軟土地基上深基坑開挖變形控制及風(fēng)險(xiǎn)性研究

張學(xué)亞，錢德玲，魏雪云

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，地面交通壓力變大，為緩解交通壓力同時減少噪音、粉塵的污染，地下空間不斷被開發(fā)，因此，難以避免地出現(xiàn)在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行基坑開挖的問題。深厚軟土地基上的基坑開挖引起的土體卸載必然導(dǎo)致周圍的地層移動、位移場與應(yīng)力場的重新分布，導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，對基坑自身安全與周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。不合理的設(shè)計(jì)方案與施工方案均可導(dǎo)致工程事故產(chǎn)生，因此在開挖之前對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬變得相當(dāng)重要［1－3］。土與結(jié)構(gòu)的三維有限元模型能夠體現(xiàn)基坑開挖的時空效應(yīng)，可以對基坑開挖進(jìn)行動態(tài)模擬，所得信息可用于指導(dǎo)施工。

本文結(jié)合南京水西門隧道與西水關(guān)箱涵工程，利用MIDAS/GTS有限元軟件進(jìn)行彈塑性分析，預(yù)測基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，評價基坑設(shè)計(jì)與開挖方案的有效性與合理性，對滲水事故進(jìn)行分析總結(jié)，為今后類似工程積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

西水關(guān)箱涵是南京水西門隧道與西水關(guān)小橋共建段，上部為西水關(guān)小橋，下部為過水箱涵與水西門隧道主體共建，距離水西門大街約80m。擬建場隧道沿線地段屬于長江漫灘沉積地貌單元，由于人類的活動和改造，現(xiàn)城西干道道路西側(cè)為秦淮河，東南方向?yàn)閮?nèi)秦淮河西水關(guān)泵站處。總體地勢平坦，目前地面高程在11.0～11.8m之間，開挖深度為16m。主要穿越地層如下：新近期的雜填土、素填土和淤泥質(zhì)填土；Q4－4的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉細(xì)砂；Q4－3粉質(zhì)黏土、混卵礫粉砂巖；K2p泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。

考慮基坑地處鬧市區(qū)，地層主要為雜填土、黏土及粉土且地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜水位較高，優(yōu)選圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型為地下連續(xù)墻。因工期與造價影響，故對圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用排樁＋止水帷幕，1層混泥土支撐＋3層鋼支撐結(jié)構(gòu)選型。其開挖步驟為3步開挖，第1步開挖深度為5.5m，第2步開挖深度為4.0m，第3步開挖深度為3.0m。基坑剖面如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2 深基坑開挖的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

計(jì)算模型尺寸為154m×123m×58m（X×Y×Z），計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維計(jì)算模型

為簡化計(jì)算，依據(jù)同一土層是各向同性的、均勻的和連續(xù)性的假定［4－5］，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘查報(bào)告，計(jì)算采用的土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)見表1所列。

表1 計(jì)算采用的土層參數(shù)

圍樁按等剛度原則換算成為板單元計(jì)算；冠梁、混凝土支撐、鋼支撐、系梁、鋼圍檁及立柱按梁單元進(jìn)行行計(jì)算［6－7］。

2.2 分析步驟

開挖考慮初始應(yīng)力，具體開挖分析步驟如下：① 初始應(yīng)力分析；② 結(jié)構(gòu)施工及設(shè)置第1道支撐；③ 第1步開挖；④ 內(nèi)側(cè)部分排樁破除；⑤ 設(shè)置第2道支撐；⑥ 第2步開挖；⑦ 設(shè)置第3道支撐；⑧ 第3步開挖；⑨設(shè)置第4道支撐；⑩第4步開挖；○11 底板施工；○12 主體施工。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 坑底回彈及立柱沉降分析

本工程基坑位于軟土地基之上，土層中含有大量古城墻基礎(chǔ)的磚石塊和木樁，止水帷幕與坑底加固無法有效施工，隨著開挖深度的增加，土體的卸載必然引起坑底土體回彈，開挖至坑底局部最大隆起值達(dá)到39.6mm，略超過絕對控制值（35mm），小于控制標(biāo)準(zhǔn)（0.3H%）?？拥淄馏w回彈是立柱上浮的直接原因，如果在開挖過程中立柱沉降過大會導(dǎo)致支撐梁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂，產(chǎn)生較大變形，嚴(yán)重時影響基坑工程的安全，因此立柱沉降為本次施工關(guān)注的重點(diǎn)?；娱_挖后立柱沉降云圖如圖3所示，由圖3可知立柱上浮最大值為11.9mm，小于工程控制標(biāo)準(zhǔn)15mm。

