佛山软土地区狭长型基坑长边效应研究

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(1. 东南大学 土木工程学院，南京　210096；2. 中铁工程装备集团有限公司 地下空间设计研究院，郑州　450016；3.中交第二公路工程局 技术中心，西安　710065)

1　研究背景

近年来，我国轨道交通建设大规模进行，已有43个大中型城市轨道交通规划获批。城市轨道交通建设面临着复杂地质条件与严苛周边环境条件的安全挑战，其中车站深基坑工程作为轨道交通建设的重要组成部分，正在面临巨大的安全考验。

地铁车站基坑一般为狭长型基坑，其空间效应主要表现在长边效应。国内刘建航院士[1]最早结合上海市基坑工程经验提出空间效应；随后，刘国彬教授等[2]通过对现场实测数据的反分析研究，提出等效土体水平抗力系数Kh的概念及其与开挖位置、开挖宽度、开挖高度、暴露时间等的函数关系。此后，国内学者结合理论分析与工程实践做了大量的深入研究。吴小将等[3]利用结构构件弯矩值与曲率半径之间的联系，提出一种利用测斜监测曲线估算地下连续墙弯矩的方法；周冠南[4]、李佳宇等[5]结合软土地区深基坑施工监测数据，提出该类基坑长边效应与坑角效应明显，并且提出行车荷载对围护结构变形影响明显；杨雪强等[6]基于土的塑性上限理论及极限平衡理论，提出考虑空间效应的土压力计算公式；雷明锋等[7]结合长大基坑垃裂-剪切和纯剪切2种三维破坏模式的空间效应进行理论分析，同时引入等代内摩擦角概念，提出空间效应系数计算公式，得出基坑长边中部的安全风险较大的结论；李四维等[8]、冯超元[9]在分析深基坑开挖变形监测数据的基础上，通过有限元模拟研究了基坑尺寸、围护结构嵌固深度及施工工况对基坑变形的影响规律；连宝琴等[10]通过地铁基坑现场监测成果与数值模拟分析，得出基坑周边深基础建筑物侧的沉降曲线呈“三角形”，浅基础建筑物侧沉降曲线呈“阶梯状”的结论；谢沃等[11]结合实际狭长型地铁车站基坑的施工监测与数值模拟结果，对此类基坑的分区开挖进行了深入研究，最终基坑中段的墙体水平位移明显大于基坑两端；周永胜[12]采用BP神经网络、马尔可夫链理论等内容建立了基坑变形预测模型并进行了修正，为基坑监测变形研究提供了新的研究方向。

总而言之，上述研究主要集中在对整个空间效应的分析研究，并且取得了很大的进展，但是对当下较普遍的狭长型深基坑长边效应方面还缺乏深入探讨和验证分析。

本文结合佛山地区某狭长型地铁车站深基坑工程，采用现场实测数据分析以及有限元模拟，基于基坑开挖阶段的地下连续墙的变形规律，对狭长型基坑的长边效应进行了研究分析。

2　工程概况

2.1　地质条件

佛山地区某狭长型地铁车站基坑平面尺寸为216.0 m×17.5 m，标准段基坑深度17.0 m，明挖顺筑法施工。坑北侧围挡外为城市主干道。地下连续墙(C30)厚度800 mm、深度28.0 m；内支撑体系为1道钢筋混凝土支撑(0.8 m×1.0 m)+3道双拼钢支撑(Φ800t14)。车站基坑场地地下水位埋深约1.5 m，基坑开挖深度范围内主要为素填土、淤泥质土、淤泥等。车站基底以下存在较厚的淤泥层，该土层性质差，且在整个基坑内分布范围广、深度深，因此对基底土层进行了Φ850@600三轴搅拌桩加固，加固范围穿越淤泥质土并进入稳定土层。该车站主要地质特征及力学特征见表1。

表1　主要地质特征与力学指标

2.2　地下连续墙位移理论计算方法

地下连续墙的侧向变形理论计算一般按照三边(左、右、下)固支的薄板小挠度弯曲理论计算。地下连续墙计算模型如图1所示。

图1　地下连续墙计算模型示意图

认为变形仅由弯矩(Mx，My)与扭矩(Mxy)引起，则由地下连续墙的挠度函数W表示的应变能V为：

(1)

(2)

式中：D为地下连续墙的弯曲刚度；W=W(x,y)为地下连续墙的挠度函数；ν为泊松比;V为地下连续墙的应变能。

设外界做功为P，则总势能的表达式为

∏=V-P。

(3)

