基坑開挖方式的對(duì)比研究

康 鵬 王亞東 岳夏冰 馬豪豪 袁 帥

(1.中電建路橋武漢投資發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430200；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

1 引言

基坑工程是建筑物基礎(chǔ)和大型地下工程建造過(guò)程中一個(gè)早已存在的課題，也是一個(gè)涉及廣泛的巖土工程問題，具有技術(shù)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)又具備事故多發(fā)性[1-2]?；娱_挖涉及土方開挖，降水，施工管理，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，相鄰場(chǎng)地施工，既有建筑物相互影響等相關(guān)問題，其施工過(guò)程不僅要保證基坑自身的安全與穩(wěn)定，還要嚴(yán)格控制基坑周圍地層移動(dòng)以保護(hù)周圍環(huán)境[3]。實(shí)踐表明，施工困難，開挖過(guò)深的基坑以及復(fù)雜基坑環(huán)境可能造成的施工變形和基坑施工可以通過(guò)合理的信息化施工加以控制。

本文武漢江南泵站泵房部分為研究對(duì)象，如圖1中左側(cè)部分。該泵站基坑長(zhǎng)度115m，最小寬度21m，最大寬度68m，開挖深度11.15m～15.8m，它位于長(zhǎng)江右岸，主要用于雨水抽排工作，同時(shí)也擔(dān)負(fù)著污水處理廠的尾水排放工作。

圖1 江南泵站支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2016年夏天武漢出現(xiàn)排水問題之后要求該工程要提前投入使用，工期由原來(lái)的2年4個(gè)月縮減為7個(gè)月。由于工期被大大壓縮，勢(shì)必要更改原定施工方案。因此須對(duì)此條件下的基坑進(jìn)行深入研究，論證開挖方案。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件MIDAS構(gòu)建有限元計(jì)算模型，通過(guò)總結(jié)分析，給出不同開挖方案對(duì)基坑變形的影響程度，為基坑開挖方案的選取提供一定的理論支持。

結(jié)合實(shí)際工況，選擇盆式開挖和島式開挖兩種方式進(jìn)行了有限元模擬分析。模型建立過(guò)程中，將該基坑模型大致分為了八塊，這樣分的目的主要是為了減少研究時(shí)間以及減少研究過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。針對(duì)基坑平面的八塊簡(jiǎn)易模型，運(yùn)用邁達(dá)斯軟件對(duì)各種開挖方式進(jìn)行了模擬，對(duì)比它們之間引起不利面的位移，從中選擇出一種更可靠的開挖方式，并在后續(xù)的研究中，爭(zhēng)對(duì)這一開挖方式確定出了具體的開挖順序。

2 開挖方案探討

2.1 分層開挖

結(jié)合給出的基坑平面形狀不規(guī)則，跨度較大的工程概況?；诘乜眻?bào)告，可以分別使用放坡和錨桿的復(fù)合型支護(hù)兩種方式，具體實(shí)施方案，最大開挖深度為8m,放坡形式用于2m以上的開挖，長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁與錨桿行支護(hù)用于2m以下的開挖。初步選型基坑開挖方案，通過(guò)基坑土方開挖原理與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

首先，為滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的正常施工，把基坑剖面中沿深度方向分為以下幾層(設(shè)坡頂?shù)臉?biāo)高0m)。

第一分層：2m以上部分按1:1的坡度放坡開挖，先進(jìn)行放坡開挖施工，再進(jìn)行止水樁與深層灌注樁的施工；

第二分層：-2m-3m至之間土方開挖，后2.5m在處施工依次施工支護(hù)；

第三分層：-3m至5.5m之間土方，后在-5m處再施加支護(hù)；

第四分層：-5.5m至8m之間部分，完成剩余土體的開挖。

無(wú)論采用哪種分塊方式，分塊后都是要先開挖鄰近四周保護(hù)構(gòu)建物的分塊，形成圍護(hù)控制周圍土體的變形后，再開挖剩余的土方。經(jīng)過(guò)討論，符合條件的開挖方案有兩種：(1)島式開挖；(2)盆式開挖。

