數(shù)值模擬在深基坑施工風險等級判斷的應用

歐陽明

（中鐵十一局集團第一工程有限公司 湖北武漢 430000）

0 引言

深基坑施工過程中存在許多風險，包括滲流破壞、支護失穩(wěn)、基坑內(nèi)滑坡、踢腳破壞、底部隆起、承壓水突然涌出等。在可接受的范圍內(nèi)，風險監(jiān)控成為必不可少的措施。

目前，深基坑的風險等級已基本根據(jù)其監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗。在施工過程中，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以獲得深基坑的風險狀態(tài)和水平。為了更直觀，更清晰地判斷深基坑在施工過程中的風險狀況，根據(jù)基坑監(jiān)測報警值對風險等級進行分類，并采用數(shù)值模擬方法對深基坑的應力和變形進行分析。基坑在幾種施工條件下根據(jù)定義的風險等級，確定每種施工條件下深基坑的風險狀態(tài)。該研究為確定不同條件下深基坑施工的風險水平提供了一種新的參考方法。

1 基于監(jiān)測報警值的深基坑施工風險等級劃分

安全等級不同的基坑對各種監(jiān)控項目的要求也不同，而對這三個安全等級都具有監(jiān)控要求的項目是圍墻頂部的水平和垂直位移，這表明該項目在圍巖中具有代表性。因此，在劃分深基坑風險等級時，以墻頂水平位移和垂直位移的報警值作為參考值?；拥纳罨邮前踩模虾５貐^(qū)的深基坑一般采取圍護地下連續(xù)墻的形式，達到地下連續(xù)基坑中建筑基坑工程監(jiān)測技術標準（GB 50497—2009）的水平。墻體頂部水平位移和垂直位移監(jiān)控報警值。同時，在實際項目中，報警值為70%～80%。

基坑變形太大往往會導致基坑事故，基坑變形程度不同代表不同的風險狀態(tài)。所以說，依據(jù)基坑的變形大小來劃分基坑的風險等級。在項目的風險評估過程中，項目風險級別分為5個級別，同時還包括風險描述和風險接受標準。風險等級基于深基坑監(jiān)測報警值，根據(jù)建筑基坑工程監(jiān)測技術（GB 50497—2009）以及（DG/T J08-61—2010）根據(jù)基坑工程設計規(guī)范對深基坑監(jiān)測報警值的要求，建立了4級風險等級，相應的風險描述等級和風險驗收標準如表1所示。結(jié)合項目實際情況，將監(jiān)測報警值70%作為分類標準的第一，第二風險等級。

表1 風險等級、風險描述及接受準則

2 深基坑工程概述

2.1 深基坑工程內(nèi)容

（1）巖土工程勘察。確定巖土參數(shù)和地下水文參數(shù)。測量周圍的建筑物，地下管道和埋藏的材料。

（2）信封結(jié)構(gòu)。包括邊坡開挖，水泥土攪拌樁，地下連續(xù)墻，土釘墻和錨固。深基坑支護形式應根據(jù)地下水文條件，巖土地質(zhì)條件和工程特點綜合確定。

（3）保護周圍環(huán)境和地下管線。首先，應調(diào)查地下管線的地下管線，采取保護措施，并注意施工對周圍環(huán)境和建筑物的影響。

（4）后期監(jiān)控程序。根據(jù)深基坑的不同情況，選擇不同的監(jiān)測方案，并通過計算機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，以保證施工的順利進行。

2.2 深基坑工程特點

2.2.1 環(huán)境性

深基坑工程不僅與水文地質(zhì)條件有關，而且與深基坑和周圍建筑物的位置有關。如果有必要控制支撐并保持結(jié)構(gòu)變形，則必須調(diào)查場地周圍的環(huán)境，尤其是要保護的地下地下管線和建筑物，這些區(qū)域必須與施工現(xiàn)場保持一定距離。相反，如果深基坑的周圍區(qū)域相對開放并且不需要特殊保護的建筑物，則深基坑的設計需要深基坑的穩(wěn)定性控制設計。因此，必須明確調(diào)查深基坑的周圍環(huán)境。

2.2.2 理論性

深基坑土變形的關鍵因素是土壓力，不能通過土壓力公式簡單計算土的復雜性和多樣性，對于深基坑的安全變形和穩(wěn)定性，這是不確定的。一方面，由于土壤的復雜性和多樣性，土壤抗剪強度的變化，作用時間的不確定性以及深基坑支護結(jié)構(gòu)的復雜性，土壤壓力不理想。另一方面，支撐結(jié)構(gòu)不僅具有自身的穩(wěn)定性，而且還涉及滲透率和滲流的概念，這就需要將土力學，結(jié)構(gòu)力學，流體力學和其他力學結(jié)合起來，以實現(xiàn)其理論的多樣性。因此，深基坑的理論計算有待于進一步完善。

