許宇浩，曹廣勇，高 明，毛 蕾，胡 聰

(安徽建筑大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室；c.藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

TRD作為一種新型支護(hù)與防滲止水的初支圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過將配制好的水泥漿液與原工程地質(zhì)土體進(jìn)行混合凝結(jié)成水泥土結(jié)構(gòu)，保證工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗?jié)B性要求前提下，能夠大程度地節(jié)省工期和成本。目前，研究TRD工法是一種趨勢和新的方向，也取得了許多研究成果。于新雄等[1]以一個深而大的基坑項目為例，分析了其施工過程中變形的一些發(fā)展特征。曹世勇等[2]采用MIDAS/GTS軟件模擬貴陽某醫(yī)院基坑的開挖過程,通過對冠梁、腰梁和錨的常見水平X和Y位移的研究，很好地表達(dá)了協(xié)同效應(yīng)。張遲[3]以淮安東站深基坑工程為例，總結(jié)了施工實踐中的變形位移規(guī)律，深入分析比較了不同區(qū)域開挖順序下?lián)跬翂Y(jié)構(gòu)的位移規(guī)律。王衛(wèi)東等[4-5]闡述了TRD工法攪拌墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的各類變形特性、關(guān)鍵作業(yè)技術(shù),也將其工法運用到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕的實踐中去。

本文以淮安東站深基坑項目為研究背景，運用Midas有限元軟件模擬分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)在6種不同埋深清況下對水平位移的影響；通過數(shù)值模擬結(jié)果得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的理想埋深，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，形成TRD工法攪拌墻施工方案?？蔀轭愃剖┕すr提供理論依據(jù)。

1 模型建立

本文有限元模型分別進(jìn)行止水帷幕地連墻與TRD工法墻混合結(jié)構(gòu)插入地下深度20、30、40、50、60、70 m的分析，土體的混合均勻，根據(jù)運行結(jié)果進(jìn)行互相比較。模型以淮安東站深基坑項目為背景，項目廣場基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由東邊、北邊地連墻和西邊、南邊TRD工法攪拌墻構(gòu)成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻總墻體長度尺寸為262 m×232 m(東側(cè)×北側(cè))，單塊墻體6 m，深度為49.2 m，采用H型鋼接頭+高壓旋噴方式作為接頭連接方式；圍護(hù)結(jié)構(gòu)TRD工法攪拌墻總墻體長度尺寸為232 m×258 m(西側(cè)×南側(cè))，深度為50 m，采用282根鉆孔灌注樁的圍護(hù)樁支護(hù)在TRD工法攪拌墻旁邊。

1.1 基本假定

基于淮安東站深基坑項目超大深基坑開挖的實際情況下，建立最大限度靠近實際現(xiàn)場的三維數(shù)值模擬模型，為了突出重點，更全面地研究不同深度TRD工法攪拌墻整體穩(wěn)定性、攪拌墻周圍地表沉降分析，進(jìn)行以下合理的簡化和假定：

1)主要考慮基坑開挖時對受到影響的土層進(jìn)行分析，模型建立6種均勻分布且各項同性的彈塑性土層；

2)將修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型作為模擬的本構(gòu)模型，且不計各土層彈性模量變化；

3)不計模型開挖過程中導(dǎo)致部分參數(shù)變化的因素，支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的變動固定不變，應(yīng)力應(yīng)變不隨時間變動。

1.2 參數(shù)確定

整個三維建模參照基坑工程設(shè)計圖并進(jìn)行了適當(dāng)簡化，模型尺寸確定為：站臺前廣場整個基坑及其周圍土體，豎直方向向上取到地面作為上邊界，坐標(biāo)系以水平、前后、豎直方向為X軸、Y軸、Z軸?；尤S模型如圖1所示，整個模型尺寸長度450 m、寬度450 m、深度80 m，采用自動劃分混合網(wǎng)格，模型開挖的長度、寬度為230、230 m，站前廣場富水地層超大深基坑實際開挖深度15.9 m，模型開挖深度設(shè)置為16 m，6層地層物理力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

圖1 基坑三維模型

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬及理論分析

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度對基坑穩(wěn)定性的影響

考慮到基坑施工過程中的安全因素，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，可以取支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移來研究，研究不同深度TRD工法墻對整個基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響規(guī)律，為相關(guān)實際工程提供借鑒。