2.2 分塊開挖

開挖方案：開挖順序根據(jù)分塊的尺寸大小的不同而千差萬(wàn)別。然而分塊開挖的前提是各子塊的工程量大致平衡得以保證之后，優(yōu)先施工周邊較差的土塊作為開挖順序。依據(jù)各塊周邊的環(huán)境，把本基坑大致分為工作量均衡的四等塊以此闡述分塊的問題。

分析：由于工程狀況的影響，無(wú)法做到百分之百的均分。分塊方式可根據(jù)周邊荷載環(huán)境，土體狀況，水文狀況等做出分塊。但無(wú)論是哪一子分塊，都存在一定的資源浪費(fèi)。

2.3 島式開挖

開挖方案：分步開挖根據(jù)基坑的分層分為兩步開挖：第一步，選擇一定范圍內(nèi)的土體，開挖的同時(shí)設(shè)置支護(hù)，并且討論各塊土地的分塊范圍和施工順序通過(guò)各邊保護(hù)建筑的重要性和施工的組織措施。除此之外，還需要分段處理各塊土體，如果分塊土方量多大。第二步，在第一步完成之后再開挖中間主要部分土體塊。

分析：工作中投入主要的人力，物力，有明顯的工作主次，即島式開挖的特點(diǎn)。為了使基坑圍護(hù)體系抑制和抵抗基坑變形與基坑周圍土體位移較早發(fā)揮其作用，應(yīng)該率先施工基坑四周的支護(hù)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，圍護(hù)體系暴露的時(shí)間由于基坑圍護(hù)體系過(guò)早的形成而增加，圍護(hù)體系可能隨暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而變形。除此之外，基坑周邊由于本基坑場(chǎng)地緊湊而沒有堆積材料的地方，并且只有一個(gè)出土口。釆用島式開挖出土路線安排不方便，對(duì)施工管理者水平要求過(guò)高。

2.3 盆式開挖

開挖方案：將基坑平分為盆中和盆厚兩個(gè)部分，盆厚為預(yù)留部分。以盆中部分的土體先挖，預(yù)留部分即盆厚部分土體后挖的順序進(jìn)行開挖。為了高校組織施工和有效控制基坑變形，在開挖過(guò)程中，是否需要進(jìn)一步采用分段與分塊等開挖方式通過(guò)分析盆中部分和盆厚部分土體的大小。先開挖盆中分塊土體，同時(shí)，開挖方式和開挖順序需要根據(jù)模型和各塊對(duì)應(yīng)基坑便捷的不利條件來(lái)討論確定。

分析：基坑變形得以有效控制，進(jìn)而基坑挖周圍環(huán)境的影響被有效降低即為盆式開挖的特點(diǎn)。區(qū)別于島式開挖，盆式開挖注重體系施工的及時(shí)圍護(hù)，通過(guò)圍護(hù)得以有效控制變形。周圍環(huán)境通過(guò)圍護(hù)的早期形成，圍護(hù)控制基坑變形有效降低。

3 開挖方式的有限元模擬計(jì)算

為進(jìn)一步優(yōu)化開挖方案，需要首先對(duì)原支護(hù)形式進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，由于本次基坑開挖模型面積較大，形狀不規(guī)則，各個(gè)開挖面支護(hù)不盡相同，若以整個(gè)基坑開挖為研究對(duì)象，將給分析帶來(lái)一定的困難(設(shè)備要求高、耗時(shí)長(zhǎng))。而且在基坑開挖過(guò)程中，我們的研究主要方向是基坑的最不利邊的影響，在模擬基坑開挖過(guò)程中，只需要對(duì)該邊以及鄰近條件加以模擬，并不需要將基坑整體納入研究對(duì)象。為此在建立模型的時(shí)候選取鄰近建筑物邊的泵房部分作為研究對(duì)象。