3 數(shù)值模擬分析各工況下深基坑的風險等級

開挖深基孔的方法也會影響深基孔的變形，例如，基臺的安裝時間，無基臺的深基孔的暴露時間，懸臂開挖深度，基臺結(jié)構(gòu)和基臺的構(gòu)造順序。這些因素在地面承載力較低的軟土地區(qū)尤為突出。由于基臺的施工過程和預應力的大小可以有效地控制深基坑的變形，因此必須注意基臺的及時安裝和基臺模板的澆鑄。

深基坑位于高水位地區(qū)。降水過程將導致土壤水分流失，孔隙水壓力消散，土壤壓力升高，土壤中孔隙的壓實以及深基坑表面的土壤沉降。深基坑脫水后，深基坑外的支護結(jié)構(gòu)和土層將有相應的水平位移和沉降。

隨著深坑的開挖，深坑內(nèi)外的土壤應力發(fā)生變化，土壤中的氣壓不斷消失，土壤壓力不斷升高，最終達到凝固固結(jié)狀態(tài)。在此過程中，土壤變化成為深坑變形。

深坑事故有許多危險因素，例如過度鉆探，堆放，降水不足，土壤超負荷，支撐基座的安裝以及止水結(jié)構(gòu)的損壞。凹坑變形的程度取決于每個因素的嚴重程度。為了更直觀地確定各種風險因素作用下深基坑的風險狀況，以上海國際金融中心項目為例，建立數(shù)值模型，分析深基坑在不同工作狀態(tài)下的變形，然后根據(jù)風險級別確定深基坑的風險狀態(tài)。

3.1 工程概況和數(shù)值模型建立

上海國際金融中心項目位于上海市朱林路以東（規(guī)劃中），張家派河以北，楊高南路以西。它毗鄰北部的竹園商業(yè)區(qū)2-16地塊?；用娣e約48860m2，周長約950m，開挖深度為26.6~28.8m。在基坑北部，有楊高南路雨水抽水站，位于基坑開挖深度的1倍范圍內(nèi)。根據(jù)上海標準《基坑工程技術規(guī)范》（DG/T J08-61—2010）的規(guī)定，北部洋高南路雨水泵站區(qū)域基坑工程的環(huán)保等級為1級，基坑一般區(qū)域基坑工程的環(huán)境保護等級為二級。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)工地現(xiàn)場實際情況和土層物理力學性質(zhì)，運用PLAXIS2D軟件建立有限元模型，模擬在不同超挖和堆載情況下基坑圍護墻頂部的水平位移量和豎向位移量。

通過數(shù)值模擬得出，超挖量分別為基坑深度的0、2%、4%、6%、8%、10%，和地面堆載分別為 0kPa，10kPa，20kPa，30kPa，40kPa，50kPa

時的圍護墻變形量，通過參照表2中建立的風險等級分類標準，建立了不同類型的超開挖和堆放荷載的基坑風險等級，并建立了現(xiàn)場施工狀態(tài)與基坑風險等級之間的相對直觀的關系。

3.3 不同風險因素作用下基坑的變形分析

在此數(shù)值模擬中，我們分析了超開挖和堆積對深基坑變形的影響。在具有不同超采量和不同層數(shù)的地下室中進行變形分析（主要為圍護墻頂?shù)乃轿灰坪痛怪蔽灰疲?，?shù)值分析結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，不同超挖工況下，圍護墻頂部發(fā)生了不同程度的水平位移和豎向位移。同時，通過對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，圍護墻頂部的水平位移量較之豎向位移更接近報警值，更能反映基坑此時處于風險等級較高的狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）基坑的變形觀測包括很多項目，基坑的所有三個安全等級都需要觀測圍欄頂部的水平和垂直位移，這兩個項目在基礎中具有代表性。因此，它被用作基本礦坑風險分類的參考值。

圖1 不同超挖情況下深基地坑圍護墻的變形

圖2 不同堆載情況下深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形

（2）當超限和過載不同時，圍欄頂部在一定程度上發(fā)生了水平位移和垂直位移。擋土墻頂部的水平位移比垂直位移更接近坑的變形預警值。因此，在分析中，以擋土墻頂部的水平位移為指標來判斷礦坑風險等級。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)，當土壤覆蓋率達到6%，地面荷載達到10kPa時，該坑的風險等級為3級。根據(jù)風險等級的描述，在第三個施工期間不會在坑中發(fā)生任何風險。因此，過度開挖量不應超過6%，地面荷載不應超過10kPa。如果過大的開挖量超過6%或地面荷載超過10kPa，則應采取措施以確?；拥陌踩?。根據(jù)相關專家的施工經(jīng)驗，該方法的評價結(jié)果可為深井建設的風險防范提供參考。