武文永，曹雪山

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210000）

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要內(nèi)容和發(fā)展方向。南京正在大力發(fā)展地鐵建設(shè)，雞鳴寺站周圍建筑密集，地質(zhì)情況復(fù)雜，周圍環(huán)境保護(hù)的要求較高，因此該站圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻，為了確?；邮┕さ陌踩唾|(zhì)量，地下連續(xù)墻的變形控制便成為了關(guān)注的重點(diǎn)。Ou[1]分析臺(tái)北地區(qū)粉質(zhì)砂土和粉質(zhì)粘土交互地層區(qū)域8個(gè)實(shí)例，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形與基坑開挖深度（H）比值在0.2%～0.5%。徐中華［2］對(duì)上海軟土地區(qū)93個(gè)基坑工程監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的最大側(cè)移基本介于0.1%H和1.0%H之間，平均值約為0.42%H；地下連續(xù)墻最大側(cè)移位置大致位于開挖面附近，并分析了墻底以上軟土厚度、支撐系統(tǒng)剛度、插入比、坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)、首道支撐位置等因素對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響。喬亞飛［3］對(duì)無錫地區(qū)深基坑工程地下連續(xù)墻變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移介于0.05%H和0.25%H之間，平均值約為0.12%H；最大側(cè)移介于0.7H和1.1 H之間，均值約為0.9 H；并分析了開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比、首道支撐位置對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響。李淑［4］對(duì)北京地區(qū)基坑工程地下連續(xù)墻變形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻最大側(cè)移介于0.04%H和0.218%H之間，平均值約為0.103%H。上述文獻(xiàn)中，不同地區(qū)地下連續(xù)墻最大側(cè)移變化幅度很大，那么雞鳴寺站設(shè)計(jì)中地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值為32mm的取值是否合理，為了控制變形可以采取哪些措施都值得討論。因此，本文結(jié)合南京地鐵三號(hào)線雞鳴寺深基坑工程，通過數(shù)值模擬與基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合研究該基坑工程地下連續(xù)墻的變形特點(diǎn)，為同類地層地區(qū)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

雞鳴寺站車站外包總長178.26m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.3m，開挖深度26m，車站采用明挖順作、局部蓋挖順作法施工，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000mm地下連續(xù)墻，平均樁長34.2m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層≥1.5m。車站自上而下共采用五道支撐，第一、第四道支撐為1 000×1 000鋼筋混凝土支撐，第二、三、五道支撐為φ609×16鋼管支撐，五道支撐分別位于距樁頂0，7，13，17，22m處?；娱_挖深度范圍內(nèi)，主要為雜填土、粉砂夾粉土、粉土夾粉砂層。

2 地下連續(xù)墻變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖1是雞鳴寺地鐵車站深基坑工程接近基坑長邊中部位置的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同開挖深度下的深層水平位移曲線，從圖1中可以看出:

1）深層水平位移曲線呈現(xiàn)為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，這與劉建航[5]的研究結(jié)果相一致。第一道混凝土支撐剛度大，墻頂幾乎沒有位移，隨著基坑的開挖，墻體腹部向坑內(nèi)移動(dòng)，而墻底進(jìn)入風(fēng)化巖層，地下連續(xù)墻底部幾乎沒有位移。因此，地下連續(xù)墻的深層水平位移曲線呈現(xiàn)拋物線形。

2）最大側(cè)移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移，但是開挖超過23m之后最大側(cè)移位置不再下降。基坑開挖過程中圍護(hù)墻在兩側(cè)壓力差的作用下產(chǎn)生水平向位移，在開挖面附近壓力差最大[6]，因此最大側(cè)移位置一般位于開挖面附近。

