赵 平

(铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000)

近年来，我国的基坑工程规模逐渐扩大加深，工程所处的地质环境也越来越复杂，这对基坑的施工以及支护结构的设计提出了更高的要求[1-2]。为保证基坑正常施工及防止基坑施工对环境造成不良影响，需严格控制基坑施工过程中围护结构变形，以免围护结构变形过大造成基坑破坏或坑外建筑损坏[3-4]。鉴于此，深基坑施工的变形控制和周边环境的保护问题正越来越引起设计和研究人员的重视。现有的基坑开挖变形影响研究主要采用三种方法：现场监测[5-6]、模型试验[7-9]和数值模拟[10-12]。本文在总结前人研究成果的基础上，以合肥地铁二号线附近某基坑开挖工程为依托，运用有限元软件MIDAS-GTS进行了数值计算，并将现场监测数据与数值模拟结果进行对比分析。在此基础上深入分析了深基坑支护结构变形的影响因素。研究结果对类似地区深基坑开挖工程围护结构初步设计、信息化施工具有指导意义。

1 工程概况

本文研究对象为合肥地铁二号线附近某深基坑开挖工程，该基坑周边交通繁忙、建筑物密集、基坑周边有生活管线。该基坑平面形状为矩形，基坑长、宽分别为60 m、40 m，开挖深度为12 m。基坑开挖遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，支护形式采用地下连续墙+内支撑。其中，内支撑直径为800 mm，位置在距离地表以下-2 m、-6 m以及-9 m处，地下连续墙埋深为18 m，厚度为800 mm。基坑共分4次开挖，开挖深度分别为2 m、4 m、3 m、3 m。根据岩土工程详细勘察报告，简化后的土层为4层，具体参见基坑典型剖面图(见图1)，相关力学参数如表1所示。

图1 基坑典型剖面图

表1 计算模型力学参数

2 建模与计算

2.1 基本假定

由于施工过程和现场工程条件比较复杂，为了便于计算，数值模型设计有必要对实际情况进行一定简化[13]，本研究基本假设如下：(1)土体为理想的弹塑性材料；(2)各层土体连续且均匀分布；(3)不考虑地下水对围护结构变形的影响；(4)地下连续墙和内支撑均为弹性体；(5)同一种材料为均质、各向同性。

2.2 建立模型

参考刘建航院士的研究成果[14]，考虑工程实际情况，本文建立的整体三维模型长(x)、宽(y)、高(z)分别为：160 m、140 m、60 m，远大于预计基坑开挖影响范围。边界约束条件：地表为自由面，深基坑模型底部边界采用固定支撑(即限制 X、Y 和 Z 三个方向位移)，两侧外边界采用滚动支撑即仅限制(X或Y方向)位移。数值模型采用摩尔库伦本构关系。模型支护结构的具体参数如表1所示。模型中土体为3D实体单元，地下连续墙采用2D板单元，基坑内支撑采用1D梁单元。整体三维模型网格划分情况如图2所示。数值模型共计182665个单元，190510个节点。考虑到该基坑周边存在交通繁忙、建筑物密集等情况，在距基坑边缘4 m范围内施加大小为22 kPa的竖向均布荷载。

图2 三维有限元模型

2.3 模拟施工

根据实际施工开挖顺序，通过MIDAS GTS软件中提供的“钝化”功能模拟基坑开挖的过程，应用“激活功能”实现围护结构的施工，具体施工工况内容如表2所示。结合该基坑开挖变形的特点，选取有代表性的测点进行研究，本次研究主要侧重研究位于基坑长边中部(JC1测点)、基坑短边中部(JC2测点)以及基坑端部坑角位置处(JC3测点)围护结构不同深度水平变形规律，基坑监测位置示意图见图3。

