深基坑工程支护结构变形的时空效应

刘洪羽，张宜佳，丁克胜

(1. 天津城投建设有限公司，天津 300143；2. 天津城市建设学院，天津 300384)

深基坑工程支护结构变形的时空效应

刘洪羽1，张宜佳2，丁克胜2

(1. 天津城投建设有限公司，天津 300143；2. 天津城市建设学院，天津 300384)

深基坑工程中支护结构的变形规律具有一定的时空效应．以天津站交通枢纽工程的深基坑工程作为研究背景，在对现场实测数据分析的基础上，建立了墙段开挖模型，以不同的开挖顺序和不同的开挖单元划分方式对基坑开挖进行数值模拟分析．研究表明：地下连续墙墙体变形的大小不仅取决于基坑开挖的顺序，也与开挖单元的划分有关，在开挖顺序相同的情况下，开挖单元越多，墙体变形越小．

深基坑工程；支护结构；开挖方式；数值模拟；时空效应

对于软土地基中的深基坑工程，基坑的稳定和周边环境的保护成为现代基坑工程设计和施工的关键问题．影响该问题的因素包括：开挖起始位置和顺序、支护结构形式、水平支撑刚度、土层性质等，其中开挖起始位置和顺序为施工过程中影响支护结构变形的主要因素．从国内外软土地区深基坑的施工实践和试验研究成果认识到[1]：在深基坑开挖及支撑过程中，每个分步开挖单元的几何尺寸和单元的开挖顺序，与周围墙体和土体位移有一定的相关性，这也反映了基坑开挖具有时空效应．

本文基于天津站交通枢纽工程，对基坑开挖过程中竖向支护结构的变形进行了现场实测，并进行施工过程的数值模拟分析，以期找出合理的基坑开挖施工方法，为软土地区深基坑工程的设计和施工提供参考．

1 工程概况

天津站交通枢纽工程地处天津市区海河沿线冲积平原，地形平坦，地面高程 1.72～3.81,m．根据勘察报告，该地区土层主要为杂填土、粉土、粉质黏土、黏土，土质较差．基坑开挖深度为 25,m．在支护结构中，采用 1.2,m厚地下连续墙作为挡土、挡水结构，内做 0.8,m 衬墙；利用结构楼板作为水平支撑结构，共设三道楼板支撑，各层楼板受力点标高分别为+0.3，-6.7，-13.3,m(地坪标高+2.6,m)．基坑开挖面积较大，周边为道路及房屋设施．为了控制变形，基坑工程采用盖挖逆作法施工．

2 地下连续墙变形的监测

该工程地下连续墙变形监测等级为一级，采用预埋测斜管的方法．观测孔沿基坑周边布置，按照监测点水平间距不宜小于 20,m、每边监测点数目不宜小于 3个的原则布置，并在受力、变形较大且有代表性的部位增加密度，共设 39个观测孔．每个测斜管从墙顶向下按0.5,m的间距读数．本文选择具有代表性的部分基坑墙体作为研究对象，针对地下连续墙变形的时空效应进行研究，所选部分基坑形状及测点布置如图1所示．

图1 基坑部分形状及测点布置

该处基坑长度为120,m，宽约40,m，研究墙段AB长度 90,,m，其上共有三个测孔，分别为 CX01、CX02、CX03．基坑开挖采用从右向左依次施工，对三个测孔处墙体的最终变形进行整理分析，墙体测斜曲线如图2(向坑内变形为正)所示．

图2 各测孔墙体变形曲线

由图2可以看出：三个测孔处墙体的变形规律大体相同，都为中间变形大，而上下两端变形较小；对三个测孔处墙体的最大位移进行比较，CX01最大变形为15.72,mm，CX02为16.96,mm，但两者差距不大；CX03最大变形为 8.75,mm，远小于前两个测孔．这是因为前两个测点处于墙段的中间位置， 而 CX03测点处于该段墙体的边角处，该处两段墙体相互支撑，形成了空间结构，互相抑制变形的发展，有效地控制了支护结构的变形；同时比较 CX01、CX02两个测孔的监测结果发现，测孔 CX01处墙体变形略小于测孔CX02处墙体，这是由于基坑采用分段开挖的方式，CX02处墙体开挖暴露较早，而 CX01处墙体挖出较晚．这说明基坑施工分段的形式和开挖的顺序对墙体的变形也有一定的影响．该基坑的空间效应明显．

3 基坑分段开挖的数值模拟

在基坑开挖中，土方开挖的起点处往往墙体的变形比较大；同时挖土的区域越大，墙体被动区卸荷越快越多，其水平变形越大．为了更有利地说明施工分段方式和开挖顺序这两个因素对竖向支护结构(该工程为地下连续墙)变形的影响，现采用Abaqus程序进行数值模拟计算，并进行简要分析．