圖3 基坑開挖后立柱沉降云圖

3.2 支撐軸力分析

橫向支撐直接約束圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移，支撐軸力的大小是圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的直接反應(yīng)。由于其觀測方法簡單、準(zhǔn)確，軸力往往是基坑安全研究的重要指標(biāo)之一。本工程第1層混凝土支撐最大軸力2 007.7kN，小于報(bào)警值2 800kN；最大鋼支撐軸力出現(xiàn)在第2層支撐上，其內(nèi)力云圖如圖4所示。

圖4 第2層支撐軸力圖

最大單根支撐軸力模擬值為1 420.3kN，超出報(bào)警值1 200kN。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力是評價基坑安全的另一個重要指標(biāo)，本文的基坑開挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩云圖如圖5所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩出現(xiàn)正負(fù)2個峰值，隨著開挖的進(jìn)行，到第4步開挖結(jié)束時，繞X方向出現(xiàn)最大正彎矩1 407.6kN·m/m由于內(nèi)側(cè)排樁對外側(cè)排樁的約束作用，內(nèi)外排樁咬合處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大負(fù)彎矩模擬值為－3 195.5kN·m/m。

圖5 基坑開挖前、后圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

4.1 監(jiān)測方案與實(shí)測數(shù)據(jù)

本基坑采用明挖順做法，主要監(jiān)測項(xiàng)目為支撐軸力、基坑收斂、立柱沉降、樁頂沉降、周邊土體沉降。詳細(xì)監(jiān)測點(diǎn)如圖6所示，監(jiān)測頻率開挖期間1～4次/d，主體施工及回填期間1次/3d。

基坑底部土體隆起是基坑安全的一個重要的指標(biāo)，坑底隆起受施工影響，監(jiān)測難度較大，因此在實(shí)際工程中，多數(shù)對立柱沉降進(jìn)行觀測，從而達(dá)到對坑底隆起控制的目的。本文結(jié)合實(shí)際工程，選取立柱沉降觀測結(jié)果，繪制立柱沉降隨開挖步驟及時間的監(jiān)測變化曲線，得到立柱沉降曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出立柱沉降的整體趨勢，結(jié)合實(shí)際施工過程與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如下：

（1）隨著開挖深度的增加，土體開始不斷卸載，坑底土體出現(xiàn)回彈，通過樁－土作用，立柱呈整體上浮的趨勢。

圖6 監(jiān)測平面布置圖

（2）第7天以前，第1步開挖至第3步開挖，立柱上浮最大值4.5mm/d，超出報(bào)警值2mm/d，第7天以后，圍護(hù)樁之間出現(xiàn)第1次滲水現(xiàn)象，同時立柱頂部位置的混凝土梁出現(xiàn)大量裂縫，于是暫停施工使土體隆起趨勢減弱。

圖7 立柱沉降隨時間、開挖深度變化曲線圖

第21天開始第4步開挖完畢，立柱監(jiān)測點(diǎn)LZ2上浮11.4mm，達(dá)到開挖過程中的最大監(jiān)測值。

第24天以后，基坑底板開始施工，由于底板的約束與自重作用使得坑底隆起的土體得以部分下沉，逐漸偏于穩(wěn)定。

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

選取立柱沉降與支撐軸力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對比分析。圖8所示為立柱監(jiān)測點(diǎn)LZ1、LZ2、LZ3、LZ4在開挖過程中的沉降曲線，由于受實(shí)際工程的開挖暫停以及部分土體回填使立柱上浮的位移有部分下沉的影響，立柱計(jì)算值與模擬值有一定出入，但開挖后立柱整體上浮的趨勢基本一致。