深度為50 m水平位移云圖2所示，可以看出：基坑整個支護(hù)結(jié)構(gòu)每一面墻的水平位移最大值均發(fā)生在中間位置，且在開挖深度1/3～1/2之間，越靠近兩面墻體相互交叉處，其位移就越小。通過對模擬計算結(jié)果提取，灰色箭頭以及灰色豎線提取TRD工法墻的水平位移值，得到TRD工法墻不同深度下水平位移關(guān)系和不同深度下的水平位移最大值關(guān)系。

圖2 深度為50 m水平位移云圖

由TRD工法墻不同深度下水平位移關(guān)系如圖3所示，可以看出：支護(hù)結(jié)構(gòu)TRD工法墻水平位移整體是在中間深度最大，基坑頂部和支護(hù)結(jié)構(gòu)處位移最小。6種不同埋深對水平位移的影響基本都是在達(dá)到位移最大值之前的增速很快，達(dá)到頂值之后，位移開始下降，并且下降的速度相比較上升段速度緩慢，位移最大值基本位于開挖深度的1/3～1/2之間。TRD工法墻深度20 m和深度30 m的位移最大值在距離基坑頂部的3 m處，TRD工法墻深度40 m的位移最大值在距離基坑頂部的4 m處，TRD工法墻深度50 m的位移最大值在距離基坑頂部的5 m處，TRD工法墻深度60 m和深度70 m的位移最大值在距離基坑頂部的6 m處，所以隨著插入深度的增加，位移最大值會下移。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同深度下水平位移

由不同深度下的水平位移最大值如圖4所示，可以看出：TRD工法墻深度在20、30、40、50、60、70 m時的最大水平位移分別為22.8、17.4、12.0、8.4、7.1、6.5 mm。埋深20 m與埋深30 m的最大位移相差5.4 mm；埋深30 m與埋深40 m的最大位移相差5.3 mm；埋深40 m與埋深50 m的最大位移相差3.6 mm；埋深50 m與埋深60 m的最大位移相差1.3 mm；埋深60 m與埋深70 m的最大位移相差0.6 mm，可知隨著深度的加大，水平位移變化逐漸緩慢，最大水平位移也逐漸減小。當(dāng)TRD工法墻深度由50 m繼續(xù)增加到60 m時，最大水平位移減小幅度遠(yuǎn)小于TRD工法墻深度由20 m到50 m減小的幅度。TRD工法墻深度不斷繼續(xù)增大時，減小的水平位移并不顯著，觀察計算結(jié)果得出在深度50 m時，性價比較高，對實際工程影響不大，是個合適的選擇。

圖4 不同深度下的水平位移最大值

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度對地表沉降的影響

圖5為支護(hù)結(jié)構(gòu)埋深在50 m時的地表沉降等值線，可以看出：隨著距離坑邊的距離增加，沉降值越來越小，且沉降最大值一般出現(xiàn)在5～25 m范圍內(nèi)。

圖5 基坑外地表沉降等值線

為研究不同深度對基坑外地表沉降的影響分析，取圖5中灰色箭頭所指出的TRD工法墻位置取點，保證其他參數(shù)不變，計算6種工況的基坑外地表沉降，得到不同深度TRD工法墻基坑外地表沉降曲線和基坑外地表最大沉降量曲線，分別如圖6～7所示。

圖6 不同深度TRD工法墻基坑外地表沉降

由圖6可知：不管埋深多少，整體的沉降曲線形狀類似凹型，也就是沉降值隨著離基坑邊距離的增加，先快速增大，然后達(dá)到沉降最大值后，開始緩慢減小最終趨于穩(wěn)定。在深度為20～50 m之間時，沉降最大值波動較大，土體極其不穩(wěn)定，當(dāng)深度在50～70 m之間時，沉降最大值波動很小，基本穩(wěn)定在5～7 mm左右，當(dāng)離基坑邊距離超過50 m后，基坑外地表的沉降受到基坑開挖施工影響很小。

由圖7可知：TRD工法墻埋深為20 m時的最大沉降值為21.2 mm，30 m時的最大沉降值為17.6 mm，40 m時的最大沉降值為15.1 mm，50 m時的最大沉降值為7.9 mm，60 m時的最大沉降值為5.9 mm，70 m時的最大沉降值為4.6 mm；當(dāng)TRD支護(hù)結(jié)構(gòu)由20 m增大到70 m的過程中，基坑外土體的最大沉降量整體呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)深度為20～50 m時，沉降量曲線的減小斜率很大，這段沉降量減小最明顯。當(dāng)深度超過50 m以后，50～60 m以及60～70 m的沉降減小曲線斜率都很平緩穩(wěn)定且數(shù)值較小，土體的最大沉降量減小不明顯。在實際工程中在確保安全的基礎(chǔ)之上，為減少資源的浪費以及提高經(jīng)濟(jì)效益，要合理地選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度，由此處選擇TRD工法墻埋深至少50 m才是較合理的。

