大型平面异形基坑地下连续墙的优化设计

刘新龙，张智朋

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

基坑工程中，支护结构至关重要。地下连续墙主要用于开挖深度大于10 m的深基坑工程，作为支护结构，地连墙不仅被用于挡土、止水结构，而且也作为基坑主体结构使用。若设计偏于保守可能会造成很多不必要的浪费，若为了追求经济效益，设计偏差太大，可能会酿成更大的工程事故[1]。因此，对是必要的。文献[2]利用三维有限元模拟方法分析内外坑开挖过程中外坑地下连续墙的变形以及外坑连续墙最大水平位移与内外坑间距的影响关系。文献[3]基于敏感环境下基坑数值模拟分析中土体本构模型，分析了地连墙水平变形，对地下连续墙进行优化设计。文中基于工程地质与水文地质条件，采用MIDAS GTS NX软件对基坑工程支护结构进行三维建模分析，分析基坑变形规律，为基坑支护施工提供参考。

1 工程及地质概况

广州市某地铁车站为地下四层箱型结构，外包长度185 m，基坑支护采用明挖顺作法施工，基坑长为82.0 m，宽为58.9 m，基坑开挖深度约为31.48 m；附属结构共有4个出入口及3组活塞风亭。车站两端暗挖站台层隧道长103 m。按照使用功能空间关系和施工规范[4]初步将基坑支护体系确定为地下连续墙+五道内支撑支护型式，支护结构为砼支撑，共计63 幅，临时中立柱27 根。第一道对撑为800 mm×1 000 mm钢筋砼支撑，水平间距9 m，斜撑采用600 mm×800 mm的砼支撑，冠梁为1 000 mm×1 000 mm；第二道对撑采用1 000 mm×1 200 mm钢筋砼支撑，间距9 m，1 000 mm×1 200 mm钢筋砼腰梁，斜撑采用800 mm×1 000 mm的砼支撑；第三、四道对撑采用1 000 mm×1 200 mm钢筋砼支撑，间距9 m，1 000 mm×1 200 mm钢筋砼腰梁，斜撑采用1 000 mm×1 000 mm的砼支撑；第五道对撑采用800 mm×1 000 mm钢筋砼支撑，间距9 m，1 000 mm×1 000 mm钢筋砼腰梁，斜撑采用800 mm×800 mm的砼支撑。

地层自上而下的地质情况详见表1。

表1 地层地质参数统计表

2 建立模型

2.1 模型简化及边界条件

采用MIDAS GTS NX软件进行三维建模分析，为提高计算效率，适当简化计算模型，做出合理假设：① 土体材料采用Mohr-Coulomb准则；② 假定各土层为成层分布；③ 内支撑、冠梁、腰梁和立柱采用梁单元进行模拟；④ 水位已降到基坑坑底以下，不考虑地下水的渗流作用；⑤ 模型边界取基坑开挖深度的3倍，深度取基坑开挖深度的2倍[4-6]。

定义模型的边界条件：顶面为自由边界，侧面水平方向约束，底面水平和垂直方向都约束，立柱底端约束Z轴的旋转。

2.2 模型材料属性

结合实际工程的地质勘察报告，该工程的材料参数见表2～3。

2.3 模拟施工工况

MIDAS GTS NX软件中，通过激活或钝化网格组来模拟相应的工况，按照施工步骤来定义本模型的施工工况：① 施工地下连续墙；② 开挖至距地面-2 m处，在-1 m处施作第一道支撑，并施工立柱；③ 开挖至距地面-9 m处，在-8 m处施作第二道支撑；④ 开挖至距地面-15 m处，在-14 m处施作第三道支撑；⑤ 开挖至距地面-22 m处，在-21 m 处施作第四道支撑；⑥ 开挖至距地面-28 m处，在-27 m处施作第五道支撑；⑦ 开挖至基底。

运用MIDAS GTS NX软件，按照上述步骤建立三维模型，共有55 070个单元，54 340个节点，基坑整体模型和地下连续墙模型如图1～2所示。

表2 土层材料参数

表3 围护结构材料属性

图1基坑整体模型
Fig.1 Integral model ofthe foundation pit

图2地下连续墙模型

Fig.2 Underground continuous wall model

3 数值分析

3.1 计算结果及分析

该基坑工程并不是规则的矩形形式，长边即X轴方向有一定的倾斜角度。现分析随着基坑开挖，不规则截面与规则截面的位移变化情况。地连墙墙厚1 m，嵌固深度10 m时，计算得到各个工况开挖时的位移云图如图3～4所示。

从云图上提取出每个开挖工况施工时，地连墙长边的最大水平位移和最大水平位移出现的深度，见表4～5。

从云图上提取出每个开挖工况施工时，地连墙短边的最大水平位移和最大水平位移出现的深度，见表6～7。

图3 各开挖工况下基坑长边的位移

工 况①②③④⑤⑥位移/mm2.075.305.879.3211.2012.90深度/m-11-17-19-17-19-22

表5 斜截面的最大位移和深度(长边)

图4 各开挖工况下基坑短边的位移Fig.4 Displacement of the short side of foundation pits under excavation conditions

工 况①②③④⑤⑥位移/mm2.305.815.238.539.9710.30深度/m-14-19-11-17-19-19

表7 短边的最大位移和深度(斜截面)

