市政工程中深基坑開挖過程水平位移影響數(shù)值研究

胡巍

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司）

1 引言

城市化發(fā)展背景下，用地緊缺的問題逐步顯現(xiàn)，地下空間的開發(fā)成為重要的方法，能夠解決城市發(fā)展與土地資源供應(yīng)不足的矛盾。在地下空間的開發(fā)中，深基坑工程占據(jù)舉足輕重的地位，深基坑開挖期間需做好基坑支護結(jié)構(gòu)的分析工作，確定其水平位移，以便采取針對性的控制措施。

2 工程概況

某地鐵車站深基坑工程，開挖長度、寬度、深度分別為199.5m、16.8m、16.8m。基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計等級為一級，最大允許水平位移≤0.0014H?；訃o采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，厚度500mm，圍護長度28.6m，入土深度11.5m，橫向支撐材料為φ600mm鋼管，共設(shè)置4道，豎向設(shè)置間距為5m、4m和4m。基坑開挖后，設(shè)置鋼支撐裝置并施加應(yīng)力（以設(shè)計軸力的50%較為合適）。施工期間，以現(xiàn)場實際情況為準，對預(yù)應(yīng)力設(shè)定值做靈活的調(diào)整。

3 深基坑施工技術(shù)要點

①深基坑開挖遵循“先撐后挖、分層開挖”的基本原則，土方開挖縱向從南、北兩端開始，逐步向中間推進，逐層、逐段有序完成放坡開挖作業(yè)。

②斷面開挖采取分層的方法，單層厚度1.5m～2m，從兩側(cè)向中間放1∶1～1∶1.5的坡，兩側(cè)適當預(yù)留臺階，實際放坡量根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)條件而定，確保邊坡具有足夠的穩(wěn)定性。隨臺階面的持續(xù)開挖，到達鋼支撐底部標高下50cm后架設(shè)鋼支撐。

③土方開挖采取縱向分段的方法，從南、北兩側(cè)開始逐步向中間推進，每段開挖量20m～25m，每完成一段開挖作業(yè)后設(shè)置鋼支撐。采用2臺PC400挖掘機和1臺加長臂挖掘聯(lián)合作業(yè)的模式，將基坑開挖產(chǎn)生的土方快速轉(zhuǎn)移至地表，再由專門的運輸車沿特定的路線轉(zhuǎn)移至指定地點。隨施工進程的持續(xù)推進，土方量有減小的趨勢，此時以小型挖掘機為主要開挖設(shè)備，適配10t龍門吊垂直提升土方。待開挖至距基坑底部0.3m左右的位置時轉(zhuǎn)為人工作業(yè)的方式，精細化開挖，避免超挖現(xiàn)象，產(chǎn)生的土方由龍門吊垂直提升，再有序外運。

④于坑內(nèi)四周修筑集水坑和排水溝，通過此類設(shè)施的綜合應(yīng)用及時排出基坑水，避免積水過多的情況。

⑤及時清理基底碎石、塊石等不利于正常施工的材料；鏟至設(shè)計標高以下約20cm的位置，于該處攤鋪細顆粒配砂石料，在面層上鋪適量的砂土，對該部分予以壓緊處理，使其具有穩(wěn)定性與平整性。

⑥在基坑開挖環(huán)節(jié)中，加強對地基土的防護，避免出現(xiàn)受凍膨脹、雨水浸泡等情況。盡可能縮短開挖過程中基坑的暴露時間，以免在外部因素的影響下導致基坑失穩(wěn)。若基槽地基有遭水浸泡的情況，需深入現(xiàn)場加以檢測，確定被浸泡部分的厚度，將該部分清理干凈，減小不良影響，此后方可回填灰土墊層。

深基坑施工中需著重考慮四點。

①基底超挖：加強對基坑開挖量的控制，即不可超過基底標高。

②加強基底防護，在開挖期間及開挖后均不可出現(xiàn)基土明顯受擾的情況，且需盡可能減小對基土的擾動性影響。若因天氣條件或某些原因被迫暫停施工，在基底標高以上預(yù)留0.3m的土層，該部分不予開挖處理，待后續(xù)開工時對現(xiàn)場作業(yè)情況做詳細的檢查，若無誤則繼續(xù)開挖。

