天津某深基坑“两墙合一”支护结构的变形分析

第1章 绪论

1.1 研究的背景、目的及意义
1.1.1 研究的背景
随着我国国民经济的发展，在城市中高楼层、深基础的建筑也屡见不鲜，大规模地下空间开发产生了大量的深基坑工程，深基坑支护研究就成为关键。经初步统计，仅“十二五”期间我国城市轨道交通建设的投资将超过700亿，其车站作为综合性换乘枢纽向地下纵向发展；到 2020 年我国铁路将新建 800~1000 个铁路客运站，其设计理念趋于从地面向下延伸，实现与公共交通零换乘，构建立体交通。另外，随着我国城市化进程的进一步加快，土地资源匮乏导致地面空间发展受到制约的问题愈加突出，必将促进人们对地下空间的深度开发利用。这些意味着未来较长一段时间内将涌现大量深基坑工程，突显出深基坑工程在基础设施建设中的重要地位。以天津为例，进入 21 世纪以来，不到 10 年的时间里，每年都有数百个深基坑工程，基坑开挖深度由 10m 以内迅速发展到超过 30m，表 1-1 是天津一些代表性深基坑工程实例。


当前，我国大部分深基坑工程仍采用常规的支护方法，即临时支护结构并设置锚杆或多道水平支撑。临时支护结构由于最终被废弃在地下，浪费了许多建筑材料，造成了大量的工程费用。“两墙合一”指地下连续墙在作为挡土防渗支护结构的同时，还兼作地下室外墙，起到竖向承重作用。因此，“两墙合一”地下连续墙的支护结构型式越来越广泛地在实际工程中被使用。

1.2 国内外深基坑技术发展研究现状
深基坑工程是一门不断发展且综合性很强的学科，涉及土力学、工程地质、结构力学、环境科学等诸多基础科学及应用。多年来国内外在深基坑的建设中积累了许多宝贵经验，其理论和技术水平得到长足进步，但仍不能完全满足目前深基坑工程的技术要求。
Terzaghi[5]和Peck等人在20世纪40年代就开始研究开挖稳定和支撑内力计算的问题，并最早提出了地表沉降与开挖深度的关系。此研究理论一直沿用至今，在应用的同时，人们也做了一定的改进与修正。Bjemum 和Eide 在50 年代时，提出了深基坑底部隆起量的计算方法。60 年代的时候，许多学者开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土基坑工程中应用仪器进行监测，采集了大量的实测值，对基坑的施工进行分析和指导，并在70年代提出了指导开挖的相应法则。Clough等根据若干工程案例数据的分析总结出墙后地表的沉降。OU et al.陆续对10个工程项目的深基坑监测数据进行分析，指出土方开挖引起的地表沉降曲线有呈三角型或凹槽型，并且指出围护结构变形的大小和形式是发生这两种形态的最主要原因。
近30年来，繁华市区开始出现大量的深基坑工程，由于周围存在建筑物和地下管线等复杂的环境条件，要求这些深基坑工程不仅能确保支护体系及深基坑自身的安全，还能够严格限制土方开挖引起深基坑周边土体的变形，以保证邻近建筑物的安全使用。因此，以变形控制设计逐渐代替稳定控制设计将成为深基坑工程发展的趋势。

第2章 工程实例概述

2.1 工程概况
2.1.1 工程简介
本工程位于天津市高新区，其建筑总面积13.3万 m2，其中地上7.7万 m2，地下5.6万 m2，建筑高度221m，地上43层，地下三层及一层夹层。
该工程的北侧、东侧为两条市政公路，西侧与正在施工的会展中心相邻，并共用一道地连墙，深基坑与会展中心基坑同期开挖，为保证基坑开挖的安全，中间设置了31米宽的缓冲区，南侧与项目公大楼相邻，如图2-2所示：

2.1.2 基坑工程概况
该工程深基坑面积约 14300 ㎡，周长 490 米，场地自然地坪标高为-0.95 米，基坑底标高为-19.65 米，基坑普遍开挖深度为18.7米，塔楼区开挖深度20.25米。基坑围护结构采用两墙合一的地下连续墙，墙厚为 1000mm，采用 C35 混凝土，支撑体系采用两道钢筋混凝十字对撑的形式，如图2-2所示。