结合边界条件，利用最小势能原理雷利-里茨法可求出地下连续墙的内力与变形。

这种地下连续墙解法采用的是简化的理想模型，计算结果近似高次抛物曲面沿基坑长边方向的连续分布，其中基坑中部地下连续墙变形取得最大值，向两侧逐渐减小，递减量先小后大再小。这种计算方法可以定量计算出基坑的长边效应程度，但是实际工程与理想约束仍有一定差距，并且计算较为困难，因此计算结果与实际变形仍可能会有较大偏差。

2.3　地下连续墙变形监测

为了能够更好地反映出狭长型基坑的长边效应，应尽可能地避免坑角效应对墙体变形的影响，因此选取点位距坑角有一定的距离。本文选取基坑长边中点及距离坑阳角20.0 m处作为墙体变形的主要研究对象，详见图2墙体变形监测点位示意图,其中包含CX1，CX2，CX3 三个断面共6个点位。

图2　基坑地下连续墙监测点示意图

3　长边效应的实测分析

长边效应属于空间效应，存在于整个基坑工程中，本文着重探究狭长型地铁车站基坑开挖阶段的长边效应。通过在图2所示位置埋设墙体测斜监测点，按照1次/d的监测频率对上述3个截面(CX1，CX2，CX3)6个墙体测斜监测点进行监测，最大限度地获得基坑地下连续墙的连续变形数据。

3.1　施工工况

不同的开挖深度对长边效应的影响程度必然不同，为了更好地反映出长边效应受开挖深度的影响程度，本文选取以下4个工况下的地下连续墙变形数据作为研究对象。

工况1：第2道支撑施工完毕，开挖至4.5 m；

工况2：第3道支撑施工完毕，开挖至8.0 m；

工况3：第4道支撑施工完毕，开挖至12.0 m；

工况4：开挖至基底(17.5 m)，且基底封闭。

图3　各截面墙体测斜变形

3.2　基于截面位置的长边效应研究

截面CX1，CX2，CX3测斜监测点分别对应4个工况的墙体位移如图3所示。同时分别选取4个工况下的北侧3个墙体位移进行对比分析，见图4。

图4　各工况条件下墙体测斜变形

地下连续墙墙体的水平位移是设计施工需要控制的关键指标，其大小直接影响到基坑围护结构安全与周边环境的影响程度。直观来看，图3(a)反映出CX1截面墙体最大水平位移规律：CX1-1在-11 m深度处位移值为26.01 mm；CX1-2在-13 m深度处位移值为19.12 mm。图3(b)反映出CX2截面墙体最大水平位移规律：CX2-1在-13 m深度处位移值为32.88 mm；CX2-2在-13 m深度处位移值为32.21 mm。图3(c)反映出CX3截面墙体最大水平位移规律：CX3-1在-11 m深度处位移值22.08 mm；CX3-2在-12 m深度处位移值26.24 mm。

CX2-1的墙体最大水平位移比CX1-1，CX3-1最大水平位移平均值大8.83 mm(约26.9%)；CX2-2的墙体最大水平位移比CX1-2，CX3-2最大水平位移平均值大9.53 mm(约29.6%),如表2所示。CX2断面最大值出现位置比CX1,CX3断面均低0～1 m。

表2　墙体最大水平位移值统计

由此可见，长边效应存在于狭长型地铁车站基坑，并且导致基坑长边中间位置地下连续墙的水平位移最大值明显大于两侧，同时最大值位置下降。

3.3　基于施工工况的长边效应研究

图3(a)、图3(b)从动态施工的角度反映狭长型地铁车站基坑长边效应的影响。图4(a)工况1与图4(b)工况2显示，虽然基坑中部CX2-1测点水平变形稍大，但并不显著；进一步对比图4(c)工况3与图4(d)工况4不难发现，随着基坑开挖深度的加大，位于基坑中部的墙体水平位移明显增大，并且最大值下降速度也较为显著。因此，狭长型地铁车站基坑长边效应的影响会随着开挖的加深而增大，且主要影响表现在增加墙体最大水平位移以及降低最大值点位置2个方面。

4　有限元模拟分析

本文利用有限元分析软件MIDAS GTS对长边效应进行分析研究。按照实际尺寸建立3D模型，地面超载取20.0 kN/m3。土体采用摩尔-库伦模型，围护结构采用弹性模型；其中地下连续墙采用板单元模拟，支撑采用梁单元模拟。