圖7 TRD墻體外地表最大沉降量

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及對比

淮安東站站前廣場基坑施工項目根據(jù)現(xiàn)場實際，在不利位置和施工開始點的重要位置布設(shè)了多類監(jiān)測點。為測量廣場基坑深層TRD墻體水平位移，在基坑南側(cè)設(shè)置了編號為CX 7～CX 16的10個測點，每個測點間距35 m左右；為測量TRD墻體附近基坑地表沉降，在周圍設(shè)置了編號為DB21-25、DB26-30、DB31-35的3條測線，每條測線分別有5個測點，每個測點間距8 m左右。

3.1 地表沉降監(jiān)測分析

為研究分析基坑施工開挖結(jié)束后TRD工法攪拌墻附近的地表沉降的影響。選取DB21-25、DB26-30、DB31-35的3條測線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析TRD工法墻埋深在50 m、厚度在0.8 m時的地表沉降變化規(guī)律，不同位置處的累積地表沉降變化曲線如圖8所示。

由圖8可知：位于TRD工法攪拌墻附近不同位置處的3條測點地表沉降最大值基本在距離基坑邊緣8～10 m左右，DB21-25、DB26-30和DB31-35的最大沉降值分別為8.99、8.18、8.60 mm，彼此之間相差很少，DB21-25從邊緣至發(fā)生沉降值最大位置處的沉降量變化較大，原因可能是基坑邊緣止水帷幕TRD工法墻與土體發(fā)生摩擦，減少了土體的下沉。

圖8 不同TRD位置附近地表沉降量監(jiān)測值

從基坑TRD工法攪拌墻坑外邊緣開始，沉降量比較小，由近到遠(yuǎn)，土體地表沉降量開始逐漸增大，然后開始減小，最遠(yuǎn)處土層地表漸漸穩(wěn)定沉降量基本不變，位于TRD不同位置處的3條測點地表沉降的變化規(guī)律大致相同，呈現(xiàn)一種“瓢”狀。這是因為基坑開挖導(dǎo)致土體穩(wěn)定性得到破壞，土體應(yīng)力應(yīng)變分布的變化使土體產(chǎn)生形變，TRD工法攪拌墻與基坑邊緣外的土體相結(jié)合，一定程度上抵制土層的移動，造成遠(yuǎn)處的沉降值大于邊緣值，雖然TRD工法墻圍護(hù)周圍土體穩(wěn)定的強(qiáng)度沒有地連墻好，但3條曲線圖累積地表沉降變化值也都在合理安全要求內(nèi)。

選擇DB31-35監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對比，具體比對曲線關(guān)系如圖9所示。

圖9 地表沉降值對比

由圖9可知：數(shù)值模擬沉降最大值為8.60 mm，現(xiàn)場實測最大值為7.92 mm，兩者相差了0.68 mm，2種研究方法結(jié)果趨勢大致相同，地表沉降規(guī)律均是先大幅度增加至最大值后開始逐漸遞減至穩(wěn)定，沉降值呈現(xiàn)兩頭小，中間大的反“凸”形狀，造成此現(xiàn)象原因是基坑施工對土體影響范圍有限。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的最大值發(fā)生位置比較接近，大致在靠近基坑TRD工法墻邊緣7～20 m處。

由于工程地質(zhì)和施工工序的復(fù)雜、數(shù)值模擬軟件無法十分準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場施工工況，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)與基坑開挖施工也有較多誤差，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果并不是很接近，但這種偏差可以接受。兩者變化趨勢是大致相近，這也說明有限元數(shù)值模擬軟件計算結(jié)果較準(zhǔn)確，且是有一定借鑒價值的。

3.2 TRD結(jié)構(gòu)水平側(cè)移監(jiān)測分析

在基坑實際開挖過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形和抗傾覆能力要實時關(guān)注，所以此項目基坑的TRD+圍護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移監(jiān)測十分重要，本節(jié)取基坑?xùn)|側(cè)CX11、CX12和南側(cè)中部CX13、CX14、CX15共5個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究基坑開挖完成后水平側(cè)移監(jiān)測數(shù)據(jù)，曲線關(guān)系如圖10所示。

