易触变性土层基坑地连墙插入比优化研究

彭 林 （中铁一局集团有限公司广州分公司，广东 广州 511400）

0 前言

随着我国城市轨道交通的快速发展，软土地层地铁车站深大基坑频现。软土地层地铁车站深大基坑的开挖施工，具有影响范围大、施工环境复杂、施工难度高等特点[1-2]。因此，在基坑开挖过程应采取必要的施工措施和工艺，保障开挖过程基坑和围护结构稳定。

在诸多影响软土地层深大基坑稳定性的因素中，地连墙插入比显得尤为重要[3]。王梅通过数值模拟研究指出，挡土墙插入比对挡墙侧移有一定影响，随插入比增大，上部墙体侧移逐渐增大，而下部墙体却相反，当插入比在1.2左右时，墙体侧移最小[4]。刘吉波等通过分析不同中墙插入比下左、中、右墙的侧移规律，得到了优化后的中墙插入比为2～3[5]。高新南等研究指出，当插入比达到一定值后，继续增加插入比并不能显著降低咬合桩的最大侧移，并给出了苏州地铁车站基坑多支点咬合桩的插入比建议值为0.7～0.8[6]。罗海燕等结合太原市地铁2号线中心街西站基坑研究了地连墙插入比的变化对于地表沉降、地连墙水平位移的影响，并建议黏土及粉土地区深基坑工程地连墙插入比的取值范围为0.7～0.8[7]。

采用Midas GTS有限元软件，建立太原地铁2号线一期矿机站基坑标准段的二维平面应变模型，系统研究了不同插入比条件下地连墙墙顶位移、墙体位移和钢支撑轴力的变化趋势。以期为矿机站基坑和矿机站所在区域基坑施工中地连墙插入比的合理取值提供技术支撑。

1 工程概况

太原地铁2号线一期矿机站为地下两层岛式站台双柱三跨箱型框架结构，总长221.0m，标准段宽度22.3m，底板埋深18.3～21.4m。根据《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）中有关规定，主体基坑侧壁安全等级及基坑变形控制保护等级为一级，围护结构重要性系数为1.1。主体围护结构采用地连墙+3（4）道内支撑的形式，主体结构部分为厚度800mm的地连墙，标准段嵌固深度约为9m，采用φ800×16mm的钢管支撑直接撑在连续墙上。首层撑至2道撑的距离为7.2m，2道撑至3道撑的距离为5.5m，3道撑至坑底距离为3.75m。

2 有限元模型

采用Midas GTS NX2017有限元软件建立矿机站基坑标准段的二维平面应变模型，模型水平方向取102m，竖直方向取45m，有限元模型如图1所示。三道钢支撑均采用直径为800mm壁厚16mm的Q235级钢管，第一道支撑设置于地面下-0.5m处，第二道支撑设置于地面下-6.5m处，第三道支撑设置于地面下-12.0m处。各类岩土采用实体单元模拟，地下连续墙及钢支撑采用梁单元，其中地下连续墙及支撑采用弹性本构模型，土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。基坑土体分四次开挖，第一次开挖至地表下-4.0m处，第二次开挖至地表下-9.0m处，第三次开挖至地表下-13.5m处，第四次开挖至基底标高。

图1 有限元模型

标准段各土层物理力学参数如表1所示。

土层参数 表1

钢支撑和地连墙参数如表2所示。

钢支撑和地连墙参数 表2

依据既有文献研究成果[6-7]，本文主要研究地连墙插入比分别为 0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 和 1.0 条件下的基坑稳定性，并通过不同插入比时墙顶位移、墙体位移和钢支撑轴力的对比分析，得到优化的地连墙插入比。

3 结果分析

矿机站基坑属于一级基坑，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911-2013）[8]和山西省工程建设地方标准《建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ04/T258-2016），矿机站基坑的变形控制值如表3所示。钢支撑轴力设计最大值为1200kN，控制值取60%的设计最大值，为780kN。

基坑变形控制值 表3

数值计算结果如表4所示。

墙顶水平位移随地连墙插入比变化趋势如图2所示。当插入比由0.4增大到0.6时，地连墙墙顶水平位移呈逐渐减小的趋势；当插入比由0.6变为0.8时，墙顶水平位移由0逐渐增加至0.57mm；当插入比为0.9时，墙顶水平位移突增为10.11mm，而后当插入比为1.0时墙顶水平位移降为3.69mm。

墙顶竖向位移随地连墙插入比变化趋势如图3所示。由图3可知，当插入比由0.4增大到0.8时，地连墙墙顶竖向位移由8.88mm逐渐减小至4.95mm；当插入比为0.9时，墙顶竖向位移突增为15.04mm，而后当插入比为1.0时墙顶水平位移降为4.57mm。