3.1 模型的建立

深基坑本身是一个具有长、宽和深尺寸的三维空间结构，因而其支护系统的设计是一个复杂的三维空间受力问题．基坑的形状越复杂，则其时空效应越显著．深基坑地下连续墙支护结构是由不同长度的墙段围成．对基坑的实测资料分析表明，地下连续墙每段墙体中央范围的变形值均大于两侧范围[2]．利用这一特征，在横向长度为90,m的墙段范围内，选取1,m宽的墙条作为研究对象建立模型(如图 3)，并假设墙条两侧位移为0，其约束条件为两端固结．

图3 数值模拟示意图

如图3所示，地下连续墙墙条长90,m，高1,m，墙厚1.2,m，开挖后做0.8,m厚内衬墙，边界条件为两端固支．基坑开挖是一个卸荷的过程，为了模拟这一现象，首先定义模型初始条件为：地下连续墙的迎土面受均布荷载 150,kPa(该值为实测最大土压力)，墙条两侧受剪力作用．根据一定的开挖顺序，对划分开挖单元进行迎土面卸荷，并施作衬墙．

3.2 数值模拟分析

根据工程实际施工情况，将墙条沿长度方向分别划分为3个开挖单元和5个开挖单元，单元尺寸分别为30,m和18,m．在模拟开挖过程中，每步开挖卸荷，则取消一个单元迎土面的荷载．模拟计算结果如图4(设地下连续墙左端为坐标原点，x方向向右为正，y方向向下为正)所示．

图4 不同开挖顺序以及不同单元划分下墙条的变形曲线

由于同一墙段在不同深度的变形均是两端小中间大，土方开挖施工段的划分方式和开挖顺序对墙体不同深度的影响程度不同，但沿墙段长度的分布规律相同．现就不同开挖顺序对墙段水平位移的影响采用一定深度的墙段墙条进行分析．

3.2.1 由一侧向另一侧开挖顺序

图 4a为模拟实际工况，按照由一侧向另一侧的开挖顺序对墙条进行卸荷．由墙条的变形情况可以看出：地下连续墙在基坑开挖过程中，墙体变形值中间较大，并由中间向两端逐渐减小；按照划分 3个单元开挖时，墙体变形最大值为 33.2,mm，产生在坐标47.6处；按划分 5个单元开挖时，墙体变形最大值为28.59,mm，产生在坐标48.4处．按5单元划分开挖墙体变形值较小，这说明按照该顺序开挖的基坑，单元划分尺寸越小，墙体水平位移越小．两者墙体最大变形远小于一步开挖下墙体变形的最大值 88.92,mm，这说明分部开挖能够有效地减小墙体的变形．

由数值模拟与实测结果的比较发现：模拟墙段变形值大于实测结果，这是因为实际工程中，以两墙段交点作为基坑开挖起始点；在同一墙段长度内，基坑开挖卸荷过程是分层、分部开挖的；在单元开挖时，采用盆式开挖的方式，先挖基坑中部土体，在墙边预留被动土，这些做法能够很好地抑制墙体的变形．数值模拟只是简单的一步卸荷，墙体暴露较早，变形较大．

在两种划分单元情况下开挖，墙体的最大变形都产生在墙条中心靠右的位置，这与单元的开挖顺序有关系，两侧对称单元比较，先开挖的单元变形相对较大，这一规律与实测结果相似．另外，现场实测结果受监测环境的影响较大，施工过程产生的机械动荷、坑外附加荷载、降水等因素都会对监测结果产生影响，所以数值模拟结果的曲线较平滑，而实测结果曲线较为曲折．

3.2.2 由两端向中间开挖顺序

基坑采用由两边向中间顺序进行开挖，墙体变形情况如图 4b所示．基坑分别在两种划分单元的方式下开挖，墙体变形不同：按划分3个单元开挖时，墙体变形最大值为27.41,mm；按划分5个单元开挖时，墙体变形最大值为 20.28,mm；在这两种单元划分方式下，开挖的最大变形都产生在45.0坐标处．可见在此开挖顺序下，单元划分尺寸越小，地下连续墙的水平位移值越小．与第一种开挖顺序比较发现，按照“由两端向中间顺序”开挖，墙体变形小于“由一侧向另一侧开挖顺序”，其中按划分3个单元墙体变形减小了17%，按划分5个单元墙体变形减小了29%．这说明开挖顺序的不同会影响墙体变形，并且墙体单元划分越细，单元尺寸越小，这种影响因素越明显．

3.2.3 由中间向两端开挖顺序

基坑采用中间向两端顺序进行开挖，墙体变形情况如图 4c所示．基坑分别采用两种单元划分的方式开挖，最大变形都产生在 45.0坐标处，其中按划分 3个单元开挖时，墙体变形最大值为 42.59,mm；按划分5个单元开挖时，墙体变形最大值为 42.50,mm，可见该开挖顺序下单元划分对基坑变形的影响很小．与前两种开挖顺序比较发现，基坑采用该顺序开挖，墙体变形最大，说明这种开挖方式对基坑变形的影响最大、最为危险，在施工中应该注意．

