偏压深基坑开挖排桩围护结构变形规律分析

汪东林，汪 磊，蒋晓庆

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230601；2.安徽广播电视大学 开放教育学院，安徽 合肥230022）

0 引 言

当前我国地铁建设掀起了一阵热潮，地铁深基坑工程不仅数量日益增加，难度也逐渐增大［1］。基坑在开挖的过程中，随着土体被挖出，基坑周围土体应力释放，会产生地面沉降、围护结构变形、坑底隆起等现象，过大的变形将直接影响到周围建筑及施工现场的安全［2］。紧邻既有高速公路的深基坑施工，不仅要保证高速公路的正常运行，还涉及到路基偏压和动荷载对于基坑开挖的影响［3］。

国内外对于非对称偏压基坑研究比较少［4］，石钰锋，阳军生［5］等针对列车动荷载作用的的偏压地铁基坑围护结构变形规律和内力进行了研究；陈晨［6］研究了不同偏压高度对基坑围护结构的影响。

本文以合肥地铁一号线6#风井深基坑为例。6#风井深基坑开挖深度为26.22m且存在较大的路基偏压。结合Midas数值模拟和监测数据，重点分析路基偏压作用下围护桩的变形规律，并将有路基偏压和无路基偏压作用下的情形做出了对比，分析了路基偏压对基坑开挖的影响，具有实际意义。

1 工程概况与地质环境条件

1.1 工程概况

6#风井主要为三层地下结构，局部地区为地下两层：地下三层部分基坑开挖深度为26.22m，围护桩采用Φ1200＠1500mm的钻孔灌注桩，桩深45m；地下两层结构部分基坑开挖深度为16.92m，围护结构采用Φ1000＠1200mm的钻孔灌注桩，桩深29m。合宁高速路基高于基坑开挖面5.4m。

1.2 地质环境条件

场址范围内上覆有第四系全新统冲洪积粘土；上更新统冲积层粘土；中更新统冲积层粘土，下伏基岩为第三系粉砂岩。地层情况如下表1所述：

表1 地层参数表

2 基坑支护结构

6#风井深基坑采用了钻孔灌注桩加内支撑的支护形式。竖向总共有八道支撑，第一道为混凝土支撑，第二～八道为钢支撑。混凝土支撑的尺寸为800mm×1000mm，混凝土等级为C30。钢支撑直径Φ609mm，壁厚16mm，材料为Q235钢管。本文取偏压侧围护桩中具有代表性的WX7测斜点的变形为研究对象，支撑安装位置如下所示：第一道混凝土支撑安置于－0.5m处，第一道钢支撑安置于－3.8m处，第二道钢支撑安置于－7.0m的位置，第三道钢支撑安置于－10m处，第四道钢支撑安置于－13m处，第五道钢支撑安置于－16.5m处，第六道钢支撑安置于－19.5m处，第七道钢支撑于－22.9m处。第一道混凝土支撑支撑在1200mm×1000mm的冠梁上。第二～八道为钢支撑支撑在双拼50b工字钢上。本文研究区段开挖深度为26.22m，桩长45m，采用Φ1200＠1500的钻孔灌注桩。支撑平面布置图与基坑剖面图见图1。

3 数值模拟

3.1 计算参数

本文计算模型中土层参数是根据勘察资料获得的，并结合土层的特性（重度、压缩模量、粘聚力和内摩擦角等）影响。混凝土支撑弹性模量取为E＝3.0×107KN／m2，钢支撑弹性模量取为E＝2.0×108KN／m2。

3.2 计算模型的建立

根据工程的实际情况，采用Midas有限元分析软件开展二维数值模拟分析。基坑模型长为200m，宽为100m。土体单元为二维平面应变单元，围护桩采用梁单元模拟，混凝土支撑和钢支撑采用桁架单元模拟。数值模型如图2所示。

3.3 模拟施工工序

模拟施工阶段分为9个阶段，如下所示：第1阶段：施工钻孔灌注，桩长45m，桩径1.2m，并且施加上第一道混凝土撑，混凝土支撑的尺寸为800mm×1000mm；第2阶段：开挖到5.2m处，并且在桩顶标高以下3.8m的位置加上第一道钢支撑；第3阶段：开挖到8.4m处，并且在桩顶标高以下7m的位置加上第二道钢支撑；第4阶段：开挖到11.4m处，并且在桩顶标高以下10m的位置加上第三道钢支撑；第5阶段：开挖到14.9m处，并且在桩顶标高以下13m的位置加上第四道钢支撑；第6阶段：开挖到16.92m处，并且在桩顶标高以下16.5m的位置加上第五道钢支撑；第7阶段：开挖到21.32m处，并且在桩顶标高以下19.5m的位置加上第六道钢支撑；第8阶段：开挖到24.92m处，并且在桩顶标高以下22.9m的位置加上第七道钢支撑；第9阶段：开挖到基坑底部，即26.22m处。实际开挖工况见表2.

