交叉基坑开挖对地连墙水平位移影响规律的研究

张朋成

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

交叉基坑开挖对地连墙水平位移影响规律的研究

张朋成

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

摘要:以上海市轨道交通12号线汉中路换乘车站工程为例，采用Midas/gts三维有限元软件，从单个基坑开挖与交叉基坑开挖两方面，分析了基坑开挖对地连墙水平位移的影响规律，为实际工程施工提供了依据。

关键词:轨道交通，基坑开挖，地连墙，水平位移

1　工程概况

本文研究的工程背景是上海轨道交通12号线、13号线与已建1号线汉中路站综合开发形成的三线换乘站超深地下综合体。研究对象为12号线和13号线的十字换乘节点。该换乘节点位于恒通路、恒丰路、光复路、梅园路围成的地块之间，将与已建成运营的1号线实现三线换乘。

2　模型简介

本文借助Midas/gts三维有限元软件进行十字交叉基坑的建模(见图1，图2)。

图1　交叉基坑整体模型

图2　交叉基坑尺寸示意图（单位：m）

模型中，交叉基坑均长188 m、宽20 m，考虑建模和对比分析方便，暂取两坑开挖深度相同，都为21 m。

土体采用实体单元模拟，地连墙采用板单元进行模拟，支撑采用梁单元进行模拟。本模型中基坑地连墙厚度取为1 m，基坑共设置五道支撑，其中第一、第四道支撑为混凝土支撑，其余三道均为钢支撑，各道设置深度分别为h =0 m，h =5 m，h =10 m，h = 14 m，h =18 m。

3　单个基坑开挖地连墙位移曲线分析

本文先对单个基坑开挖情况下地连墙的水平位移进行研究，为交叉基坑开挖情况的研究作基础。为了简化描述，本文对单坑开挖时地连墙水平位移测斜点进行了编号(见图3) : DQ-0代表基坑短边中点处的地连墙水平位移测线; DQ-1代表距端头7 m ( 1/3倍开挖深度)处的地连墙水平位移测线; DQ-2代表距端头14 m( 2/3倍开挖深度)处的地连墙水平位移测线;下面依次类推，DQ-6为基坑长边中点处的地连墙水平位移测线，此处距基坑两短边各2倍开挖深度的距离。

以下各图中，h代表基坑的开挖深度。例如h = 11 m代表基坑开挖到11 m的深度。

图4和图5为单个基坑长边中点和短边中点对应地连墙随基坑开挖水平位移曲线，可得:

1)对比图4，图5可见，在各个开挖深度上，DQ-6的最大水平位移( 12.5 mm)远大于DQ-0的最大水平位移( 7.2 mm)，这很好地验证了基坑变形的角隅效应。

图3　单坑开挖地连墙水平位移测线示意图

图4　DQ-6水平位移曲线

图5　DQ-0水平位移曲线

2)此处基坑为多道内支撑的基坑，地连墙的水平位移呈抛物线形。在h =19 m之前，地连墙的最大水平位移随基坑开挖不断加大，且最大点出现在开挖面附近。而h = 19 m以后，随着基坑开挖深度的加大，最大水平位移仍有缓慢增长，但是最大水平位移点的深度却不再变化，稳定在17 m深度上。对于多道内支撑的基坑常见的抛物线形位移，其最大变形位置一般都位于开挖面附近，但是基坑深度在16 m以上时，基坑的最大变形位置逐渐上移。通过对上海地区以地铁基坑为主的20 m以上基坑的统计，最大值位置一般位于开挖面以上，平均值为0.89h深度处［1］。由图6和图7可见，由于基坑端部的空间效应，基坑长边端部的地连墙水平位移( h =11 m时4.2 mm，h =21 m时7 mm)远远小于长边中部的水平位移( h =11 m时8 mm，h =21 m时13 mm)。随着远离端部，地连墙的最大水平位移会不断加大。h =21 m时，DQ-3(距端头21 m)的位移曲线基本上同长边中部位移曲线重合。而h =11 m时有同样的现象，说明基坑三维空间效应的影响范围同开挖深度关系不大，其影响范围在1倍的短边宽度以内。

4　交叉基坑先后开挖地连墙位移曲线分析

A，B两基坑均为长条形基坑，两者呈十字交叉状态，本节考虑A，B基坑先后开挖的工况。

基坑A坑先开挖，h代表A坑的开挖深度; B坑后开挖，H代表B坑的开挖深度。h = 21 m时，A坑开挖完成而B坑未开挖，H =21 m时，A，B两坑均开挖完成。

图6　h=11 m时各测线水平位移

图7　h=21 m时各测线水平位移

交叉基坑开挖工况下，地连墙水平位移测点布置见图8。

图8　交叉基坑开挖地连墙水平位移测线示意图

1) A坑内各测线的代号为XQ，距地连墙交接处距离7 m( 1/3倍开挖深度)处为第一道测线，编号为XQ-1，距地连墙交接处14 m处测线标号XQ-2，后面依次类推，直至A坑长边中点处测线编号为XQ-6，此处距地连墙交接处42 m( 2倍开挖深度)。2) B坑内测线代号为HQ，具体编号同A坑。