三种开挖顺序综合比较后发现，地下连续墙墙体变形的大小不仅取决于开挖的顺序，也与单元的划分有关．在墙段长度和开挖顺序一定的情况下，开挖划分单元尺寸越小，单元越细，墙体变形越小．

4 结论与建议

本文以天津站交通枢纽工程的基坑工程为背景，通过数值模拟和实际工程的应用对比分析，得出几点结论：①在基坑开挖过程中，竖向支护结构(挡土结构)的变形形式为——沿墙长和墙深两个方向都具有中部变形较大，而两侧变形较小的特征，同一墙段的变形呈双向弓弧形曲面；②基坑按照一定尺寸划分单元进行开挖，能够有效地抑制墙体的最大变形．在墙段长度和开挖顺序一定的情况下，单元划分越细、尺寸越小，墙体变形越小；③基坑按照不同的开挖顺序进行施工，墙体的变形不同．在划分单元数量一定的基础上，从中间单元向两端开挖，墙体变形最大；从两端向中间单元开挖，墙体变形最小．

根据基坑工程中竖向支护结构(挡土结构)变形的特征，在基坑的设计和施工中应当对支护结构变形加以严格的控制，并采取相应的措施尽量减小最大变形．在设计方面：①尽量减小墙段的横向跨度；②尽量利用支护结构的空间效应，增加竖向支护结构的拐点，通过在横向跨度较大的墙体上设计多节点、墙体向坑外起拱、墙体背土面设计衬墙等措施来控制变形．在施工方面，深基坑工程的施工方法、开挖起始位置和顺序不同对支护结构的变形影响不同．在基坑开挖的过程中，可采取以下措施：①基坑整体采用盆式开挖方式，开挖起始位置应选择在两墙段的交接处，在开挖接近竖向支护结构部位按 1∶1的比例留设被动土，加作临时支撑；②尽量采用分段开挖的方式，开挖顺序应尽量按从墙段的两端向中间的顺序．土方开挖后及时对墙体进行加固；③ 开挖前加固一定宽度的被动区土体等．

综上所述，由于基坑支护结构变形具有时空效应，建议在施工过程中尽量选择基坑的边角或竖向支护结构的拐点处作为开挖的起始位置，竖向支护结构的横向跨度的中间位置应尽量放在最后开挖；应尽量采用从竖向支护结构的两侧向中间开挖的方式；若从中间位置开挖，必须在中间土方开挖完毕，马上采取控制变形的措施才能进行两侧土方的开挖．

［1］杨 波，冯小波. 深基坑支护结构空间效应的三维有限元分析[J]. 岩土工程技术，1999(1)：27-33.

［2］凌 宏，罗小文. 复杂软土深基坑围护结构水平位移的时空效应分析[J]. 建筑科学，2007，23(5)：45-48.

［3］孙志华，邓义龙，田红梅，等. 超长深基坑土方开挖方法[J]. 城市勘测，2008(6)：152-156.

［4］尹建峰，杨德健，韩 燕. 浅析软土深基坑支护中支护体的受力问题及影响因素[J]. 天津城市建设学院学报，2005，11(2)：86-89.

［5］刘兴旺，施祖元，益德清，等. 软土地区基坑开挖变形性状研究[J]. 岩土工程学报，1999，21(4)：456-460.

［6］刘建航，侯学渊. 基坑工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.

Time-space Effect of Supporting Structure Deformation in Projects of Deep Foundation Pits

LIU Hong-yu1，ZHANG Yi-jia2，DING Ke-sheng2
(1. Tianjin City Investment Construction Co.，Ltd.，Tianjin 300143，China；2. Tianjin Institute of Urban Construction,Tianjin 300384，China)

The deformation of the supporting structure in projects of deep foundation pits has a certain space-time effect. Against the research background of the deep foundation pit project in the transport hub project of Tianjin railway station, this paper establishes the wall excavation segment model on the basis of the field measured data, and then carries out a numerical value simulation analysis in different excavation sequences and by different excavation unit modes. The research results show that the deformation of diaphragm wall is not only dependent on the order of excavation, but also connected with the division of the excavation unit mode. In the same excavation sequence, the more the excavation units are, the smaller wall deformations will be.

project of deep foundation pits；supporting structure；excavation method；numerical value simulation；space-time effects

TU473.2

A

1006-6853(2010)02-0091-04

2010-01-18；

2010-03-11

天津市科技创新专项基金(07FDZDSF01200)

刘洪羽（1979—），男，天津人，天津城投建设有限公司工程师.