不同深度TRD墙对基坑的影响分析

许宇浩，曹广勇，高 明，毛 蕾，胡 聪

(安徽建筑大学 a.土木工程学院；b.建筑结构与地下工程安徽省重点实验室；c.艺术学院，安徽 合肥 230601)

TRD作为一种新型支护与防渗止水的初支围护结构，通过将配制好的水泥浆液与原工程地质土体进行混合凝结成水泥土结构，保证工程结构强度和抗渗性要求前提下，能够大程度地节省工期和成本。目前，研究TRD工法是一种趋势和新的方向，也取得了许多研究成果。于新雄等[1]以一个深而大的基坑项目为例，分析了其施工过程中变形的一些发展特征。曹世勇等[2]采用MIDAS/GTS软件模拟贵阳某医院基坑的开挖过程,通过对冠梁、腰梁和锚的常见水平X和Y位移的研究，很好地表达了协同效应。张迟[3]以淮安东站深基坑工程为例，总结了施工实践中的变形位移规律，深入分析比较了不同区域开挖顺序下挡土墙结构的位移规律。王卫东等[4-5]阐述了TRD工法搅拌墙支护结构的各类变形特性、关键作业技术,也将其工法运用到基坑围护结构和止水帷幕的实践中去。

本文以淮安东站深基坑项目为研究背景，运用Midas有限元软件模拟分析围护结构在6种不同埋深清况下对水平位移的影响；通过数值模拟结果得出围护结构的理想埋深，根据现场监测数据进行验证，形成TRD工法搅拌墙施工方案。可为类似施工工况提供理论依据。

1 模型建立

本文有限元模型分别进行止水帷幕地连墙与TRD工法墙混合结构插入地下深度20、30、40、50、60、70 m的分析，土体的混合均匀，根据运行结果进行互相比较。模型以淮安东站深基坑项目为背景，项目广场基坑主体围护结构是由东边、北边地连墙和西边、南边TRD工法搅拌墙构成，围护结构地连墙总墙体长度尺寸为262 m×232 m(东侧×北侧)，单块墙体6 m，深度为49.2 m，采用H型钢接头+高压旋喷方式作为接头连接方式；围护结构TRD工法搅拌墙总墙体长度尺寸为232 m×258 m(西侧×南侧)，深度为50 m，采用282根钻孔灌注桩的围护桩支护在TRD工法搅拌墙旁边。

1.1 基本假定

基于淮安东站深基坑项目超大深基坑开挖的实际情况下，建立最大限度靠近实际现场的三维数值模拟模型，为了突出重点，更全面地研究不同深度TRD工法搅拌墙整体稳定性、搅拌墙周围地表沉降分析，进行以下合理的简化和假定：

1)主要考虑基坑开挖时对受到影响的土层进行分析，模型建立6种均匀分布且各项同性的弹塑性土层；

2)将修正莫尔-库伦本构模型作为模拟的本构模型，且不计各土层弹性模量变化；

3)不计模型开挖过程中导致部分参数变化的因素，支护结构之间的变动固定不变，应力应变不随时间变动。

1.2 参数确定

整个三维建模参照基坑工程设计图并进行了适当简化，模型尺寸确定为：站台前广场整个基坑及其周围土体，竖直方向向上取到地面作为上边界，坐标系以水平、前后、竖直方向为X轴、Y轴、Z轴。基坑三维模型如图1所示，整个模型尺寸长度450 m、宽度450 m、深度80 m，采用自动划分混合网格，模型开挖的长度、宽度为230、230 m，站前广场富水地层超大深基坑实际开挖深度15.9 m，模型开挖深度设置为16 m，6层地层物理力学计算参数如表1所示。

图1 基坑三维模型

表1 地层物理力学参数

2 数值模拟及理论分析

2.1 围护结构深度对基坑稳定性的影响

考虑到基坑施工过程中的安全因素，基坑支护结构整体稳定性，可以取支护结构的水平位移来研究，研究不同深度TRD工法墙对整个基坑支护结构稳定的影响规律，为相关实际工程提供借鉴。

