利用緊鄰地下結(jié)構(gòu)的組合圍護(hù)深基坑開挖數(shù)值模擬

鐘 壘

上海建工集團(tuán)投資有限公司 上海 200080

近年來，國內(nèi)開發(fā)了一種新的工法，即利用既有地下建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)作為深基坑的圍護(hù)，并在其基礎(chǔ)上與新建的基坑圍護(hù)共同作用，建立可靠的一體式組合圍擋結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于低碳節(jié)能，并且可以減少新建圍護(hù)的施工投入。但緊鄰基坑的既有地下建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)作為圍護(hù)的組成部分，在基坑開挖施工過程中必然會(huì)對(duì)其造成較大影響，必須將產(chǎn)生的水平及豎向位移影響控制在允許的范圍之內(nèi)，確保既有地下結(jié)構(gòu)的安全，因此需要對(duì)基坑開挖所造成的影響進(jìn)行可靠的分析與預(yù)測(cè)，對(duì)新建深基坑的施工方法以及既有地下結(jié)構(gòu)的加固措施和監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行必要的判斷，以便改進(jìn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法及施工工藝[1-4]。

在此背景下，本文采用三維有限元數(shù)值模擬手段對(duì)常熟某污水處理廠工程中利用既有地下建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)作為圍護(hù)的深基坑施工進(jìn)行了分析，根據(jù)模擬結(jié)果提出了施工中應(yīng)加以重點(diǎn)關(guān)注的部位，并提出了相應(yīng)的加固措施，使既有地下建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的變形及位移在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，以供工程設(shè)計(jì)和施工參考。

1 工程概況

本工程待開挖的基坑為常熟某污水處理廠的進(jìn)水箱涵基坑，該基坑?xùn)|西兩側(cè)分別存在已利用沉井法施工完成的粗格柵進(jìn)水泵房及頂管工作井，如圖1所示。由于進(jìn)水箱涵在平面上為異形結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)采用在進(jìn)水箱涵外側(cè)施工圍護(hù)，并與既有的進(jìn)水泵房及頂管工作井結(jié)構(gòu)組合為一體式圍護(hù)，待基坑開挖完成后，再進(jìn)行進(jìn)水箱涵的施工。

圖1 進(jìn)水箱涵基坑平面示意

進(jìn)水箱涵開挖深度為12.17 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，圍護(hù)采用SMW工法樁＋鋼支撐，SMW工法樁的深度為27.4 m，如圖2所示。本基坑開挖深度較深，且基坑開挖面上下均為土質(zhì)條件較差的粉質(zhì)黏土，考慮基坑開挖周期比較長(zhǎng)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)比較不利，所以本次基坑圍護(hù)對(duì)支護(hù)體系的整體要求非常高。

圖2 進(jìn)水箱涵基坑剖面示意

粗格柵進(jìn)水泵房及頂管工作井均采用沉井方法進(jìn)行施工，其結(jié)構(gòu)高度分別為18.2 m與15.8 m，混凝土封底厚度分別為3.50 m和3.63 m，如圖3所示。

圖3 進(jìn)水泵房及頂管工作井剖面示意

2 有限元參數(shù)及數(shù)值模擬

2.1 有限元參數(shù)

本文采用MIDAS/GTS軟件對(duì)進(jìn)水箱涵基坑開挖施工進(jìn)行數(shù)值模擬，并假定基坑所在位置土層厚度均勻。

土體為彈塑性體，采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)及實(shí)體單元模擬，根據(jù)常熟某污水處理廠的巖土工程勘察報(bào)告，工程所在的地質(zhì)條件及土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

由于本工程圍護(hù)采用SMW工法樁，在模擬中根據(jù)相關(guān)公式將工法樁等剛度代換為具有一定厚度的地下連續(xù)墻參與計(jì)算，且不考慮SMW工法樁中加固土的共同作用。

經(jīng)計(jì)算，本工程所采用的SMW工法樁可等剛度代換為厚0.52 m的地下連續(xù)墻。

鋼支撐、混凝土圈梁及鋼圍檁為彈性體，通過彈性本構(gòu)及梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；SMW工法樁等剛度代換為地下連續(xù)墻，同樣為彈性體，與進(jìn)水泵房、頂管工作井的井壁結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一起通過彈性本構(gòu)及板單元進(jìn)行模擬；進(jìn)水泵房、頂管工作井的混凝土封底采用彈性本構(gòu)及實(shí)體單元模擬。其各自的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

