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地下通道变形受不同深基坑开挖与支护方式的影响探究

2020-12-28 113 上传者：管理员

摘要：以某地下通道工程为背景，重点围绕其深基坑开挖与支护方式展开探讨，根据信息创建弹塑性数值仿真模型，取多种支护条件，经过方案对比后确定相适应的方案，希望所提的内容可作为类似工程的参考。

关键词：
变形分析
地下通道
基坑开挖
支护方式
深基坑开挖
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1、引言

在城市化进程推进的背景下，地下空间开发成为解决用地资源紧张问题的重要突破口。地下空间普遍建设在城市核心区域的下方，不同深基坑开挖与支护方式所创造的应用效果具有差异性，且以地下通道的变形最为明显。

2、工程概况

本工程所在建设区域为滨海平原相地貌，通过钻孔的方式揭露施工现场的地质条件，共包含7个层次，其在结构特性、地层成因等方面都具有差异性，并且第(2)层和第(5)层的土质更为特殊，均可细分为多个亚层。地基土类型丰富，包含黏土、淤泥质黏土等。

3、深基坑开挖支护的方案

3.1方案一：钻孔灌注桩结合止水帷幕+水平内支撑

以挖深为主要依据，配置合适规格的钻孔管桩，发挥围护桩的作用，于桩结构外侧设水泥土搅拌桩止水帷幕，具体结构如图1所示。灌注桩成型后，在其顶部配置压顶梁，被动区则设置双轴水泥土搅拌桩，在其作用下实现有效加固。工程实践表明，钻孔灌注桩结合止水帷幕的方式取得广泛应用，其技术较为成熟，可充分发挥桩体结构的优势，伴随使用时间的延长，桩身强度逐步提高[1]。

图1钻孔灌注桩结合止水帷幕平面示意

根据现场情况确定基坑开挖流程，主要有：（1）土体初始应力场平衡，搭建稳定的围护结构；（2）组织第1级开挖作业，深度为1m，配套水平支撑；（3）组织第2级开挖作业，深度为4.2m，配套水平支撑；（4）组织第3级开挖作业，深度为3.4m，设底板；（5）组织第4级开挖作业，深度为3m，设底板。

以基坑开挖面为基准，如图2所示，周边地下通道与之形成的最小间距为18m，衬砌厚度1m。止水帷幕采取的是准0.85m水泥土搅拌桩，长30m；此外，设准1m的钻孔灌注桩，长22m。根据现有信息创建多孔介质弹性模型，基本参数为：应力比为1.4；泊松比为0.35。修正剑桥模型的参数主要有：Wet屈服表面尺寸为1；流动应力比为1。建模均建立在现场各深度范围内的土层都为均质土的前提下，且暂不考虑地下水的耦合作用。模型的土体、基坑围护和地下通道均进行网格划分处理，形成若干个CPE4R单元。

图2方案一基坑开挖二维平面模型图（单位：m)

3.2方案二：SMW工法桩+水平内支撑

配套单排850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩，与此同时，该结构内置H700×300型钢，由此构成完整围护桩。通过水泥土搅拌桩的设置，可发挥止水作用，内插H型钢作业后，提高了桩体挡土能力。桩体基本尺寸参数为直径0.85m、长30m。根据桩体与土体的位置关系以及结构特点，确定其为面-面接触形式，摩擦系数取0.3。

4、结果分析

根据工程实际情况，取典型剖面并在此基础上展开二维数值模拟分析。创建多孔介质弹性模型，将其与土体的修正剑桥模型联用。围护结构主要为地连墙的方式，施工所用材料为C30混凝土，此材料的弹性模量为3×107kPa，由此对围护结构的线弹性模型展开分析，得知其弹性模量为2.4×107kPa。根据地下通道的结构特点，将其设为线弹性模型，弹性模量取2.0×108kPa。

4.1对基坑周围土体水平位移的分析

以上述2种方案为依据，分别探讨基坑分步开挖期间分布在现场周边的土体所形成的水平位移情况，此处取距基坑4m、8m、12m及16m处，分别分析水平位移情况。根据分析可知，在开挖深度逐步加大的条件下，土体产生的水平位移量增加；若与基坑间距越大，其对应的土体水平位移越小；深度增加时，土体的水平位移量逐步减小。

4.2对基坑周围土体沉降的分析

围绕周边土体的沉降情况展开分析，此处取距基坑4m、8m、12m及16m处，分别分析各自的沉降情况。根据分析可知，在开挖深度逐步加大的条件下，土体的沉降变化具有趋同性。以相同的开挖深度增量为前提，应用方案一后所带来的周边土体沉降相对更小，说明方案一的围护结构更具有可行性，能够有效减小土体沉降。

4.3地下通道变形对比分析

各工况条件下，2种方案的应用效果具有差异性，分别分析左侧地道的水平位移情况。根据分析可知，无论采取何种方案，左侧地道水平位移的变化规律都保持一致，但相比之下，方案一的水平位移偏差相对较小。第1级基坑开挖时，方案一几乎不存在水平位移，方案二的水平位移为0.6mm；第2级基坑开挖时，方案一的水平位移最大为0.7mm，影响相对微弱，方案二的水平位移则增加至2.1mm，且都具有线性变化特点，发生位置集中在地道顶部；第3级开挖时，2种方案造成的最大水平位移都有变化：方案一1.86mm；方案二1.88mm，所处位置都集中在地道顶部。最后，进入第4级开挖时，最大水平位移分别为方案一3.7mm、方案二4.8mm，所处位置未发生变化，即地道顶部[2]。

根据分析可知，在开挖深度逐步增加的条件下，所提的2种方案在变化规律方面具有一致性。对比来看，以方案一的沉降偏差相对较小。

5、结语

以所提的2种基坑支护方案为立足点，选择典型剖面后对其展开ABAQUS二维数值模拟。基坑开挖采取分4级依次到位的方式，较特殊的是最后一级，该处开挖对象为下沉区域。分别对各自的邻近矩形地下通道变形情况展开对比分析。具体做如下总结：

1）开挖深度逐步加大时，土体产生的水平位移也表现出同步增加的变化趋势。各级基坑开挖时，若与基坑的距离越远，其对应的土体水平位移则越小，且在深度方向上也具有类似的规律，深度的增加则带来位移量的减小。综合考虑基坑围护结构的变形特点，通过对比分析后可知，若与基坑的间距越小，此时土体的变形特点与之具有越强的趋同性。

2）开挖深度逐步加大时，2种方案在土体沉降方面的表现相类似。从沉降角度来看，方案一的表现更好，其沉降相对较小。此外，若开挖深度增加，此时土体的沉降也将同步加大。由此说明，采用方案一后，虽然围护结构依然会导致周边土体发生沉降现象，但幅度相对较小。

参考文献：

[1]张军,李昌辉,罗朝荣.相邻基坑相互影响的数值分析[J].公路与汽运,2020(2):141-146.

[2]李鑫.基坑开挖对地下通道结构影响的数值模拟分析[J].山西建筑,2020(6):68-71.

李金萍.不同深基坑开挖与支护方式对地下通道变形的影响[J].工程建设与设计,2020(24):34-35.