深度为50 m水平位移云图2所示，可以看出：基坑整个支护结构每一面墙的水平位移最大值均发生在中间位置，且在开挖深度1/3～1/2之间，越靠近两面墙体相互交叉处，其位移就越小。通过对模拟计算结果提取，灰色箭头以及灰色竖线提取TRD工法墙的水平位移值，得到TRD工法墙不同深度下水平位移关系和不同深度下的水平位移最大值关系。

图2 深度为50 m水平位移云图

由TRD工法墙不同深度下水平位移关系如图3所示，可以看出：支护结构TRD工法墙水平位移整体是在中间深度最大，基坑顶部和支护结构处位移最小。6种不同埋深对水平位移的影响基本都是在达到位移最大值之前的增速很快，达到顶值之后，位移开始下降，并且下降的速度相比较上升段速度缓慢，位移最大值基本位于开挖深度的1/3～1/2之间。TRD工法墙深度20 m和深度30 m的位移最大值在距离基坑顶部的3 m处，TRD工法墙深度40 m的位移最大值在距离基坑顶部的4 m处，TRD工法墙深度50 m的位移最大值在距离基坑顶部的5 m处，TRD工法墙深度60 m和深度70 m的位移最大值在距离基坑顶部的6 m处，所以随着插入深度的增加，位移最大值会下移。

图3 围护结构不同深度下水平位移

由不同深度下的水平位移最大值如图4所示，可以看出：TRD工法墙深度在20、30、40、50、60、70 m时的最大水平位移分别为22.8、17.4、12.0、8.4、7.1、6.5 mm。埋深20 m与埋深30 m的最大位移相差5.4 mm；埋深30 m与埋深40 m的最大位移相差5.3 mm；埋深40 m与埋深50 m的最大位移相差3.6 mm；埋深50 m与埋深60 m的最大位移相差1.3 mm；埋深60 m与埋深70 m的最大位移相差0.6 mm，可知随着深度的加大，水平位移变化逐渐缓慢，最大水平位移也逐渐减小。当TRD工法墙深度由50 m继续增加到60 m时，最大水平位移减小幅度远小于TRD工法墙深度由20 m到50 m减小的幅度。TRD工法墙深度不断继续增大时，减小的水平位移并不显著，观察计算结果得出在深度50 m时，性价比较高，对实际工程影响不大，是个合适的选择。

图4 不同深度下的水平位移最大值

2.2 围护结构深度对地表沉降的影响

图5为支护结构埋深在50 m时的地表沉降等值线，可以看出：随着距离坑边的距离增加，沉降值越来越小，且沉降最大值一般出现在5～25 m范围内。

图5 基坑外地表沉降等值线

为研究不同深度对基坑外地表沉降的影响分析，取图5中灰色箭头所指出的TRD工法墙位置取点，保证其他参数不变，计算6种工况的基坑外地表沉降，得到不同深度TRD工法墙基坑外地表沉降曲线和基坑外地表最大沉降量曲线，分别如图6～7所示。

图6 不同深度TRD工法墙基坑外地表沉降

由图6可知：不管埋深多少，整体的沉降曲线形状类似凹型，也就是沉降值随着离基坑边距离的增加，先快速增大，然后达到沉降最大值后，开始缓慢减小最终趋于稳定。在深度为20～50 m之间时，沉降最大值波动较大，土体极其不稳定，当深度在50～70 m之间时，沉降最大值波动很小，基本稳定在5～7 mm左右，当离基坑边距离超过50 m后，基坑外地表的沉降受到基坑开挖施工影响很小。