開挖23m時(shí)，地下連續(xù)墻最大側(cè)移為深度21.5m處的46.75mm，開挖至坑底26m時(shí)，地下連續(xù)墻最大側(cè)移為深度21.5m處的53.59mm?？梢婇_挖超過23m后最大側(cè)移位置沒有下降。雞鳴寺站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20m以下為性質(zhì)較好的粘土。在開挖粉砂土層時(shí)上部連續(xù)墻體就已經(jīng)產(chǎn)生較大變形，開挖至坑底時(shí)反而產(chǎn)生的變形較小。而且基坑第四道支撐采用混凝土支撐，剛度較大，而且剛性連接可以增加圍護(hù)體系的整體剛度，減小連續(xù)墻體的變形。因此，易變形土層的深度以及支撐形式的選擇都會(huì)影響連續(xù)墻體最大變形位置，在開挖易變形土層時(shí)注意對(duì)連續(xù)墻體變形的控制以及深層支撐適當(dāng)選擇混凝土支撐，這對(duì)減少基坑整體變形有重要意義。

3）本工程設(shè)計(jì)中32mm的監(jiān)測(cè)報(bào)警值偏小?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范GB50497-2009》中地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值建議取值40～50mm，或0.4%H至0.5%H；南京處于軟土地區(qū)，根據(jù)Ou、徐中華研究結(jié)果地下連續(xù)墻最大側(cè)移均值約為0.3%H至0.42%H；本工程最終變形53.59mm，比報(bào)警值大67%。

4）基坑暴露時(shí)間越長，變形增長越快。開挖18～23m之間土層用了46天，開挖至23m變形明顯增加；第五道支撐架設(shè)完成后15天之內(nèi)開挖至坑底，所以開挖至26m變形趨于平緩。由此可見暴露時(shí)間對(duì)基坑變形有著重要的影響，這也符合時(shí)空效應(yīng)原理[7]。

圖1 地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測(cè)值Fig.1 Monitored results for horizontal displacementof the diaphragm wall

3 連續(xù)墻變形數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

本文用巖土工程有限元分析軟件PLAXIS2D對(duì)基坑的開挖進(jìn)行計(jì)算分析。

由于基坑幾何模型的對(duì)稱性，分析時(shí)只考慮其一半（左邊）。根據(jù)基坑的實(shí)際尺寸取土層邊界為寬71m，深50m。計(jì)算時(shí)采用15節(jié)點(diǎn)三角形平面單元模擬巖土體；土體材料模型采用HS模型[8]；用板單元模擬地下連續(xù)墻；采用界面單元模擬連續(xù)墻兩側(cè)與土作用面，通過給界面選取合適的界面強(qiáng)度折減因子考慮結(jié)構(gòu)與相鄰?fù)馏w之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角；用錨錠桿模擬橫向支撐；并對(duì)地下連續(xù)墻附近網(wǎng)格進(jìn)行加密；模型的底部邊界施加完全固定約束，左側(cè)邊界施加水平向約束，右側(cè)邊界施加對(duì)稱邊界條件；計(jì)算過程中不考慮地下水位[9]。具體數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

由上至下基坑土層分布及其基本計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 雞鳴寺基坑土層計(jì)算參數(shù)Tab.3 Soil parametersof Jimingsipit

3.2 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖3為開挖至坑底時(shí)，計(jì)算模型的總應(yīng)力圖，圖中表明深度10m左右墻體所受壓應(yīng)力達(dá)到100 kN·m-2。圖4為開挖至坑底時(shí)地下連續(xù)墻深層水平位移計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值沿深度變化曲線。開挖至坑底時(shí)地下連續(xù)墻最大側(cè)移計(jì)算值為50.44mm，位于墻頂以下24m；而監(jiān)測(cè)結(jié)果表明地下連續(xù)墻最大水平位移為53.59mm，位于墻頂以下21.5m。計(jì)算得到的地下連續(xù)墻水平位移最大值位置較實(shí)測(cè)值偏小，地下連續(xù)墻水平位移分布模式以及數(shù)值大小與實(shí)測(cè)結(jié)果比較符合。上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，此實(shí)例參數(shù)的選擇具有較高的可靠性。