3.4 计算结果与监测数据分析

本文结合6#风井基坑监测数据，着重分析基坑开挖各阶段并加上相应支撑后，WX7桩身的水平位移变化情况。以实际监测到的WX7桩身位移曲线为主，结合Midas数值模拟程序模拟相应阶段桩身水平位移曲线，并将结果进行比对分析。

第一阶段基坑开挖至－5.4m处，在开挖过程中土体的应力得到释放，土体向基坑内侧变形。由于第一道混凝土支撑先于开挖前施工完毕，所以围护桩的变形呈现两边小中间大的形状。实测数据显示在桩顶出现了4.07mm的水平位移，桩顶以下11.5m处出现了最大的变形值5.87mm。无偏压作用下的模拟结果显示桩顶水平位移基本为0mm。实际监测数据和模拟曲线见图3。

表2 开挖工况表

第二阶段开挖至－8.4m处，随着开挖深度的不断加深，桩体水平侧移逐渐增大，实测数据显示在桩顶以下15.5m处出现最大变形值为8.03mm，桩体基本呈现“弓形”变化。如图4所示。

第三阶段开挖至－11.4m处，随着基坑开挖深度继续加深，围护桩体水平位移继续增大。由于第二道钢支撑未架设好便进行了第三阶段的开挖，所以变形增幅较大，至2013年3月18日加完第二道钢支撑，在距桩顶以下16m处出现了最大水平位移17.19mm。模拟与实测数据见下图5。

第四阶段开挖至－14.9m处，至2013年4月2日加完第三道钢支撑，围护桩桩顶位移达到7.36mm，在距桩顶16.5m处出现了最大水平位移26.89mm。模拟与实测数据见下图6。

第五阶段开挖至－16.92m处，至2013年4月23日加完第四道钢支撑，在距桩顶17.5m处出现了最大水平位移41.32mm。模拟与实测数据见下图7。

第六阶段开挖至－21.32m处，基坑开挖深度进一步加深，至2013年5月11日加完第五道钢支撑，在距桩顶18m处出现了最大水平位移52.88mm。模拟与实测数据见下图8。

第七阶段开挖至－24.92m处，至2013年5月17日加完第六道钢支撑，在距桩顶18.5m处出现了最大水平位移55.13mm。模拟与实测数据见下图9。

第八阶段开挖至－26.22m处，即基坑开挖至坑底，围护桩体水平位移达到最大值，至2013年5月22日加完第七道钢支撑，实测数据显示在距桩顶19.5m处出现了最大水平位移58.02mm。有偏压作用下数值模拟结果显示桩顶位移达到最大值10.02mm，无偏压作用下的数值模拟结果显示桩顶位移基本未变，两者差别很大。无偏压作用下的数值模拟结果显示桩体最大水平位移出现在距离桩顶19.64m处，最大水平位移为39.78mm，而有偏压作用下数值模拟结果显示桩体最大水平位移出现在距离桩顶19.20m处，最大水平位移为51.34mm，两者相差12mm。模拟与实测数据见下图10。

综合上述监测数据与模拟结果分析：

1.本工程条件下各阶段开挖最大水平位移均发生在桩顶以下12m～19m的位置；

2.围护桩体的变形均呈现“弓形”，与其它工程相类似；

3.模拟结果显示，有偏压作用下的变形与无偏压作用下的变形相比相差很大，不可忽略，但变形规律基本相似，最大水平位移产生的部位也很接近。本工程中有偏压作用和无偏压作用下的模拟结果相比，桩顶发生了10mm左右的水平位移，最大水平位移相差约12mm。

4 结论与展望

本文以某地铁6#风井深基坑为研究对象，采用Midas模拟与现场实测相结合的方法，分析了不同开挖过程围护桩的变形规律以及路基偏压对于围护桩体位移的影响，得到下列结论。

1.围护桩体的变形规律基本呈现“弓形”变化，随着开挖深度的不断增加，围护桩体的最大水平位移逐渐增大，同时最大水平位移的位置也不断下移。本工程最大水平位移发生在基坑开挖深度的2／4～3／4位置。

2.基坑开挖过程中，有偏压作用下的围护桩桩顶位移相对于无偏压作用下的围护桩顶位移会有明显的增大，同时桩体最大水平位移也呈现较大的增长趋势，不可忽略。

3.通过以上变形曲线可以看出，本工程的实测数据大于软件模拟的数据，这主要是由于施工过程的不定性，例如支撑架设的不及时、局部超挖、支撑的预应力损失等原因。我们可以利用实际监测数据进一步反算设计参数，让设计结果更加趋于实际情况。

4.接下来可以研究桩体嵌固深度以及路基远近对于基坑开挖桩体变形规律的影响，进一步优化设计。

1 黄山.广州地铁九号线高增站深基坑数值分析与研究［D］.广州：广州大学土木工程学院，2011.

2 吴晓旺，付建飞，杜学飞.某隧道基坑检测及安全稳定分析研究［J］.分析研究，2009，4（3）：122－127.

3 石钰峰，宁锐，张学民，等.列车动载影响下偏压地铁基坑稳定性分析［J］.铁道标准设计，2009（12）：96－98.

4 唐文鹏.非对称偏压基坑的设计浅谈［J］.湖南交通科技，2008，2（34）：136－139.

5 石钰锋，阳军生，白伟，等.紧邻铁路偏压基坑围护结构变形与内力测试分析［J］.岩石力学与工程学报，2011（04）：826－833.

6 陈晨.不同偏压高度对基坑围护结构的影响分析［J］.公路工程，2011（02）：116－118.

7 房师军，付拥军，姚爱军.某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析［J］.岩土工程学报，2011（S1）：223－226.