表2 力學(xué)參數(shù)取值

2.2 建立的有限元模型

依據(jù)以往的基坑開挖建模經(jīng)驗(yàn)，為了消除“邊界效應(yīng)”對(duì)計(jì)算精度的影響，建模時(shí)平面方向（即x、y方向）由進(jìn)水泵房及頂管工作井邊緣向兩側(cè)分別延伸40 m，高度方向（即z方向）取SMW工法樁雙倍深度以上。建立的模型長(zhǎng)（x方向）125.55 m、寬（y方向）105.90 m、深度方向（z方向）為56 m。模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為56 122個(gè)，單元總數(shù)為83 131個(gè)。最終建立的模型如圖4所示。

圖4 有限元模型示意

2.3 開挖過程模擬

模擬進(jìn)水箱涵基坑開挖時(shí)，根據(jù)GTS程序提供的“激活”與“鈍化”及“改變屬性”的變換功能進(jìn)行處理，通過分步驟激活單元、鈍化單元及改變同一單元的材料屬性來模擬既有結(jié)構(gòu)的施工、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工、基坑開挖的過程。模擬分析中的施工過程嚴(yán)格遵照實(shí)際的開挖施工步驟進(jìn)行，其與實(shí)際施工步驟的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 模擬施工步驟

當(dāng)利用既有結(jié)構(gòu)作為圍護(hù)體系的一部分進(jìn)行基坑開挖時(shí)，在水平和豎直方向上，既有結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生附加位移，進(jìn)而導(dǎo)致附加應(yīng)力的產(chǎn)生，既有結(jié)構(gòu)的安全會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此在設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)根據(jù)模擬分析結(jié)果，對(duì)基坑開挖施工過程中產(chǎn)生較大變形及位移的重點(diǎn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并且在必要的時(shí)候采用合理的加固措施。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 基坑開挖引起的自身圍護(hù)側(cè)向位移

在深基坑的施工過程中，對(duì)自身圍護(hù)側(cè)向水平位移的影響，是施工和設(shè)計(jì)均需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象?；娱_挖至底部后，基坑自身圍護(hù)的側(cè)向水平位移如圖5所示。

圖5 基坑圍護(hù)側(cè)向水平位移云圖

就基坑圍護(hù)的側(cè)向水平位移的量值而言，最大水平位移值為13.1 mm，出現(xiàn)在基坑南側(cè)圍護(hù)處，深度為11.1 m，即坑底開挖面以上1 m的位置。北側(cè)圍護(hù)相對(duì)最大水平位移值相對(duì)較小，為9.4 mm，深度為12.17 m，即坑底開挖面處。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因推測(cè)為南北側(cè)基坑圍護(hù)的長(zhǎng)度不一致，南側(cè)由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，承受了較大的側(cè)向水土壓力，因此位移值相對(duì)北側(cè)較大；又由于坑底開挖面處于③層淤泥質(zhì)黏土軟弱土層中，開挖這層土?xí)陂_挖面附近產(chǎn)生較大的變形，南側(cè)圍護(hù)由于較大的水土壓力產(chǎn)生了最大側(cè)向位移上移的現(xiàn)象。因此，在③層土中進(jìn)行深基坑開挖時(shí)，應(yīng)注意對(duì)圍護(hù)變形的控制，這對(duì)于減小基坑開挖時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)有著重要意義。

3.2 基坑開挖引起的既有結(jié)構(gòu)的位移

基坑開挖至底部后，進(jìn)水泵房及頂管工作井的側(cè)向水平位移如圖6所示。

圖6 既有結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移云圖

進(jìn)水泵房的最大側(cè)向位移出現(xiàn)在南側(cè)頂部，其數(shù)值為7.1 mm，向基坑方向位移。從位移云圖可以看出，進(jìn)水泵房產(chǎn)生了頂部整體向基坑方向位移的現(xiàn)象。頂管工作井的最大側(cè)向位移出現(xiàn)在東側(cè)頂部，具體為頂管井與基坑圍護(hù)相連的位置，最大側(cè)向位移數(shù)值為6.7 mm，同樣是向基坑方向位移。