基坑开挖过程中，基坑长边负向斜截面的水平位移如图5所示，基坑长边正向正截面如图6所示，各个工况下地下连续墙的最大水平位移如图7所示。其中X1为基坑长边正向正斜面最大位移，X2为基坑长边负向斜截面最大位移，Y1为基坑短边正向正截面最大位移，Y2为基坑短边负向正截面最大位移。

图5 基坑长边负向斜截面的水平位移

图6 基坑长边正向正截面的水平位移

图7 各工况下最大水平位移

由图5可以看出，随着基坑开挖，地下连续墙的水平位移逐渐增大，基坑开挖完成后，地下连续墙的最大水平位移16.9 mm。沿着基坑深度方向，地下连续墙的水平位移逐渐增加，每一工况下，地下连续墙的最大水平位移总是出现在地下连续墙的中下部位置，总体呈现两端位移小，中间位移大的特点，基坑开挖完成，最大水平位移出现在-19 m处。

图6为沿着基坑长边地下连续墙的正截面选取一组节点，得到各开挖工况下水平位移的变化曲线。从图6中发现，基坑水平位移变形趋势与斜截面一致，呈现两端位移小，中间位移大的特点。但随着基坑开挖，地连墙顶端位移向坑外侧移动。这是因为随着基坑开挖时地连墙顶端会受到内支撑的约束作用。

基坑长边正截面的最大水平变形是12.9 mm，出现在-22 m处，基坑长边斜截面的最大水平变形是16.9 mm，出现在-19 m处，改变了4 mm；而基坑短边正向与负向正截面的最大水平变形分别是10.3 mm和10.7 mm，改变了0.4 mm。基于以上数据分析，当基坑平面呈现不规则形式时，基坑的最大侧向变形发生在不规则边，实际工程中应加强对这一薄弱区域的监测控制。

3.2 墙厚的优化分析

对于墙厚分别为0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m的地下连续墙进行有限元分析，得到基坑侧向变形曲线图、基坑地表沉降曲线图,如图8～9所示。

图8 基坑侧向变形

图9 基坑地表沉降

连续墙厚度为1.2 m时，基坑的最大水平变形为14.87 mm；连续墙厚度为1.0 m时，基坑的最大水平变形为17 mm；连续墙厚度为0.8 m时，基坑的最大水平变形为20.03 mm；连续墙厚度为0.6 m时，基坑的最大水平变形为23.88 mm。随着地连墙墙厚增加，对水平变形的影响越来越小。

地连墙厚度设置为0.6 m时，最大地表沉降量达到-15.91 mm；地连墙厚度设置为0.8 m时，最大地表沉降量达-14.21 mm；地连墙厚度为1.0 m时，地表最大沉降量为-12.98 mm；地连墙厚度为1.2 m时，地表最大沉降量为-12.79 mm。随着地连墙墙厚增加，对地表沉降的影响越来越小。

现以位移安全储备系数为指标，综合分析地下连续墙墙厚增加时，对水平变形与地表沉降的整体影响趋势，图10为不同墙厚的位移安全储备系数曲线。

图10 不同墙厚的位移安全储备系数曲线

3.3 嵌固深度的优化分析

对于地连墙嵌固深度分别为6 m，8 m，10 m，12 m进行有限元分析，结果如图11～12所示。

图11～12表明随着地连墙嵌固深度增加，对水平变形的影响越来越小，对竖向沉降的影响越来越小。

图11 不同嵌固深度对基坑水平变形的影响

图12 不同嵌固深度对基坑周边地表沉降的影响

以位移安全储备系数为指标，综合分析地下连续墙嵌固深度增加时，对水平变形与地表沉降的整体影响趋势，图13为不同嵌固深度的位移安全储备系数曲线。

图13 不同嵌固深度的位移安全储备系数曲线

本基坑工程预警值为25 mm，施工控制值为20 mm，当地下连续墙嵌固深度为6 m时，基坑水平变形的安全储备系数为-3.76%，竖向变形的安全储备系数为23.75%；当嵌固深度为8 m时，基坑水平变形的安全储备系数为17.52%，竖向变形的安全储备系数为30.20%；当嵌固深度为10 m时，基坑水平变形的安全储备系数为32.00%，竖向变形的安全储备系数为35.10%；当嵌固深度为12 m时，基坑水平变形的安全储备系数为34.12%，竖向变形的安全储备系数为37.10%；位移安全储备系数随地连墙的嵌固深度增加逐渐趋于平缓。

4 结 论

通过建立不同墙厚与不同嵌固深度的三维模型，分析不同墙厚与嵌固深度对基坑变形的影响规律，得出的主要结论为

1) 基坑开挖过程中，随着墙厚增加，基坑变形逐渐减小。当墙厚增加，变形的位移安全储备系数逐渐增大并最终趋于平缓，说明地下连续墙的厚度存在临界值。当厚度从1.0 m增加到1.2 m时，位移安全储备系数分别变化了8.52%和0.95%，可以发现，沉降的安全储备系数仅仅变化了0.95%，结合安全与经济效益综合考虑，地连墙的墙厚宜选用1 m。

2) 地下连续墙嵌固深度增加，变形的位移安全储备系数逐渐增大并最终趋于稳定，说明嵌固深度同样存在临界值，当超过此临界值时，嵌固深度一味增加，对基坑变形的影响效果甚微。基于安全与经济效益考虑，结合该基坑的地质情况，嵌固深度的临界值宜取10 m。