2.2 深基坑支护方案选取
由于本工程需要尽快开工，但主体结构方案还处于设计状态，不具备逆作法等施工方案的条件，因此提出了“整体顺作”的总体设计方案。
“整体顺作”是指先进行深基坑的施工，完成地下主体结构后，再对地上主体结构进行施工。其采用传统、成熟的施工工艺，降低施工难度，减小主体结构设计与支护结构设计的关联度，以确保深基坑工程尽早开工。
结合本工程基坑开挖深度大，基坑周边地势狭小，邻近有建筑及市政道路的具体特点，采用地下连续墙结合混凝土内支撑的深基坑支护结构。理由如下：
（1）地下连续墙具有刚度大以及施工工艺成熟等诸多优势，在对基坑周边环境保护要求较高，以及开挖深度较大的基坑中得到了广泛的应用。近年来在天津软土地区超过三层地下室的基坑应用中，对于限制开挖阶段的水平位移达到了良好的效果。
（2）地下连续墙不仅能实现挡土的作用，而且能充当止水帷幕的作用，减少土方开挖及降水过程对周边环境的影响。
本基坑工程采用地下连续墙作为支护结构，从技术角度分析“两墙合一”和“两墙分离”两种形式都是可行的。“两墙合一”即地下连续墙兼作地下室外墙；“两墙分离”即地下连续墙仅作为基坑的围护结构，地下室需另设混凝土结构外墙。结合实践经验，从以下三个方面对两种形式进行对比分析：
从经济性分析，“两墙合一”节省了地下室外墙和墙下工程桩的工程量，并减少了土方的开挖量及回填土的工程量，经济性较为明显。
从工期分析，“两墙合一”在支护结构设计方面，有一定的限制。由于采用“两墙合一”，地下室外墙仅需施工内衬墙，节省了地下室外墙的施工过程，因此在整个基坑的施工中，周期是缩短的。
从防水问题分析，“两墙分离”方案，由于内部顺作地下室外墙，结构整体性好，防水性能良好。而“两墙合一”方案存在接缝处防水薄弱的环节，但采取柔性地连墙接头，并在外侧设置高压旋喷桩封堵等措施，也能解决好地下室外墙防水问题。
基于以上各因素以及对本工程具体特点的探析，因此该深基坑工程采用“两墙合一”地下连续墙的支护方案。

第3章 “两墙合一”支护结构的位移变形分析 ...................... 19
3.1 深基坑变形的种类与形态 ··················· 19
3.1.1 围护墙的变形 .............. 21
第4章 现场监测数据分析及数值模拟分析 ................. 38
4.1 基坑监测方案 ························ 38
4.1.1 地下连续墙顶水平及竖向位移监测点布设 ............. 38
第5章 “两墙合一”支护结构施工中的变形控制 ............... 56

第5 章 “两墙合一”支护结构施工中的变形控制

5.1 地下连续墙的施工方案

地下连续墙的施工过程如图5-1 所示，在其施工过程中，常常会发生土层位移的变形，尤其是地处繁华市区的深基坑工程。而导墙制作、沟槽挖掘和混凝土浇筑三个阶段的施工对周边土体位移的影响程度比较大。因此，对其施工过程的控制尤为重要。
5.1.1 导墙制作
在地下连续墙进行施工前，应对导墙进行砌筑。导墙采用现浇钢筋混凝土结构，其净宽要求比地下连续墙宽度大 50mm，肋厚 25cm，顶部宽度 100cm，其顶口标高与地面标高一致，且要求顶口标高大于地下水位标高 1.5m。导墙的深度一般要求为1.5m，而且必须深入原状土距离大于 200mm。混凝土强度为C25（根据实际工程可选用高强度混凝土和添加早强剂），不得发生漏浆现象[42]。导墙在制作过程中，需要能够承受施工荷载。导墙结构图如图5-2所示：


第6章 结论与展望

6.1 结论
在现代深基坑工程设计中，对支护结构的变形控制要求越来越严格，尤其是对于“两墙合一”的地下连续墙，以强度控制设计为主的设计理念逐渐被以变形控制设计为主的设计理念所取缔，因此深基坑支护结构的变形分析成为基坑工程设计中不可或缺的组成部分，在天津等软土地区尤为重要。
本文以天津某超高层建筑深基坑工程为研究背景，以挖掘“两墙合一”地下连续墙支护结构的变形规律，引导类似深基坑工程的施工为主要目标。通过收集该工程现场施工的工程资料、施工方案和监测数据，而且运用ABAQUS有限元软件模拟深基坑的开挖过程，对深基坑围护墙水平位移、基坑周边地表沉降、坑底隆起以及变形控制措施等问题进行了较为系统的研究。主要结论如下：
（1）地下连续墙的变形呈现明显的规律性（上正弯，下反弯），整个开挖过程中，墙体顶部首先向基坑内侧移动，随着基坑土体的开挖，墙身底部位移越来越大，其最大侧向位移大致为基坑开挖深度的0.14%，介于 0.1%与0.6%之间，满足设计与施工要求；
（2）在深基坑第一步、第二步土方开挖时，墙身的最大水平位移发生在墙体顶部，随着基坑开挖深度的增加，墙体的最大水平位移随之增大，并从墙顶处向墙体深处移动。基坑开挖结束后，最大水平位移位于第二步开挖面下1-2m的范围；
（3）深基坑底土体的隆起量在基坑中部较大，在地下连续墙附近的隆起很小；坑外土体的沉降发生在距离基坑1～2倍的基坑开挖深度范围内，最大沉降发生在地下连续墙附近；
（4）采用合理的深基坑监测方案对控制深基坑支护结构变形是十分必要的，保证了深基坑的安全、稳定施工；
（5）对深基坑支护结构施工过程进行数值模拟分析是可行的，与实际监测数据分析的结果大致吻合，同时弥补了深基坑支护结构变形理论计算的不足。
以上结论为类似深基坑工程施工方案的确定提供了可靠的编制依据，有效地预防深基坑变形带来的危害。
参考文献（略）