表2 基坑开挖工况具体内容

图3 监测位置示意图

2.4 现场监测方案设计

为了确保基坑工程施工的安全，有必要对该工程施工过程进行监测，根据监测数据，及时调整开挖速度及位置，防止因围护结构变形过大而造成工程事故。依据相关规范和要求，结合施工现场的具体情况，制定了本次研究的监测方案，具体内容为：地下连续墙水平位移采用ZCX-2型测斜仪进行监测，测斜管组装后绑扎在连续墙钢筋笼上，随钢筋笼浇注在混凝土中。测斜管两头需要加以密封，防止混凝土浇筑时，部分砂浆进入孔内，造成后期无法监测。测斜仪的工作原理为[15]：通过摆锤受重力作用，对测斜探头轴线与铅垂线之间的倾角进行测量，进而针对垂直位置各点的水平位移进行测量。当桩体产生位移时，埋入桩体中的测斜管随桩体同步位移，测斜管的位移量即为桩体的位移量。测斜管沿墙四周均匀布置，限于篇幅，本次研究选取了有代表性的3根测斜管(分别位于JC1测点、JC2测点和JC3测点)监测数据进行对比研究，所选取的研究对象测斜管的监测位置如图3所示。

3 结果分析

3.1 支护结构各测点水平位移分析

通过对比分析图4可知，JC1 测点的不同深度位置，其水平位移受基坑开挖的影响不同，同时不难发现围护结构最大水平位移值出现在开挖面附近。此外，JC1测点在同一深度的水平位移也在随着开挖深度的变化而不断变化，且呈现出相似的“内凸”规律。具体来看，开挖1时，围护结构水平位移值较小，最大值约为4 mm，出现在深度为0的位置，且随着深度的增加，水平位移值不断减小。这是因为开挖1为基坑开挖初期，土体开挖量较小，开挖形成的基坑内外土压力差值不大，位移变化较小。开挖2时，水平位移发展明显，且随着测点深度的增加呈现出先增大后减小的规律，最大水平位移值约为9.0 mm，最大值出现在深度为-6 m(开挖面)附近。同时，开挖3时，最大水平位移值约为14 mm，出现在深度为-9 m附近。此外，开挖4时，最大水平位移值约为18 mm，出现在深度为-12 m附近，最大水平位移小于报警值20 mm。可见，围护结构水平位移随着基坑开挖深度的增大而不断增大，最大水平位移发生在开挖面附近。此结论与麻凤海教授等[16]在研究复杂条件下深基坑围护结构变形演化规律中得到的结论一致。因此，施工时应加强基坑中部围护结构水平方向的监控与管线的保护。

图4 JC1测点水平位移曲线图

从图5中可以看出，基坑开挖在基坑短边中间部位引起的围护结构水平位移变化规律与JC1测点水平位移基本一致，限于篇幅，不再赘述。当开挖工况相同时，同一深度情况下JC2测点水平位移比JC1测点水平位移略小。如：基坑开挖至-12 m时，当测点深度为12 m时，JC2、JC1测点水平位移分别约为13 mm、18 mm。这是因为JC1测点所在位置临空开挖面更大，且存在一定的空间效应。由图6可见，JC3测点水平位移变化规律基本与JC1、JC2测点一致。观察易知，JC3测点水平位移最大值仅约为4 mm，远小于JC1的18 mm和JC2的13 mm。这是由于JC3测点位于坑角位置，该部位两个方向围护结构会产生相互的约束作用，基坑的空间效应更为明显。此结论与学者李福林[17]在研究软土地区狭长型深基坑开挖引起深层土体变形分析中得到的结论相一致。

图5 JC2测点水平位移曲线图

图6 JC3测点水平位移曲线图

3.2 数值模拟与现场实测对比分析

图7为基坑开挖完成时JC1、JC2 与JC3 三个监测点不同深度水平位移数值模拟结果与现场监测对比图。不难发现施工现场实测值与数值模拟两者数值并不完全一致，但变化趋势大致相似，数值较为接近，证明该数值模型精度符合要求。具体来看，数值模拟的最大值约为18 mm，现场监测的最大值约为18.5 mm，均小于报警值20 mm，围护结构最大水平位移均发生在开挖面附近位置。此外，实测数据略大于模拟计算结果，这主要是由于建模时采取了许多简化假定，而实际基坑开挖过程不可避免地受到周边其它因素的影响。可见数值模型精度符合要求，具有一定的参考价值。以此为基础可进一步开展影响围护结构变形的因素分析。