由图7可知：TRD工法墙埋深为20 m时的最大沉降值为21.2 mm，30 m时的最大沉降值为17.6 mm，40 m时的最大沉降值为15.1 mm，50 m时的最大沉降值为7.9 mm，60 m时的最大沉降值为5.9 mm，70 m时的最大沉降值为4.6 mm；当TRD支护结构由20 m增大到70 m的过程中，基坑外土体的最大沉降量整体呈现减小的趋势。当深度为20～50 m时，沉降量曲线的减小斜率很大，这段沉降量减小最明显。当深度超过50 m以后，50～60 m以及60～70 m的沉降减小曲线斜率都很平缓稳定且数值较小，土体的最大沉降量减小不明显。在实际工程中在确保安全的基础之上，为减少资源的浪费以及提高经济效益，要合理地选择围护结构的插入深度，由此处选择TRD工法墙埋深至少50 m才是较合理的。

图7 TRD墙体外地表最大沉降量

3 监测数据分析及对比

淮安东站站前广场基坑施工项目根据现场实际，在不利位置和施工开始点的重要位置布设了多类监测点。为测量广场基坑深层TRD墙体水平位移，在基坑南侧设置了编号为CX 7～CX 16的10个测点，每个测点间距35 m左右；为测量TRD墙体附近基坑地表沉降，在周围设置了编号为DB21-25、DB26-30、DB31-35的3条测线，每条测线分别有5个测点，每个测点间距8 m左右。

3.1 地表沉降监测分析

为研究分析基坑施工开挖结束后TRD工法搅拌墙附近的地表沉降的影响。选取DB21-25、DB26-30、DB31-35的3条测线数据进行分析TRD工法墙埋深在50 m、厚度在0.8 m时的地表沉降变化规律，不同位置处的累积地表沉降变化曲线如图8所示。

由图8可知：位于TRD工法搅拌墙附近不同位置处的3条测点地表沉降最大值基本在距离基坑边缘8～10 m左右，DB21-25、DB26-30和DB31-35的最大沉降值分别为8.99、8.18、8.60 mm，彼此之间相差很少，DB21-25从边缘至发生沉降值最大位置处的沉降量变化较大，原因可能是基坑边缘止水帷幕TRD工法墙与土体发生摩擦，减少了土体的下沉。

图8 不同TRD位置附近地表沉降量监测值

从基坑TRD工法搅拌墙坑外边缘开始，沉降量比较小，由近到远，土体地表沉降量开始逐渐增大，然后开始减小，最远处土层地表渐渐稳定沉降量基本不变，位于TRD不同位置处的3条测点地表沉降的变化规律大致相同，呈现一种“瓢”状。这是因为基坑开挖导致土体稳定性得到破坏，土体应力应变分布的变化使土体产生形变，TRD工法搅拌墙与基坑边缘外的土体相结合，一定程度上抵制土层的移动，造成远处的沉降值大于边缘值，虽然TRD工法墙围护周围土体稳定的强度没有地连墙好，但3条曲线图累积地表沉降变化值也都在合理安全要求内。

选择DB31-35监测数据与数值模拟进行对比，具体比对曲线关系如图9所示。

图9 地表沉降值对比

由图9可知：数值模拟沉降最大值为8.60 mm，现场实测最大值为7.92 mm，两者相差了0.68 mm，2种研究方法结果趋势大致相同，地表沉降规律均是先大幅度增加至最大值后开始逐渐递减至稳定，沉降值呈现两头小，中间大的反“凸”形状，造成此现象原因是基坑施工对土体影响范围有限。现场监测数据与数值模拟的最大值发生位置比较接近，大致在靠近基坑TRD工法墙边缘7～20 m处。

由于工程地质和施工工序的复杂、数值模拟软件无法十分准确地模拟现场施工工况，以及监测数据与基坑开挖施工也有较多误差，现场监测数据与数值模拟结果并不是很接近，但这种偏差可以接受。两者变化趋势是大致相近，这也说明有限元数值模拟软件计算结果较准确，且是有一定借鉴价值的。