第3層鋼支撐軸力監(jiān)測5號點(diǎn)如圖6所示。支撐軸力在第3步開挖結(jié)束時，實(shí)測值為668.6kN，有限元模型對應(yīng)相同坐標(biāo)的94069號計(jì)算單元模擬值648.5kN；實(shí)測值在第4步開挖結(jié)束時出現(xiàn)了整個前期開挖過程中的最大值1 213.03kN，模擬值1 160.4kN；

圖8 立柱沉降隨時間、開挖步變化曲線圖

第4層鋼支撐軸力監(jiān)測4號點(diǎn)如圖6所示。在第4步開挖后，實(shí)測值620.0kN，有限元模型對應(yīng)相同坐標(biāo)的94452號計(jì)算單元模擬值665.6kN。

監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬值基本一致。

5 風(fēng)險(xiǎn)性研究

（1）在計(jì)算過程中，通過對模型第2層支撐的第3組鋼支撐單元選擇鈍化與激活，分別得到雙拼鋼支撐原方案與三拼鋼支撐最終優(yōu)化方案的軸力計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果見表2所列。由計(jì)算結(jié)果可知，第2層支撐中，原雙拼方案最大支撐軸力模擬值1 420.4kN，超出報(bào)警值1 200kN。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷報(bào)警的情況，項(xiàng)目部將第2層支撐原方案的每組雙拼鋼支撐分別增加1根單根鋼支撐，使原方案的雙拼變更為三拼鋼支撐，使該層單根鋼支撐的最大軸力監(jiān)測值減小至1 122.7kN，小于報(bào)警值1 200kN。變更方案實(shí)施后，軸力處于可控范圍之內(nèi)，起到減小軸力和降低風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)期效果。

表2 原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案的軸力模擬值對比 kN

（2）從圖5基坑開挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖可知，應(yīng)力集中附近的排樁未完全咬合處存在樁間土撕裂，繼而可能引發(fā)涌水、涌土的工程事故，建議項(xiàng)目部對應(yīng)力集中處的附近土體采取小導(dǎo)管注漿預(yù)防滲漏。

（3）在第21天第4步開挖完畢以后，基坑?xùn)|北角的樁間土撕裂，出現(xiàn)大規(guī)模涌水、涌土的事故，使工程遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其原因如下：① 受地質(zhì)條件影響，雜填土中含有大量原古城墻基礎(chǔ)遺留下來的磚塊、石塊和木樁，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)方案中的三軸攪拌樁無法進(jìn)行施工，基坑四周無其他有效的止水帷幕；② 咬合樁施工質(zhì)量未能達(dá)到要求，樁與樁之間并未完全咬合，未達(dá)到預(yù)期的止水效果；③ 由有限元計(jì)算結(jié)果可知，基坑內(nèi)外排樁咬合處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，致使距坑底2m處樁間土被撕裂，從而出現(xiàn)滲水事故。

事故出現(xiàn)后，通過專家論證，對基坑四周土體與坑內(nèi)土體進(jìn)行水玻璃與水泥漿1∶1混合注漿，封堵滲流孔徑，同時四周與坑內(nèi)土體得到固化，達(dá)到了止水加固的效果，保證了后續(xù)施工安全、順利進(jìn)行。

6 結(jié)論

（1）在基坑設(shè)計(jì)施工過程中，類似工程案例應(yīng)當(dāng)充分考慮場地的復(fù)雜性，要選擇更加合理的止水加固方案。當(dāng)三軸攪拌樁無法進(jìn)行施工時，可以對圍護(hù)結(jié)構(gòu)四周進(jìn)行小導(dǎo)管預(yù)注漿，從而達(dá)到對土體進(jìn)行固化，同時起到止水的效果，降低基坑滲水事故發(fā)生的概率。

（2）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計(jì)要求，說明基坑的設(shè)計(jì)是基本安全的。

（3）通過對基坑的數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)比對可知，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢大體相當(dāng)，說明模型的建立、參數(shù)的選取以及等效的替代是基本正確的。數(shù)值模擬手段能夠預(yù)測基坑開挖過程中的變形以及受力狀態(tài)，所得信息可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。實(shí)際工程中基坑開挖的變形受各種因素的影響，如周邊環(huán)境、可變荷載、時空效應(yīng)等，相關(guān)方面仍需要進(jìn)行更加深入的研究［8］。

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