③加強對施工方法的控制，采取分層、分段、對稱的方法，盡可能創(chuàng)設(shè)良好的施工環(huán)境。

④嚴格控制開挖尺寸，避免超欠挖以及邊坡過陡的情況。著重考慮開挖寬度和坡度，除了保證結(jié)構(gòu)尺寸的合理性外，還需在許可范圍內(nèi)適當增加作業(yè)面寬度，以滿足施工要求。

4 深基坑開挖的數(shù)值模擬方法

巖土工程的分析方法較多，較為普遍的方法包含但不限于有限元法、離散元法、邊界元法。從適用范圍以及使用頻率來看，以有限單元法頗具代表性。得益于交互式圖形處理技術(shù)等相關(guān)配套技術(shù)的深度發(fā)展，現(xiàn)階段三維有限元程序的功能正逐步完善，能夠更好地契合工程人員的工作需求，成為巖土力學分析領(lǐng)域不容或缺的“得力助手”。

FLAC3D是現(xiàn)階段工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的建模分析方法，是基于二維有限差分程序FLAC2D的升級形式，重點關(guān)注單個流體質(zhì)點運動參數(shù)的變化特點和相鄰質(zhì)點間的參數(shù)特點，對流場的流體運動展開分析。在本次分析中，土體本構(gòu)關(guān)系采用Druck-Prgaer模型，地下連續(xù)墻用梁單元、基坑支撐用桿單元、地連墻與土體間的作用力用滑動庫侖摩擦模型模擬。

5 深基坑水平變形的影響分析

5.1 水平位移監(jiān)測

基坑開挖全程加強對水平位移的監(jiān)測，期間重點關(guān)注最大允許值和變化速率兩項關(guān)鍵指標，將實測值與設(shè)定閾值展開對比分析，達到閾值后做出相應(yīng)調(diào)整。其中，累計水平位移應(yīng)≤30mm（也可采取水平位移≤5mm/d的判斷依據(jù)），累積沉降值≤20mm（也可采取≤3mm/d的判斷依據(jù)）。

5.2 水平位移的有限元建模結(jié)果

深基坑開挖施工環(huán)境錯綜復(fù)雜，有限元模擬分析時，除了考慮深基坑工程中各材料的非線性特征外，還需考慮開挖所導致的途徑依賴性和非線性。本次分析采用“空氣單元”的方法，用于模擬深基坑開挖過程，對開挖掉的基坑微元賦予相對較小的值，再設(shè)定荷載、質(zhì)量、應(yīng)變等關(guān)鍵的參數(shù)（均將其設(shè)為零），此時無需再次劃分網(wǎng)格，保證了模擬分析的效率和準確性。基坑開挖伴有屈服、流變的動態(tài)變化過程，同時施工現(xiàn)場的土體、基坑圍護結(jié)構(gòu)等也有持續(xù)性變化，最終處于新平衡狀態(tài)[1]。

在基坑土體開挖過程中，由于開挖的擾動性，基坑周邊的土體具有向坑內(nèi)移動的變化趨勢；基坑被動區(qū)土體的最大水平位移普遍集中在基坑開挖斷面之下某特定的距離處，且在基坑開挖深度持續(xù)增加的施工條件下，該最大位移所處位置有持續(xù)向下延伸的特點；主動區(qū)土體水平向位移最大值則具有略微向上偏移的特點，影響范圍有所擴大。具體如表1所示。

表1 墻體水平位移監(jiān)測值與模擬值對照表

經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，較之實測值，各開挖階段的水平位移模擬值均更大；從開挖結(jié)束這一時間點來看，墻體最大水平位移的實測值為16.41mm，而模擬值達到24.48mm，相差8.07mm。究其原因，與模擬過程中模型及參數(shù)的選取不合理有關(guān)。具體至每步施工中，對比分析模擬值和實測值發(fā)現(xiàn)兩項數(shù)值之間存在較明顯的比例關(guān)系，且比例系數(shù)普遍為1.5左右。