图9　XQ-1与HQ-1位移比较

图10　XQ-2与HQ-2位移比较

图11　XQ-3与HQ-3位移比较

图12　XQ-4与HQ-4位移比较

由图9～图12可见，A，B两坑先后开挖，地连墙水平位移的相互影响如下:

1)对于XQ-1，B坑的开挖会导致其最大水平位移增大，增幅达10%。原因分析如下: a.B坑开挖伴随着A坑内封堵墙以及角撑的凿除，A坑长边端部出现向坑内变形的趋势; b.B坑开挖前，B坑内土体对B坑长边地连墙有侧向约束作用，B坑内土体的开挖使得这种限制作用消失，B坑长边地连墙会出现向A坑内侧整体偏移的现象。

而对比H =21 m时HQ-1和XQ-1的水平位移可见，B坑开挖完成后HQ-1的最大水平位移( 8.1 mm)比增大之后的XQ-1的水平位移( 6.9 mm)还要大18%。因此，交叉基坑的开挖会使两坑相交处地连墙的水平位移较单坑开挖工况有显著增大，所以，需要严格控制地连墙相交处的施工质量。

2)对于XQ-2，XQ-3和XQ-4，B坑的开挖对其水平位移基本没有影响。同时，H = 21 m时，HQ-2的最大水平位移仅比XQ-2大不到4%，所以在14 m( 2/3的开挖深度)之外，两坑地连墙的水平位移同单坑开挖工况类似。也就是说，在交叉基坑施工中，需要对14 m( 2/3的开挖深度)之内地连墙的水平位移进行有效控制。

图13　H=21 m 时A坑地连墙水平位移

图14　H=21 m 时B坑地连墙水平位移

由图13，图14可见，B坑开挖后，A坑及B坑端部地连墙的水平位移较远离端部地连墙的水平位移要小很多。同样，在1倍开挖宽度之外，地连墙的水平位移曲线同长边中部地连墙的水平位移曲线基本重合。虽然此时两坑均无端头(无阴角)，却存在与基坑单独开挖工况下相同的规律，原因分析如下:虽然B坑开挖后A坑失去了端头，但是B坑地连墙在A坑外侧会产生对A坑地连墙的牵拉作用，这与基坑单独开挖时短边地连墙的顶撑作用效果相同，在A坑与B坑交接处形成“类端头效应”。

本文提出的“类端头效应”对于A，B坑各自的变形起到有利作用，但是从交叉基坑整体来看，在两坑地连墙的交角处会形成拉应力。然而在实际工程中，地连墙都是分幅施工的，能提供的拉应力很小。如果交叉基坑施工过程中不采取有效措施，可能会出现两墙分离现象，“类端头效应”也就无从谈起，甚至会造成严重的安全事故。根据实际工程经验，在两墙相交处(阳角处)，往往会通过加大支撑的刚度和密度，来杜绝两墙分离的现象，并形成有效的类端头效应来控制交叉基坑的变形。

5　结语

1)单个长条形基坑开挖时，在端头附近会存在明显的空间效应。由于端头的约束，附近的地连墙水平位移较长边中部要小。随着远离端头，空间效应逐渐减弱。经研究，基坑端头的空间效应与开挖深度关系不大，影响范围大约为1倍的短边宽度。

2)交叉基坑开挖，两坑交接处地连墙水平位移比单坑开挖时有较大增幅，由此可知，交叉基坑开挖对彼此地连墙水平变形会产生不利影响。

3)本文提出了两坑交接处存在“类端头效应”，这是由于两坑地连墙的互相牵拉引起的，这种拉应力极易造成地连墙的分离。因此在基坑交叉处，务必要控制好施工质量，必要时加大支撑的刚度和密度，分担地连墙的拉应力，从而形成新的类端头效应来控制交叉基坑的变形。

参考文献:

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］郭海柱，张庆贺.地铁换乘站近接施工监测与数值模拟分析［J］.施工技术，2012，41( 13) :62-66.

［3］卿凇.上海地铁“十”形换乘地铁车站施工技术［J］.城市道桥与防洪，2010( 10) :124-127.

［4］李琳，杨敏，熊巨华.软土地区深基坑变形特性分析［J］.土木工程学报，2007( 4) :66-72.

［5］陈东杰.上海铁路南站相邻基坑开挖变形影响研究［J］.建筑科学，2005( 6) :59-63.

［6］赵永光，耿进柱，赵兴波.群坑开挖耦合效应及其对周边环境影响的数值分析［J］.建筑施工，2009，211( 3) :177-180.

［7］沈健.超大规模基坑工程群开挖相互影响的分析与对策［A］.第七届全国基坑工程研讨会论文集［C］.2012: 272-276.

［8］丁勇春.软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究［D］.上海:上海交通大学，2009.

Study on the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement

Zhang Pengcheng
( China Railway 3rd Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd，Tianjin 300251，China)

Abstract:Taking Hanzhonglu station engineering of Shanghai rail transit line No.12 as an example，applying Midas/gts three-dimensional finite element software，starting from two aspects of single foundation excavation and crossing foundation excavation，analyzes the influencing law of crossing foundation excavation upon horizontal diaphragm displacement，which has provide some guidance for actual engineering construction.

Key words:rail transit，foundation excavation，diaphragm wall，horizontal displacement

作者简介:张朋成(1989-)，男，助理工程师

收稿日期:2015-11-21

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0081-03

中图分类号:TU463

文献标识码:A