逆作深基坑围护结构变形空间效应分析

何向玲，吴东云，周嘉宾

(1.上海市城市管理职业技术学院，上海 200432;2.天津城市建设学院 土木系，天津 300384;3.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州 450000)

深基坑支护设计必须确保整个围护结构在施工过程中稳定，同时要对围护结构及其周围土体的变形进行控制，以保证周围建筑和地下管线的安全。

工程实践表明[1-3]，对于悬臂支护基坑或有内支撑的基坑，开挖较浅，还未设支撑时，不论是刚性墙体还是柔性墙体，墙体侧向变形均表现为三角形分布，即墙顶位移最大，墙体绕底部以下某一点向坑内倾转;基坑加设内撑后，随着开挖深度增加，墙体侧向变形表现为墙顶位移不变，墙体腹部向坑内突出。而逆作法施工由于以层板结构永久支撑代替临时水平支撑，使围护结构在变形上与顺作法相比，会表现出不同的变化情况，逆作基坑变形过大将对地下工程本身产生不利影响，同时对周边环境也会造成破坏，因此，对逆作基坑变形规律进行研究，掌握其变形特征对工程的安全进展是十分必要的。

目前对围护结构变形的研究主要是一些工程经验与施工方法的总结，或是对基坑监测资料的分析[4-6]，而对基坑围护结构整体变形缺少宏观把握。本文以某交通枢纽超深基坑工程为例，基于数值模拟计算，对基坑开挖过程中围护结构不同位置处、不同方向上的水平变形进行分析，掌握了逆作基坑开挖过程中地连墙的变位情况，得出了逆作法深基坑区别于顺作基坑变形的特点。

1 工程概况及模型简介

1.1 工程概况

某交通枢纽工程位于天津市区，地下三层结构，结构底板埋深约25.0 m，基坑围护结构采用地下连续墙，墙深42～53 m，墙厚1.2 m。坑内底板下的抗浮桩为φ2 200 mm钻孔灌注桩，有效桩长为35.0～56.0 m;桩上设φ1 000～φ1 500 mm钢管柱作为竖向支承结构，柱距为9 000 mm。结构顶板厚为1 000 mm，中层板厚为600 mm，底板厚为1 200 mm;基坑采用盖挖逆作法施工。基坑平面为234.0 m×64.0 m的近似矩形。

1.2 计算模型简介

该基坑可简化为长方形对称结构，其模型取基坑1/2长度做计算。计算结构长度取九个柱距117.0 m，宽64.0 m;土体横向取基坑墙外50.0 m，纵向深100.0 m。土体与围护结构采用8节点减缩积分单元(C3D8R)模拟，梁、板采用壳单元(S4R)模拟，立柱及桩采用梁单元(B31)模拟，围护结构和土之间建立接触。土层参数根据地质报告给定的土层分布情况，依据按厚度加权平均的原则进行合并，见表1。土体本构采用 Drucker—Prager模型，支护结构(墙、梁、板和柱)赋予弹性性质。依据开挖工况，模拟计算步简化为表2;模型计算域及结构网格划分情况见图1。

表1 数值模拟土层参数取值

为比较围护结构不同位置处的水平变形，在墙体不同位置设置了3个模拟计算点，分别位于基坑短边墙体中部位置、基坑短边墙体端部和基坑长边墙体中部位置，定义为 CXM1、CXM2、CXM3。具体位置见图1。

表2 模拟计算步

2 计算模型的验证

为验证本文所建立模型和所选计算参数的合理性，将计算点CXM3的模拟计算结果与在该位置测点CX8的实测测斜数据进行对比，如图2。可以看出:

1)数值模拟计算得到的地连墙水平变形曲线的整体形状与实测曲线比较接近。模拟曲线更加光滑，而实测曲线由于受施工或人为因素的影响，测点扰动较大，曲线离散性较大。

2)模拟计算结果较实测结果略大，分析认为，数值模拟时未考虑基坑开挖的时间效应，是在支护结构形成空间受力体系的情况下，分步一次开挖卸载，而实际开挖过程是分段分层挖土，空间结构逐步形成时效，荷载的释放有一定的过程，所以两者数值有一定差异。

综上可见，本文所建模型虽与实际工况略有差异，但针对围护结构变形的空间效应进行研究时，本模型能够很好地反映墙体变形的真实情况。

图1 数值模拟示意(单位:m)

图2 地连墙水平位移对比

3 围护结构空间变形分析

3.1 墙体变形整体云图

基坑开挖至－25.0 m基底时，围护墙体变形云图见图3。可以看出:

1)总体上，在开挖至基底时，围护墙体主要产生向坑内的变形，墙体中部位置变形大于墙体两端，位移最大值发生在中部靠上位置。

2)基坑长边方向墙体变形大于基坑短边墙体变形，狭长基坑具有显著的空间效应。在围护结构设计与施工中，应注意基坑长边中部位置墙体的变形，必要时对狭长基坑可在中部位置设置分割地连墙，使其变成几个小基坑，以消弱该类基坑的空间效应。

3)开挖至基底(H)25.0 m时，水平位移最大值δmax为 29.28 mm，该值与开挖 深度之比 δmax/H=1.3‰，远小于《基坑变形保护等级标准》中结构水平位移控制要求的容许值范围。可见基坑逆作法由于采用结构板作为横向支撑，刚度较大，对围护墙体的变形起到了良好的约束作用。

图3 开挖至基底时墙体变形云图

3.2 纵向不同位置处水平变形分析

1)地连墙深层水平位移均为墙顶和墙底两端变形小、中间变形大，曲线呈鼓肚状;且随着基坑开挖深度的加大，这种形状趋势愈加明显。

2)在负1层底板浇筑后，第2层土开挖之前，墙顶均有向坑外的变形现象。分析原因在于顶板与墙体形成很好的整体，大体积混凝土的膨胀应力造成墙顶位置的侧移向坑外;开挖第2层土方后，由于墙体中部位置变形加大，在墙体自平衡作用下墙顶位移表现为正值。

3)随着开挖的进行，地连墙的水平位移越来越大，最大值出现的深度不断下移。开挖至基底时，在基坑短边中部墙段计算点CXM1位移最大，为25.2 mm，出现在深度19.0 m处;墙段端部计算点CXM2的最大位移为17.6 mm，出现在深度20.0 m处;而基坑长边方向，墙体中部计算点 CXM3(图2(a))最大位移为29.28 mm，出现在深度21.0 m处。三处依位移最大值排序为:长边墙体中部＞短边墙体中部＞短边墙体端部。可见，墙体的边角由于遮拦效应导致其位移值小于基坑中部相应值，且墙段距边角越远，变形越大。

3.3 横向水平变形分析

在基坑短边方向上，沿横墙自上至下建立四条横向路径，与墙顶距离分别为 5.0 m，20.0 m，25.0 m，45.0 m，见图4。各个路径在开挖至基底时水平位移曲线如图5所示。可以看出，不同深度位置墙体的水平位移曲线形状基本相同，呈两边大中间小的锅底状，距墙顶20.0 m处水平位移最大，其次为坑底25.0 m位置，再次为墙顶，最后为墙底。印证了逆作基坑墙体竖向上侧移最大值并不出现在开挖面，而是在坑底以上相当于(0.2～0.3)H范围内。可见，横向上最大水平位移发生在墙体深度的中部位置，该区域变形剧烈，而墙顶与墙底位置变形则较平缓。

图4 横向路径位置示意

图5 横向水平位移变形曲线

4 结论

本文基于某一实际深基坑工程，通过数值模拟计算，对逆作超深基坑地下连续墙的变形进行了综合分析，得到的主要结论为:

1)逆作基坑地连墙水平变形随深度变化的曲线呈鼓肚状，且随着基坑开挖深度的加大，这种形状趋势表现愈加明显;墙顶有向坑外的变形现象;水平位移最大值较顺作开挖要小，最大位移出现位置约为基坑开挖面以上(0.2～0.3)H深度处。

2)随着开挖的进行，地连墙的水平位移越来越大，且最大值出现的深度不断下移，开挖至基底时，基坑中部位移大于墙体的边角位移值，且墙段位置距边角越远，变形越大。狭长基坑空间效应明显，在围护结构设计与施工中，应采取有效方法控制基坑长边中部位置墙体的变形。

3)逆作基坑沿地连墙水平方向，其侧向变形曲线呈锅底状，墙体最大位移发生在墙体深度的中部位置;纵向中部区域变形较大且变化剧烈，而墙顶与墙底位置水平变形较小，且变化平缓。

[1]刘建航.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

[2]孙钧.市区地下连续墙基坑开挖对环境病害的预测与防治[J].西部探矿工程，1994，6(5):1-7.

[3]徐至均，赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社，2002.

[4]赵锡宏，李蓓，杨国祥，等.大型超深基坑工程实践与理论[M].北京:人民交通出版社，2004:58-78.

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