圖10 TRD墻體水平側(cè)移測點曲線

由圖10可知：開挖結(jié)束相關(guān)支護(hù)完成后，周邊土體變形已都穩(wěn)定，隨著TRD墻體深度的加大，水平側(cè)移值整體趨勢是先增大后減小，中間值大，兩邊值小；CX11-CX15的最大側(cè)移值分別為20.8、14.1、14、12.1、18.8 mm，說明TRD墻體強(qiáng)度剛度都較小，圍護(hù)效果略低，較其他測點數(shù)值偏大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是測點在基坑棧道下方，經(jīng)常出入施工車輛，承受較多荷載，導(dǎo)致這部分TRD墻體整體側(cè)移較大；TRD墻體+圍護(hù)樁結(jié)合結(jié)構(gòu)至上而下水平側(cè)移值大體上均產(chǎn)生波動，可能原因是基坑開挖后主體結(jié)構(gòu)未及時施工，每種土層在空氣中暴露時間有點長，側(cè)移值會加深。因為時空效應(yīng)導(dǎo)致的原因，所以工程基坑施工過程中必須進(jìn)行監(jiān)測，實時得到墻體位移，及時更正修改，確保施工安全性。

取基坑南側(cè)中部TRD工法墻水平側(cè)移監(jiān)測點CX15為研究對象,與數(shù)值模型結(jié)果進(jìn)行對比，兩者的TRD水平側(cè)移對比關(guān)系如圖11所示。

圖11 TRD水平側(cè)移對比曲線

由圖11可知：TRD工法墻水平位移數(shù)值模擬值與CX15現(xiàn)場監(jiān)測值數(shù)值有較大差異，可能由于施工現(xiàn)場實際土層與數(shù)值模擬土層有差異，以及基坑施工條件沒有完美的設(shè)置在數(shù)值模型中，并且受到天氣降水等不可控因素影響所致。但是兩者曲線變化趨勢相近，都是從TRD墻頂水平側(cè)移值開始逐步增大然后再減小直至穩(wěn)定不變，CX15現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬都出現(xiàn)了TRD結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值，現(xiàn)場實測值最大值20.8 mm、數(shù)值模擬值最大值8.4 mm；數(shù)值模擬水平位移最大值發(fā)生在TRD墻體埋深5～10 m，監(jiān)測實際值水平位移最大值在埋深5～10 m，實測數(shù)據(jù)略大于模擬結(jié)果。主要一部分原因在于建模過程中簡化了一些基坑土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及附近施工工況，工程設(shè)備、施工技術(shù)等均會影響到實際工程實施結(jié)果，盡管存在些許偏差，但不是不可接受的結(jié)果，總體來說兩者就變化趨勢來說，用數(shù)值模擬來預(yù)測工程實際情況較理想。

4 結(jié)論

1)從基坑TRD工法攪拌墻坑外邊緣開始，沉降量比較小，由近到遠(yuǎn)，土體地表沉降量開始逐漸增大，然后開始減小，最遠(yuǎn)處土層地表漸漸穩(wěn)定沉降量基本不變，位于TRD不同位置處的3條測點地表沉降的變化規(guī)律大致相同，呈現(xiàn)一種“瓢”狀。位于TRD工法攪拌墻附近不同位置處的3條測點地表沉降最大值基本在距離基坑邊緣8～10 m左右，DB21-25從邊緣至發(fā)生沉降值最大位置處的沉降量變化較大，總體TRD工法墻與圍護(hù)樁結(jié)合的支護(hù)作用可觀。

2)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬2種研究方法的地表變化趨勢大致相同，均是先大幅度增加至最大值后開始逐漸遞減至穩(wěn)定?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的最大值發(fā)生位置比較接近，大致在靠近基坑TRD工法墻邊緣7～20 m處，可知有限元數(shù)值模擬軟件計算結(jié)果較準(zhǔn)確。

3)TRD墻體+圍護(hù)樁結(jié)合結(jié)構(gòu)至上而下水平側(cè)移值大體上均產(chǎn)生波動，隨著TRD墻體深度的加大，但水平側(cè)移值整體趨勢是先增大后減小，中間值大，兩邊值小。CX15水平位移值20.8 mm較大，說明TRD墻體強(qiáng)度剛度都較小，圍護(hù)效果略低，再較其他測點數(shù)值偏大。TRD工法墻水平位移數(shù)值模擬值與CX15現(xiàn)場監(jiān)測值數(shù)值有較大差異，但是兩者曲線變化趨勢相近，都是從TRD墻頂水平側(cè)移值開始逐步增大然后再減小直至穩(wěn)定不變，總體來說兩者就變化趨勢來說，用數(shù)值模擬來預(yù)測工程實際情況較理想。