時空效應規律在軟土深基坑工程中的應用

導語：基坑工程主要包括基坑支護體系設計與施工和土方開挖，是一項綜合性很強的系統工程。它要求巖土工程和結構工程技術人員密切配合。基坑支護體系是臨時結構，在地下工程施工完成後就不再需要。

　　一、引言:

對軟土地層中的深基坑工程，要可靠地解決基坑穩定和控制坑周土體位移問題，需要研究的不明確因素較多，其中一個難題是如何評估和處理軟土的流變性對支護牆體內力和位移的影響。由於土體的各向異性、土工試驗的技術侷限性和施工因素的複雜性，在基坑施工中各工況下的不斷變化的流變參數難以測準，而支護牆體的內力和位移也就難以預測。目前國內外對此問題尚缺少解決的理論和方法。因此在軟土地區的建築物和市政公用設施密集的地區，要按控制土體位移保護環境的要求，進行深基坑設計和施工，就帶有風險性。為求得工程安全和環境安全，在國內外一些靠近重要建築設施的軟土深基坑中，於基坑內部進行大量的地基加固以改善土壤性質(如新加坡、台北等工程實例)。從國內軟土地區，特別是上海地區近十年來在深基坑的施工實踐和試驗研究成果中，可以認識到:在深基坑開挖及支撐過程中，每個分步開挖的空間幾何尺寸和支護牆體開挖部分的無支撐暴露時間，與周圍牆體和土體位移有一定的相關性。這裏反映出基坑開挖中時空效應的規律性。實踐證明:運用時空效應規律，能可靠而合理地利用土體自身在基坑開挖過程中控制土體位移的潛力而達到保護環境的目的，這是一條安全而經濟的技術途徑，這已為上海近兩年來完工的五個深基坑工程實踐所驗證。

　　二、考慮時空效應的基坑工程設計及施工的技術要點:

1、首先合理選定基坑開挖及支撐的施工工序和施工參數。基坑開挖和支撐施工是決定基坑工程成敗優劣的關鍵工序。為在基坑開挖中減少土體擾動範圍，保持基坑穩定，並使地層位移和差異位移符合預測值，合理選定基坑開挖及支撐的施工工序和施工參數是決定性因素。開挖和支撐的施工工序基本是按分層、分部、對稱、平衡的原則而制定的，最主要的施工參數是每層開挖中擋牆被動區土體挖除後，擋牆未支撐前的自由暴露時間和暴露的寬度和深度。在大面積不規則形狀的高層建築深基坑中，擋牆被動區土體往往在開挖中被保留成為土堤狀，此土堤斷面尺寸亦按其能抵住擋牆的要求而定，亦為主要參數。

2、基坑設計中，預測考慮土體流變性的圍護牆體位移和相應的地層位移，並採取措施使之符合保護環境的要求。從實測資料和理論分析中可知:土體流變性時軟土深基坑變形的影響是明顯的，在同一工況下基坑的圍護牆體隨其在開挖後暴露時間的延長而增加，目前一般基坑圍護牆體變形計算均未計及流變因素，在基坑周圍建築設施對地基位移很敏感時，特別在流變性較大的土層時，就必須準確地採用如下計及土體流變性的計算法，並採取相應的處理對策。

方法一，經驗係數法:將工程實測的圍護牆體位移量進行統計分析，取得在一定地質條件和一定開挖支撐施工參數條件下，牆體位移與按彈性或彈塑性理論所計算的位移(Se)的比值(α)，則考慮時空效應的牆體位移值(Shm)為:Shm=αSe

方法二:粘彈性兩維有限元法:通過三軸剪切蠕變試驗和單剪蠕變試驗，建立土壤流變本構模型,再按試驗曲線、通過非線性函性分析及其擬合程序的編制，確定本構模型的參數，以用於粘彈性有限元計算方法。因土質和施工因素的複雜性，土壤流變本構模型參數，很難與實際相符。這就需要在基坑開挖的'初始段，用信息反饋法調正土體流變參數，再用以推算下步開挖引起的坑周土層位移，並據此酌定下步控制變形的施工參數。由於基坑施工的監測反饋信息是在一定時空效應的施工條件下取得的，則按此推算的牆體位移實際上已考慮了三維效應。

方法三，三維有限元法:通過大量分析，二維分析由於未考慮空間約束作用，算得的位移一般比三維分析所得結果較大，計算結果偏於安全，計算工作簡易，但無法考慮平行於基坑擋牆的地下管道及隧道的縱向變形特徵。

故結合上海地鐵1號線地下車站深基坑工程實踐，研究了深基坑三維有限元分析，從研究成果可見:

三維分析可以得出基坑外側空間位移場，因而可全面瞭解和處理基坑開挖引起的環境問題。

3、採取分步快挖、快撐和支撐予加軸力的施工工藝。在軟土深基坑開挖施工中，每步開挖中圍護牆體的暴露空間和時間越小，則控制基坑變形的效果越大。因此加快開挖和支撐速度的施工工藝，是提高軟土深基坑工程技術經濟效果的重要環節。國內外實踐已證明:

科學地採用予加軸力的鋼支撐，對保護環境、節約造價和縮短工期具有明顯優勢。但鋼支撐的採用，要具備鋼支撐加工和安裝的技術條件，並需要一定經驗的施工隊伍。

　　三、工程實踐的效果

考慮時空效應的深基坑開挖施工，最早在1986年8月上海市婁山關路下水道深溝槽中試行，該條形深基坑寬3米，深7.5米，坑邊有6層居民樓距坑邊僅4～6米，因坑邊有高壓電線等限制，很難進行地基加固，由於所處的地層為流塑性淤泥質粘土，有較大流變性，如採用一般分段分層(每段長30米)開挖施工法，則預測地面沉降較大，難保坑側建築安全，經研究分析，採用了分小段(2米長)分層開挖，加支撐予應力的施工方法，嚴格控制每步開挖和支撐的暴露空間和時間，取得顯著成效，地表沉降只1-2釐米，坑側建築無開裂。

總結了86年婁山關路工程經驗，至延安東路隧道浦西段的地下牆深大基坑工程及上海地鐵1號線的地鐵車站的條形深大基坑中，又步步提高，完善了考慮時空效應的設計及施工方法，取得了更大的環境效益和經濟效益。

近三年來，在上海地鐵1號線運行後，

數處高層建築的大面積、不規則形的深大基坑，處在正運行的地鐵隧道近側，相距僅3-8米,(如新世界商場、上海廣場、香港廣場(南坑、北坑)、遠東廣場等五處深基坑)，由於運用了考慮時空效應的設計和施工方法，將坑周地層位移均限制在予測的15毫米以內，保證了地鐵隧道安全，且節約了數百萬以上的工程造價。四、進一步研究的課題鑑於當前北京、上海、武漢、廣州、深圳、南京等大城市以及建設部有關部門正積極編制各城市及全國的深基坑工程技術規程。在編制過程中,不少專家認為:要接受過去幾年深基坑周圍地層移動引起鄰近建築和設施破壞的教訓,在技術規程中要重視控制基坑變形問題。但控制基坑變形確是一個尚少經驗的工程技術問題,一些專家認為:在軟土地區解決此問題中,運用時空效應規律,是一條安全、經濟的技術途徑,為了將現有的初步經驗,總結提高,形成能較大範圍應用的工程技術,上海地鐵總公司與同濟大學合作,結合上海及其它地區的工程實踐,研究如下課題:①、軟土地層中時空效應理論的應用研究,②、軟土深基坑被動區地基加固的設計方法的研究,③、對影響軟土深基坑周圍地層移動的主要施工因素的理論分析與改進方法。