图2和图3中，通过数值计算所得墙顶水平和竖向位移虽然没有超过表3中控制值，但插入比为0.9时出现了数据的突变。

数值模拟结果 表4

图2 地连墙墙顶水平位移与插入比的关系

图3 地连墙墙顶竖向位移与插入比的关系

墙体水平位移随插入比变化的曲线如图4所示。由图4可知，当插入比由0.4增大到0.8时，地连墙墙体水平位由8.9mm逐渐增加至10.09mm，且基本上呈线性变化趋势；当插入比由0.8增大到1.0时，地连墙墙体水平位由10.09mm快速增加至30.51mm，超出了表3中墙体水平位移控制值。

图4 地连墙墙体位移与插入比的关系

钢支撑轴力随地连墙插入比变化趋势如图3所示。由图3可知，当插入比由0.4增大到0.8时，钢支撑轴力呈先减小后增大的趋势，并在插入比为0.5时达到最小值318.89kN，但插入比为0.6～0.8时，钢支撑轴力相差不大，在10kN以内；当插入比为0.9时，钢支撑轴力突增为378.82kN，而后当插入比为1.0时墙顶水平位移降为334.12kN。

图5 钢支撑轴力与插入比的关系

综上可知，当地连墙插入比从0.4到1.0变化时，地连墙墙顶水平位移、地连墙墙顶竖向位移和钢支撑轴力最大值均小于规范控制值，只有墙体水平位移在插入比为1.0时超出了表3中墙体水平位移控制值。

插入比为0.9时，地连墙墙顶水平位移、地连墙墙顶竖向位移、墙体水平位移和钢支撑轴力最大值均出现了突变。也就是说，针对矿机站基坑区域土层参数，并不是插入比越高越有利于基坑和围护结构的稳定，工程实际中应结合具体情况对地连墙插入比进行优化。结合数值计算结果，建议矿机站基坑地连墙插入比取 0.7～0.8。

4 工程实践

4.1 现场监测情况

太原地铁2号线一期矿机站于2016年6月22日开始围护结构施工，2016年9月21日开始土方挖，2016年10月13日，首次发生红色报警（预警值列于表3），2016年11月7日首段基坑见底，截止2017年6月27日，完成土方开挖5段，底板浇筑5段，共出现红色预警10次，橙色预警11次，黄色预警2次，主要为桩顶水平位移（累计变形25mm、3mm/d）和桩顶沉降（累计变形25mm、3mm/d）。共14个监测段面全部出现过报警。其中19号测斜管位于第5段，底板混凝土浇筑前（2017年6月10日）18.5m位置测斜累计变形57.5mm，浇筑混凝土后（2017年6月23日）该部位测斜累计变形72.5mm，如图6所示。也即是说，底板混凝土浇筑后，底板以下部分测斜位移并不能因此而约束。

图6 测斜管位移

4.2 基坑变形原因分析

4.2.1 高灵敏度地层

矿机站地质相对复杂，杂填土及素填土层较厚，平均厚度3m～4.7m，其余多为粉质黏土、黏质粉土，其渗透性小约3.602m/d，降水后含水率高，自稳性差，土体灵敏性高，在开挖到地下8m时，经挖机扰动易液化，挖机难以正常行走，需铺设辅助钢板，导致挖土效率低下，且未开挖的断面也出现变形，如图7所示。

图7 施工现场图

4.2.2 连续墙插入比相对较小

根据目前连续墙测斜监测数据反映出的情况，基坑基底以下连续墙测斜变形数据单次或累计值都有超限（基坑底以下0.5m，连续墙测斜变形值达72.5mm，最低端变形5.2mm），结合国内其他城市软土地层施工数据与经验[6-7]，连续墙插入比不小于0.8，而矿机站标准段地连墙最大插入比仅为0.55。

4.2.3 支撑架设不及时

高灵敏度地层的存在，加大了基坑开挖施工难度，一定程度上影响了钢支撑的架设时机，矿机站基坑施工过程中存在钢支撑架设不及时的现象。

5 结论

采用Midas GTS有限元软件建立了矿机站基坑标准段的二维平面应变模型，系统研究了不同插入比条件下地连墙墙顶位移、墙体位移和钢支撑轴力的变化趋势。主要结论：

①地连墙墙顶水平位移和竖向位移随着地连墙插入比的变大基本呈减小趋势，但当插入比为0.9时二者最大值突然增大。

②插入比从0.4～0.8变化时，地连墙墙体水平位移和钢支撑轴力基本呈逐渐增大趋势，插入比为0.9时二者最大值均发生突变现象。

③地连墙插入比应结合基坑工程实际条件进行调整优化，在易触变性软土地层，地连墙插入比的线性增加并不总是能带来围护结构的稳定。

④结合现场监测数据，建议矿机站所在区域基坑施工中地连墙插入比取0.8。