图7 基坑开挖完成时数值模拟与监测对比图

4 影响围护结构变形因素分析

基坑围护结构的最终水平变形与基坑开挖过程中许多因素有关，学者苏颜曦等[18-19]的研究成果显示，基坑开挖时影响基坑变形的因素主要有自然因素、设计因素以及施工因素。限于篇幅，在这里仅讨论自然因素中的土体抗剪强度指标以及设计因素中地下连续墙的相关参数的改变对围护结构水平变形的影响。研究对象选取有代表性的基坑长边中点JC1测点，具体位置参见前文图3。

4.1 土体抗剪强度指标改变对围护结构变形的影响

根据摩尔库伦准则，土体的抗剪强度指标主要有粘聚力和内摩擦角[20]。为研究土体抗剪强度指标对支护结构变形的影响，分别单独改变粘聚力和内摩擦角取值，具体内容见表3。分别建立三维数值模型进行数值模拟，具体结果见图8和图9。计算结果中影响因素值改变对围护结构最大水平位移值的影响见表3。不难看出，土体抗剪强度的改变不影响基坑开挖对围护结构水平变形的趋势，另外，土体抗剪强度指标越大，对控制围护结构的变形也越有利，但是增加到一定程度这种抑制效果将不再明显。这是因为随着土体抗剪强度的增加，提高了土体自身的承载力和稳定性，达到约束其变形的效果。这一研究结论与学者姜波[21]在研究深基坑支护结构变形特性中得到的结论相吻合。

表3 影响因素值改变对围护结构最大水平位移影响

图8 粘聚力对围护结构水平位移影响

图 9 内摩擦角对围护结构水平位移影响

4.2 地下连续墙参数改变对围护结构变形的影响

为研究地下连续墙相关参数对围护结构变形的影响，分别单独改变地下连续墙厚度和嵌固深度取值，具体内容见表3。分别建立三维数值模型进行数值模拟，具体结果见图10和图11。计算结果中影响因素值改变对围护结构最大水平位移值的影响见表3。可以看出，地下连续墙参数改变对围护结构变形的影响规律与土体抗剪强度指标改变的影响基本一致。通过观察不难发现，适当增加地下连续墙的厚度和地下连续墙的嵌固深度，可以有效地抑制基坑围护结构水平位移，但是增加到一定程度时，这种抑制基坑变形的效果十分有限。这是因为地下连续墙厚度及嵌固深度的增加，使得围护结构的侧向刚度变大，围护结构抵抗变形的能力增强，但盲目加大地下连续墙的厚度和地下连续墙的嵌固深度还会大大增加基坑开挖支护成本。

图10 地下连续墙厚度对围护结构水平位移影响

图11 地下连续墙嵌固深度对围护结构水平位移影响

5 结论

本文通过数值计算和现场监测相结合的方法，分析了基坑开挖过程中围护结构水平位移的发展规律，主要得出以下四点结论：

(1)围护结构水平位移对基坑开挖深度较敏感，且随着基坑开挖深度的增大而不断增大，水平位移曲线呈“内凸”形，最大水平位移出现在开挖面附近。

(2)围护结构水平位移具有明显的空间效应，基坑长边测点水平位移最大，短边测点次之，坑角最小。基坑开挖施工期间应注意加强基坑长边中间部位附近地下管线的保护。

(3)土体抗剪强度越大，对于基坑支护结构变形的约束效果越好，但是随着抗剪强度的增加，对支护结构的约束效果越不明显；增加地下连续墙的厚度和嵌固深度，可以有效抑制围护结构的位移，但施工成本也会大大增加。因此在基坑设计时应充分考虑各个方面的因素，在保证变形强度要求的前提下，降低施工成本。

(4)该深基坑开挖过程中施工现场实测值与数值模拟变化规律相似，表明数值模拟技术在该地区深基坑开挖工程中的应用可行，研究结论可为类似工程参考借鉴。