模型土层参数的取值如表1所示，土层泊松比均取0.35；地下连续墙与混凝土支撑(C30)密度取2 500 kg/m3，弹性模量取30 GPa，泊松比取0.2；钢支撑(Q235)密度取7 800 kg/m3，弹性模量取205 GPa，泊松比取0.3。按施工阶段分析,具体模型如图5所示。

图5　分析模型

4.1　模拟分析研究

上节所述工况4是地下连续墙最大水平位移出现的工况，因此本节以工况4作为研究工况，该工况下的计算结果如图6所示。由图6可见，除距离阳角0～10 m范围内的地下连续墙出现位移相对较小外，其余部分均基本一致。提取结果以墙背土体水平位移作为数据依据，结果显示基坑跨中CX2截面-12.5 m深度出现地下连续墙最大水平位移28.74 mm，如图7(a)所示；基坑CX1，CX3截面-12.4 m深度地下连续墙水平位移28.62 mm，如图7(b)；此时CX1，CX3与CX2的地下连续墙变形基本完全一致，并未显示基坑中的长边效应。因此本文在CX1与西侧阳角之间中点位置选取截面CX0，用来体现长边效应的影响，如图7(c)所示：基坑CX0截面-12.1 m深度地下连续墙水平位移24.86 mm。

图6　模拟结果示意图(长边方向墙体水平位移)

图7　各截面地下连续墙变形

总体来看，有限元模拟将狭长型基坑的大部分中部范围按照平面应变问题考虑，因此出现有限元模拟结果对狭长型基坑长边效应的影响程度模拟没有实际基坑中的明显。与实测数据相比，模拟结果的长边效应主要体现在影响范围的不同，在工况4的条件下，长边效应影响的范围小于基坑宽度、深度以及基坑长度的1/3；并且地下连续墙的最大水平位移位置虽有上移但并不明显。

4.2　与实测数据的对比分析

上文对狭长型地铁车站基坑的地下连续墙分别进行了实测数据与有限元模拟分析。对于地下连续墙变形的分析结果为：实测数据显示CX2-1在-13.0 m深度的最大水平位移值为32.88 mm，模拟结果显示CX2截面在-12.5 m深度最大水平位移28.74 mm。由此可见，有限元模拟分析很好地验证了地下连续墙变形实测数据的合理性，并且对该基坑的长边效应影响程度有一定的印证与体现。但是有限元模拟对于工程实际的模拟仍有很大的近似性，实际研究中仍应以工程实测数据为准。

总体来说，2种分析结果均说明狭长型深基坑受到长边效应的影响，且体现基坑长边跨中的地下连续墙水平变形最大值增大以及最大值位置降低。实际工程中长边效应对地下连续墙的影响相对工程模拟来说更复杂，对本文而言，CX2截面实测比模拟最大水平位移值大14%左右，最大值位置相对更深，而CX1，CX3截面实测最大位移值比模拟小9%左右，最大值位置相对更浅。进而言之，由于狭长型地铁车站基坑结构设计一般受围护结构与周边环境的变形控制，且狭长型地铁车站基坑长边效应引起的基坑畸变比模拟计算要大很多，长边效应的深入研究将为该类基坑的合理设计提供参考，应该引起重视。

5　结　论

狭长型地铁车站基坑深度大、建设周期长、安全风险大，长边效应对该类基坑具有较大影响，本文通过对佛山软土地区该类基坑长边效应的研究，得出以下几条结论。

(1)狭长型地铁车站基坑的长边效应明显存在。长边效应会造成狭长型地铁车站深基坑长边跨中地下连续墙出现更显著的水平位移，直接将狭长型基坑近似为平面应变问题并不能准确反映该类基坑的围护结构变形。

(2)长边效应对该狭长型基坑有较大的不利影响。长边效应造成该类地下连续墙变形畸变加重，不仅会导致基坑两端头出现地下连续墙水平位移较小的现象，而且会使基坑跨中地下连续墙出现比模拟分析大得多的最大水平位移，同时长边效应也导致地下连续墙最大位移值对应深度加深，对基坑安全不利。

(3)围护结构设计应适当增加该类基坑长边跨中刚度。围护结构的刚度将直接影响到地下连续墙的最大水平位移值，针对狭长型地铁车站基坑设计时，基坑跨中应增设加强措施，如更厚的地下连续墙、更密集的混凝土支撑等，以此减小长边效应对该类基坑的影响，确保基坑建设期安全。