5.3 墻體入土深度影響

傳統(tǒng)的深基坑工程支護結(jié)構(gòu)計算方法是按照支護結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體達到極限土壓力狀態(tài)來計算，但是越來越多的實測數(shù)據(jù)表明，深基坑支護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土體并沒有都達到極限狀態(tài)，而是處在極限土壓力狀態(tài)和靜止土壓力狀態(tài)之間。國內(nèi)外許多學者對此進行了研究，包括數(shù)值模擬分析、理論探討和現(xiàn)場實測等，都取得了相應(yīng)進展。近年來，數(shù)值模擬分析在基坑開挖問題的分析中得到廣泛運用，彈性、非線性彈性、彈塑性本構(gòu)模型先后被應(yīng)用到基坑開挖的有限元分析中，為合理設(shè)定和準確預(yù)測作用于支護結(jié)構(gòu)的土壓力分布以及研究結(jié)構(gòu)變形與土壓力之間關(guān)系提供了手段。深基坑工程中，支護結(jié)構(gòu)上土壓力的分布涉及多個因素，包括支護結(jié)構(gòu)位移、插入深度、時間、溫度等。插入深度的計算隨著土壓力分布的不同而不同，支護結(jié)構(gòu)位移也隨著插入深度的變化而變化，支護結(jié)構(gòu)位移、插入深度及土壓力三者之間，既相互影響變化，又相互統(tǒng)一。

基坑工程結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置有內(nèi)支撐，隨著嵌固深度的增加并不會給基坑側(cè)向變形和基坑地表沉降帶來顯著影響；基坑圍護的入土深度則會直接給經(jīng)濟效益帶來影響。因此，除了確?；诱w具有穩(wěn)定性外，還需采取有效的措施控制墻體的變形，使其維持穩(wěn)定的狀態(tài)。各入土深度施工條件下墻體的最大水平位移量如圖1所示。

圖1 不同入土深度下的墻體最大水平位移

5.4 支撐預(yù)應(yīng)力影響

將預(yù)應(yīng)力作為變量，調(diào)整預(yù)應(yīng)力值并分別施加在鋼支撐結(jié)構(gòu)上，由此確定基坑地表的最大變形情況，具體如圖2所示。可知待預(yù)應(yīng)力值達到設(shè)計軸力的75%時，基坑墻體最大水平位移降幅達到40%，由此可見，在采取施加預(yù)應(yīng)力的方法后，有助于抑制墻體的變形，使其維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)用效果突出；隨著該施加預(yù)應(yīng)力的增加，即達到設(shè)計軸力的75%以上時，若仍持續(xù)增加預(yù)應(yīng)力值，雖然可以進一步增強對基坑變形的控制效果，但相對有限，存在“投入與產(chǎn)出不成正比”的情況?？梢?，在對鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力時應(yīng)重視“度”，以設(shè)計軸力的50%～70%較合適。

圖2 不同支撐預(yù)應(yīng)力下墻體變形曲線

6 結(jié)語

在本次分析中，基于FLAC3D程序模擬某深基坑的開挖過程，在環(huán)境等因素的影響下，模擬數(shù)值與實測結(jié)果存在一定偏差，但仍可以肯定的是，有限元模擬的結(jié)果依然具有較高的參考價值，能夠指導深基坑工程施工。從模擬結(jié)果來看，若基坑的嵌固深度超過0.9～1.0H，在持續(xù)加大入土深度后，將難以控制基坑變形問題。因此，需確定基坑圍護的最小入土深度，根據(jù)該指標采取控制措施，使基坑維持穩(wěn)定狀態(tài)。在對支撐結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后，可以改善基坑墻體的內(nèi)外側(cè)土體受力條件，增加主動土壓力，同時，被動土壓力降低，且施加的預(yù)應(yīng)力以設(shè)計軸力的50%～70%較合適，此時具有較好的控制效果。