3.1 有限元模型的建立

采用大型通用有限元軟件MIDAS對(duì)基坑進(jìn)行模擬計(jì)算。綜合考慮各方面的影響因素后，本文選取M-C模型，來(lái)對(duì)基坑的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究[4-9]。

1.材料參數(shù)選取。各層土體的力學(xué)計(jì)算參數(shù)，如表1所示；鋼筋混凝土地下連續(xù)墻及支撐的計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.模型建立。 采用二維面擴(kuò)展為實(shí)體的方式建立基坑模型， 網(wǎng)格劃分中， 鄰近基坑土體部分網(wǎng)格尺寸較密。 為了使模擬基坑開挖過(guò)程與實(shí)際工程施工相一致, 利用“生死”單元來(lái)對(duì)開挖過(guò)程進(jìn)行模擬， 具體過(guò)程如下： 同時(shí)建立土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 進(jìn)行單元組及材料參數(shù)定義； 在建立地應(yīng)力平衡時(shí)， 將支撐部分“殺死”， 在開挖過(guò)程中， 架設(shè)支撐時(shí)， 利用單元屬性可以改變的特性， 選擇相應(yīng)的單元屬性來(lái)激活支撐。 所建立模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

3.2 不同開挖方式結(jié)果分析

圖3、圖4及圖5分別是盆式開挖及島式開挖兩種開挖方式下對(duì)應(yīng)的基坑整體變形云圖、Y向和Z向位移云圖，從圖中可以看出，兩種開挖方式完成后基底及開挖面所產(chǎn)生的位移分布云圖一致。將兩種開挖方式對(duì)應(yīng)的變形最大值匯總于表3?？梢钥闯觯瑣u式開挖在基坑開挖完畢后的整體位移，Y和Z方向上所產(chǎn)生的最大位移，位移差均偏小，從而可以得出結(jié)論，該基坑可采用島式開挖方式可最低限度降低基坑開挖產(chǎn)生的土體變形和位移。

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖3 基坑整體豎向位移云圖

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖4 基坑Y向位移云圖

(a)盆式開挖

(b)島式開挖圖5 基坑Z向位移云圖

因素 工況整體位移Y向位移Z向位移盆式開挖81.01748.24680.9627島式開挖79.632247.467979.5768

4 基坑變形控制措施

基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，基坑變形的發(fā)展過(guò)程是逐步產(chǎn)生的。同時(shí)考慮開挖、施工過(guò)程中的降水，由于雨水淤積，破壞了原有的地下水平衡，導(dǎo)致了基坑內(nèi)外出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響基坑整體變形。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)及防排水施工工藝的好壞將嚴(yán)重影響基坑的整體變形和位移。主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行控制：(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的控制施工；(2)做好基坑降水、排水控制措施；(3)基坑周邊環(huán)境抵抗變形能力的變形控制措施。

5 結(jié) 論

本文對(duì)基坑的常見土方開挖方式進(jìn)行了總結(jié)，歸納其開挖過(guò)程，開挖方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及適合其使用的條件。結(jié)合具體的工程狀況，對(duì)不同的開挖方式進(jìn)行有限元模擬，并確定出合適的開挖方式。同時(shí)從實(shí)際出發(fā)，提出了基坑變形控制的措施，主要得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)分層、分段、順序開挖、盆式開挖、以及島式開挖定性分析了各開挖方式在抑制基坑開挖變形的不同之處，并討論了各方式的使用條件了優(yōu)缺點(diǎn)。

(2)結(jié)合實(shí)際工況，針對(duì)基坑平面的八塊簡(jiǎn)易模型，選擇盆式開挖和島式開挖兩種方式進(jìn)行了有限元模擬分析，得出島式開挖方式所產(chǎn)生的變形均小于盆式開挖方式。

(3)從對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝、基坑的降排水、基坑周邊環(huán)境的控制來(lái)降低基坑的變形加以總結(jié)，并且在整個(gè)基坑工程中要做到嚴(yán)格地基坑開挖的監(jiān)測(cè)任務(wù)，讓“千里之堤，潰于蟻穴”的事情不可能發(fā)生。