圖2 雞鳴寺基坑PLAXIS2D計(jì)算模型Fig.2 PLAXIS2Dmodel for Jimingsipit

圖3 最終總應(yīng)力圖（單位：kN·m-2）Fig.3 Final total stress

3.3 地下連續(xù)墻變形特性影響因素分析

3.3.1 第四道支撐形式對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響

本工程第一、第四道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。為了研究第四道混凝土支撐對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響，控制其他影響因素一致，假定第四道支撐采用鋼支撐，對(duì)基坑的變形進(jìn)行計(jì)算，圖5為第四道支撐采用鋼支撐的計(jì)算值與第四道支撐為混凝土支撐的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖。從圖5中可以看出第四道支撐為鋼支撐時(shí)地下連續(xù)墻水平位移最大值為57.68mm，距樁頂24m。對(duì)比第四道支撐采用混凝土支撐形式的計(jì)算值，地下連續(xù)墻最大位移增大了14%，最大值位置沒有改變?？梢姴捎没炷林慰梢詼p小地下連續(xù)墻的變形。因此當(dāng)基坑變形控制要求較高或者周圍環(huán)境保護(hù)要求較高時(shí)可以在地下連續(xù)墻位移較大區(qū)域采用鋼筋混凝土支撐，可以有效抵抗基坑變形。

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison ofnumerical computing resultsand monitored ones

圖5 不同支撐形式下的深層水平位移Fig.5 Horizontal displacementwith differentsupport

3.3.2 豎向支撐間距對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響

根據(jù)已有研究成果，深基坑工程支撐布設(shè)一般遵循“上疏下密”要求，而本工程第四道支撐與第五道支撐間距為5m，第五道支撐與坑底距離為4m。本工程在第四道支撐安裝之后變形明顯增加，這一現(xiàn)象除了與基坑暴露時(shí)間有關(guān)是否還和深層支撐豎向間距不夠密有關(guān)。本文分析了第五道支撐位于不同深度時(shí)開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況；增加一道鋼支撐即前四道支撐位置及型式不變，第五道支撐位于20m處，第六道支撐位于23m處開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況，結(jié)果如圖6。

計(jì)算結(jié)果表明，第五道支撐位置的變化對(duì)地下連續(xù)墻水平位移最大值，以及水平位移最大值的位置影響不大。而架設(shè)6道支撐后地下連續(xù)墻水平位移最大值為距樁頂24.5m處的43.18mm，比架設(shè)五道支撐減少了14.4%，可見架設(shè)六道支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的變形?？s小支撐間距，可以減少基坑無支撐暴露時(shí)間，符合時(shí)空效應(yīng)原理。綜上，加密深層支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的變形，僅改變最后一道支撐的位置對(duì)地下連續(xù)墻的最終變形影響不大。

圖6 改變最后一道支撐位置深層水平位移情況Fig.6 Horizontal displacementwith the lastsupport in differentpositions

4 結(jié)語

由于基坑工程的高風(fēng)險(xiǎn)性，以及需要考慮環(huán)境效應(yīng)，所以基坑工程在施工過程中需要密切注意基坑的變形情況，而地下連續(xù)墻水平位移可以反應(yīng)基坑的安全與否以及判斷周邊環(huán)境狀態(tài)，在基坑監(jiān)測(cè)中是一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文先根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析南京河漫灘地質(zhì)條件下某基坑地下連續(xù)墻的變形特性。然后采用數(shù)值分析方法分析研究了影響地下連續(xù)墻水平位移的因素。主要結(jié)論如下：

1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：本工程地下連續(xù)墻側(cè)移呈“兩頭小，中間大”拋物線型；側(cè)移最大值位置下降到21.5m后不再隨開挖深度的增加而下降；當(dāng)基坑暴露時(shí)間過長基坑變形會(huì)顯著增加。

2）本工程設(shè)計(jì)中地下連續(xù)墻監(jiān)測(cè)報(bào)警值取32mm偏小。

3）采用HS模型以及合理選擇土體、地下連續(xù)墻、支撐參數(shù)建立的模型，計(jì)算所得到的地下連續(xù)墻水平位移與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

4）該工程第四道混凝土支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的水平位移。

5）在深層增加一道支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的水平位移，小幅度改變最后一道支撐位置對(duì)地下連續(xù)墻的最終變形影響不大。

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