基坑開挖至底部后，進(jìn)水泵房及頂管工作井的豎向位移如圖7所示。

圖7 既有結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

進(jìn)水泵房的最大豎向位移出現(xiàn)在東側(cè)下部，其數(shù)值為14.9 mm。從位移云圖可以看出，進(jìn)水泵房靠近基坑的一側(cè)產(chǎn)生了向上隆起的現(xiàn)象。頂管工作井的最大豎向位移出現(xiàn)在西側(cè)底部，最大豎向位移數(shù)值為21.5 mm，且靠近基坑的一側(cè)同樣在開挖面附近出現(xiàn)了向上隆起的現(xiàn)象，最大數(shù)值為19.2 mm?？梢钥闯?，頂管工作井受到基坑開挖的影響較大，主要影響為隆起，應(yīng)在施工中加以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3.3 基坑開挖引起的坑底土體豎向位移

由于本工程未在鋼支撐下埋設(shè)立柱，開挖過程中易產(chǎn)生坑底隆起，因此，對(duì)坑底未開挖土體的位移控制也是施工的重點(diǎn)之一?；娱_挖至底部后，坑底土體的豎向位移如圖8所示。

圖8 坑底土體豎向位移

坑底土體產(chǎn)生了隆起位移，最大點(diǎn)出現(xiàn)在南側(cè)靠近圍護(hù)的位置，其隆起的數(shù)值為111.4 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)允許的隆起范圍。且坑底土為整體隆起，其隆起數(shù)值均在10 cm上下浮動(dòng)，可見在開挖中易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 坑底加固后基坑開挖引起的坑底土體豎向位移

基坑開挖面下方的土體為⑤1層砂質(zhì)粉土層，屬于較為軟弱的土層，且具有一定的壓縮性，為了減小基坑開挖后坑底土體產(chǎn)生較大隆起，考慮對(duì)坑底的土層進(jìn)行高壓旋噴樁滿堂加固，加固深度為4 m。加固土的力學(xué)參數(shù)取值對(duì)于加固效果影響較大，根據(jù)加固方案既經(jīng)濟(jì)又有效的要求，一般認(rèn)為注漿加固后加固土的壓縮模量提高為原狀土的1.5～2.0倍最合適。

由于上一節(jié)坑底隆起的計(jì)算結(jié)果較大，因此取加固土的壓縮模量為原狀土的2倍。加固土的力學(xué)參數(shù)具體如表4所示。

表4 加固土的力學(xué)參數(shù)

坑底加固后基坑開挖引起的坑底隆起如圖9所示。

圖9 坑底加固后坑底土體豎向位移

坑底加固后再進(jìn)行基坑開挖，開挖到坑底后坑底隆起的最大值為27.3 mm。根據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，一級(jí)基坑的坑底回彈限值為25～35 mm，經(jīng)過加固以后滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

通過上述有限元模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

1）基坑開挖時(shí)，自身圍護(hù)最大水平位移出現(xiàn)在開挖面附近；當(dāng)存在較為軟弱的土層時(shí)，最大水平位移的位置會(huì)隨開挖逐步上移。

2）利用既有地下結(jié)構(gòu)作為組合圍護(hù)的一部分，在基坑開挖中可以起到較好的效果。基坑開挖對(duì)緊鄰既有地下結(jié)構(gòu)造成的影響主要為豎向隆起，且最大點(diǎn)的位置在地下結(jié)構(gòu)的底部附近，應(yīng)在施工中加以重點(diǎn)關(guān)注。水平位移則相對(duì)豎向位移較小。

3）基坑開挖過程中容易引起開挖面底部土體的隆起位移，應(yīng)采取滿堂水泥土加固等措施以控制變形，在施工中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4）總體來說，基坑開挖施工對(duì)頂管工作井的影響大于進(jìn)水泵房，施工時(shí)應(yīng)對(duì)頂管工作井的位移和變形加以密切觀測(cè)。