护结构X方向深层水平位移云图 图9 工况1～工况5围护结构深层水平位移模拟结果

由图9可以得出，工况1中，基坑开挖至-2.5 m处，此时开挖深度较浅，基坑内外土体压力差较小，围护结构位移较小，最大位移出现在围护结构顶部，为1.54 mm。工况2中，施工第一道内支撑，无土体开挖，围护结构变形曲线与工况1中变形曲线相近，最大位移为1.59 mm，相比上阶段位移仅增加0.05 mm，说明内支撑的施加对围护结构变形影响较小。工况3中，开挖土体至-4.9 m处，此时围护结构最大位移为3.32 mm，相比较上阶段，最大位移增加1.73 mm，最大位移位于基坑深度约-4m位置，从围护结构顶部至底部整体位移变化趋势为“先增大，后减小”，这是由于基坑-2.5 m处有第一道内支撑且围护结构整体嵌固深度较大，第一道内支撑限制了围护结构上部的变形，围护结构嵌固部分限制了其下部变形。工况4中，施工第二道内支撑，同样无土体开挖，围护结构变形趋势与工况3变形趋势相近，最大位移为3.40 mm，相比上阶段位移增加0.08 mm。工况5中，开挖土体至-12.5 m处，围护结构最大位移为7.02 mm，位于基坑深度-8.5 m处，从围护结构顶部至底部整体变化趋势为“先增大，后减小”。此阶段最大位移较上阶段增加3.62 mm，变化较大，这是由于本阶段开挖深度较深，达5.6 m，尽管基坑深度-6.9 m处布置了第二道内支撑，但支撑的影响作用有限，最终在基坑深度约-8 m处产生了最大位移。

综合来看，随着基坑开挖的进行，围护结构变形逐渐增大[8-10]。开挖深度较浅时，围护结构顶部变形最大，开挖深度逐渐增加时，最大位移位置逐渐下移，最终稳定在开挖深度的2/3处，围护结构变形从顶部至底部呈“先增大，后减小”的趋势。

3 施围护结构深层水平位移监测分析

由于基坑东侧为市政主干道石台路，车流量大，且出土口也位于该侧，这里选取基坑东侧长边中点处监测点在基坑开挖过程中监测数据进行分析。基坑开挖阶段处围护结构深层水平位移监测结果如图10所示。

图10 围护结构深层水平位移监测结果

由图10可以得出，基坑开挖至-2.5m时围护结构最大位移为1.25 mm，距离顶部约3 m，此时围护结构变形较小。第一道内支撑施工完成时，围护结构深层水平位移变化规律与上阶段较为接近，最大位移由1.25 mm增长至1.49 mm，增长了0.24 mm。基坑开挖至-6.9 m处时，围护结构最大位移位置距离围护结构顶部约6 m，最大位移为3.58 mm，相比上阶段增加了2.09 mm。第一道内支撑施工完成时，围护结构水平最大位移为4.28 mm，相比上阶段增长了0.70 mm。基坑开挖至-12.5 m处时，围护结构最大位移为6.95 mm，较上阶段增加2.67 mm，最大位移位置距离围护结构顶部约10 m，相比上阶段仍继续下移，接近于开挖深度的2/3处。此时围护结构向基坑内“凹”的趋势更加明显，从围护结构顶部至底部的变形趋势为“先增大，后减小”。

分析得知，在内支撑施工过程中，围护结构变形不明显，在土方开挖过程中，围护结构变形增长迅速，这是由于土方开挖过程中，坑内外土体压力差迅速增大，使得围护结构承受侧向土压力增长迅速，围护结构整体位移增长明显。综合来看，应当对土方开挖工况重点监测，各层土体开挖完成后，迅速进行内支撑的架设。

4 模拟结果与监测结果对比分析

将基坑东侧长边中点处的围护结构深层水平位移模拟结果与监测结果进行对比，对比结果如图11所示。从图11可以看出，围护结构深层水平位移模拟结果相对于监测结果变化曲线更为平缓，变化趋势基本吻合。随着基坑开挖，围护结构水平位移逐渐增加，变形趋势为从围护结构顶部到底部“先增大，后减小”。基坑开挖至-12.5 m时，围护结构水平位移模拟值达到最大，为6.95 mm，监测值也达到了最大，为6.80 mm，最大模拟值与最大监测值分别出现在距离围护结构顶部8 m和10 m处，均位于基坑开挖深度的约2/3处。

研究发现，围护结构水平位移监测值总体略大于模拟值。因为在有限元模拟过程中做了一些简化，如：假定土层呈水平均匀分布状态、土层参数随基坑开挖不发生变化等，再加上工程现场条件复杂，天气情况、仪器精准度等都影响着监测结果。尽管存在偏差，但两者变化趋势较为吻合，模拟结果较为合理。

图11 围护结构深层水平位移模拟结果与监测结果对比

5 结 语

以某狭隘场地深基坑工程为背景，利用Midas/GTS软件模拟基坑工程开挖过程，研究基坑工程开挖过程中围护结构变形的变化规律，分析模拟结果与监测结果的差异性。结论如下：

(1)基坑工程开挖过程中，围护结构水平位移不断增大，从顶部至底部变形呈“先增大，后减小”的趋势，最大变形位置逐渐稳定在开挖深度的2/3处。开挖至坑底时，围护结果水平位移最大模拟值与监测值均未超过监测报警值。

(2)针对基坑开挖工况下围护结构水平位移的较大增长，在土方开挖过程中，应对围护结构水平位移重点监测，当开挖至设计标高后迅速施工内支撑，同时应尽量对称开挖，避免先开挖侧产生较大位移影响围护结构安全。

(3)基本能够反映现场实测围护结构变形的变化趋势，基坑工程开挖过程模拟具有可行性，模拟结果较为可靠。