3.2 TRD结构水平侧移监测分析

在基坑实际开挖过程中，基坑围护结构的抗变形和抗倾覆能力要实时关注，所以此项目基坑的TRD+围护桩支护结构水平侧移监测十分重要，本节取基坑东侧CX11、CX12和南侧中部CX13、CX14、CX15共5个监测点数据进行分析，研究基坑开挖完成后水平侧移监测数据，曲线关系如图10所示。

图10 TRD墙体水平侧移测点曲线

由图10可知：开挖结束相关支护完成后，周边土体变形已都稳定，随着TRD墙体深度的加大，水平侧移值整体趋势是先增大后减小，中间值大，两边值小；CX11-CX15的最大侧移值分别为20.8、14.1、14、12.1、18.8 mm，说明TRD墙体强度刚度都较小，围护效果略低，较其他测点数值偏大。出现这一现象的原因可能是测点在基坑栈道下方，经常出入施工车辆，承受较多荷载，导致这部分TRD墙体整体侧移较大；TRD墙体+围护桩结合结构至上而下水平侧移值大体上均产生波动，可能原因是基坑开挖后主体结构未及时施工，每种土层在空气中暴露时间有点长，侧移值会加深。因为时空效应导致的原因，所以工程基坑施工过程中必须进行监测，实时得到墙体位移，及时更正修改，确保施工安全性。

取基坑南侧中部TRD工法墙水平侧移监测点CX15为研究对象,与数值模型结果进行对比，两者的TRD水平侧移对比关系如图11所示。

图11 TRD水平侧移对比曲线

由图11可知：TRD工法墙水平位移数值模拟值与CX15现场监测值数值有较大差异，可能由于施工现场实际土层与数值模拟土层有差异，以及基坑施工条件没有完美的设置在数值模型中，并且受到天气降水等不可控因素影响所致。但是两者曲线变化趋势相近，都是从TRD墙顶水平侧移值开始逐步增大然后再减小直至稳定不变，CX15现场监测和数值模拟都出现了TRD结构水平侧移最大值，现场实测值最大值20.8 mm、数值模拟值最大值8.4 mm；数值模拟水平位移最大值发生在TRD墙体埋深5～10 m，监测实际值水平位移最大值在埋深5～10 m，实测数据略大于模拟结果。主要一部分原因在于建模过程中简化了一些基坑土层、支护结构以及附近施工工况，工程设备、施工技术等均会影响到实际工程实施结果，尽管存在些许偏差，但不是不可接受的结果，总体来说两者就变化趋势来说，用数值模拟来预测工程实际情况较理想。

4 结论

1)从基坑TRD工法搅拌墙坑外边缘开始，沉降量比较小，由近到远，土体地表沉降量开始逐渐增大，然后开始减小，最远处土层地表渐渐稳定沉降量基本不变，位于TRD不同位置处的3条测点地表沉降的变化规律大致相同，呈现一种“瓢”状。位于TRD工法搅拌墙附近不同位置处的3条测点地表沉降最大值基本在距离基坑边缘8～10 m左右，DB21-25从边缘至发生沉降值最大位置处的沉降量变化较大，总体TRD工法墙与围护桩结合的支护作用可观。

2)现场监测数据与数值模拟2种研究方法的地表变化趋势大致相同，均是先大幅度增加至最大值后开始逐渐递减至稳定。现场监测数据与数值模拟的最大值发生位置比较接近，大致在靠近基坑TRD工法墙边缘7～20 m处，可知有限元数值模拟软件计算结果较准确。

3)TRD墙体+围护桩结合结构至上而下水平侧移值大体上均产生波动，随着TRD墙体深度的加大，但水平侧移值整体趋势是先增大后减小，中间值大，两边值小。CX15水平位移值20.8 mm较大，说明TRD墙体强度刚度都较小，围护效果略低，再较其他测点数值偏大。TRD工法墙水平位移数值模拟值与CX15现场监测值数值有较大差异，但是两者曲线变化趋势相近，都是从TRD墙顶水平侧移值开始逐步增大然后再减小直至稳定不变，总体来说两者就变化趋势来说，用数值模拟来预测工程实际情况较理想。