廣州淤泥質(zhì)地層深大基坑開(kāi)挖中的地層變形特征

杜 文 寧三子 金 罡 孟曉偉 馬龍祥 余云翔

1. 深圳中鐵二局工程有限公司 廣東 深圳 518054；

2. 中鐵南方投資集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518054；

3. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 云南 昆明 650200；

4. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031

周?chē)貙拥淖冃吻闆r是基坑建設(shè)中一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)，可以很好地反映基坑的穩(wěn)定性。因此，在基坑的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，應(yīng)著重關(guān)注并研究基坑周?chē)貙拥淖冃吻闆r，以便評(píng)判基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工方法的合理性，并在必要時(shí)及時(shí)變更支護(hù)與施工方法。張啟斌等[1]針對(duì)某地鐵深基坑工程，對(duì)3種不同加固措施情況下基坑開(kāi)挖引起的土體損失進(jìn)行了模擬，并以此提出了控制周邊沉降最優(yōu)的基坑加固措施；木林隆等[2]基于反分析的方法，研究了基坑開(kāi)挖引起的土體位移，發(fā)現(xiàn)考慮土體小應(yīng)變并采用反分析的方法可較為準(zhǔn)確地計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的土體位移；李福林[3]通過(guò)有限元方法模擬了狹長(zhǎng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的軟土變形特性，得到了在狹長(zhǎng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊深層土體的位移發(fā)展規(guī)律；崔紅利等[4]采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)貙蛹敖ㄖ锍两档挠绊?；孫小力等[5]以蘇州地鐵車(chē)站基坑施工項(xiàng)目為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬的方法，分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降的演變規(guī)律；劉小麗等[6]利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)軟土深基坑開(kāi)挖中既有地表沉降的估算方法進(jìn)行了改進(jìn)，可更好地對(duì)由基坑開(kāi)挖誘發(fā)的地表沉降進(jìn)行估算。

綜上所述，針對(duì)基坑開(kāi)挖而引起地表沉降的問(wèn)題已有較多研究，但是由于地層的復(fù)雜多變，現(xiàn)有的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能概括所有的基坑工程，針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析仍十分必要。

廣州南沙地區(qū)某安置房基坑項(xiàng)目地處淤泥質(zhì)軟土地層，且周邊遍布既有房屋及道路，開(kāi)挖過(guò)程中地層變形控制難度較大，施工時(shí)具有較大風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，本文將針對(duì)該基坑工程，利用數(shù)值軟件對(duì)其開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究該基坑工程施工過(guò)程中的地層變形規(guī)律，進(jìn)而分析該基坑工程支護(hù)體系及施工方法的合理性。

1 工程概況

廣州南沙地區(qū)某安置房基礎(chǔ)需要進(jìn)行較大規(guī)模的基坑施工。該基坑南北長(zhǎng)135.76 m，東西寬137.15 m，開(kāi)挖面積17 535 m2，開(kāi)挖深度9.2 m，南側(cè)緊鄰居民小區(qū)新聯(lián)新村別墅區(qū)（距基坑邊最近處12.3 m），北側(cè)緊鄰華美大道（距基坑邊最近處11.8 m），如圖1、圖2所示。該基坑所處地塊為典型的珠三角沖積平原灘涂圍海造地區(qū)域，場(chǎng)地內(nèi)地層依次為①3素填土、②1-1淤泥、②3粉質(zhì)黏土-黏土、③1粉質(zhì)黏土-黏土、④2粉質(zhì)黏土、⑧2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，土層具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 基坑平面布置

圖2 周邊既有房屋及道路示意

表1 主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)環(huán)境條件、開(kāi)挖深度、地質(zhì)條件將基坑支護(hù)劃分為3個(gè)支護(hù)單元。基坑A—B、B—C段安全等級(jí)為一級(jí)，采用較強(qiáng)的支護(hù)措施，其中A—B段采用SMW工法樁＋3道擴(kuò)大頭可回收錨索，B—C段采用SMW工法樁＋2道內(nèi)支撐；C—A段安全等級(jí)為二級(jí)，采用SMW工法樁＋2道擴(kuò)大頭可回收錨索。三軸攪拌樁采用φ850 mm@600 mm插一跳一的施工工法，2道內(nèi)支撐均采用鋼筋混凝土支撐，坑內(nèi)立柱采用直徑1 000 mm鋼管作為臨時(shí)支撐。典型支護(hù)剖面如圖3、圖4所示。

圖3 1-1支護(hù)剖面

圖4 2-2支護(hù)剖面

此外，場(chǎng)區(qū)內(nèi)沿線地下水位埋藏較淺，勘察期間測(cè)得穩(wěn)定水位埋藏深度為0.80～3.60 m，地下水位絕對(duì)高程為2.91～5.54 m，對(duì)基坑開(kāi)挖施工有重要影響。為此，在基坑開(kāi)挖前，提前3周在基坑周邊和中部設(shè)置集水井，進(jìn)行坑內(nèi)降水，開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)開(kāi)挖面高度不斷調(diào)整水位面高度，保證開(kāi)挖時(shí)水位處在開(kāi)挖面以下1 m，實(shí)現(xiàn)分層降水開(kāi)挖。

基坑的開(kāi)挖和支護(hù)可分成7個(gè)施工階段，如圖5所示（圖中紅色箭頭為開(kāi)挖方向，陰影部分為放坡段，黑色部分為馬道）。其中，第1階段開(kāi)挖基坑西南、東南及東北側(cè)范圍至－2.4 m（未開(kāi)挖處進(jìn)行放坡處理），并在距離地面以下1.95 m處設(shè)置第1道鋼筋混凝土支撐，如圖5（a）所示。第2階段繼續(xù)開(kāi)挖第1階段范圍至坑底（未開(kāi)挖處同樣進(jìn)行放坡處理），按照分層分段開(kāi)挖，分層高度依次為2.4、2.0、2.0、2.8 m，每開(kāi)挖下一層前需降水至開(kāi)挖面以下1 m，對(duì)于底層為淤泥質(zhì)土的則需做好換填工作，換填深度為1 m；此外，在距地面以下5.95 m處設(shè)置第2道鋼筋混凝土支撐，同時(shí)安裝部分錨索，如圖5（b）所示。第3—7階段依次開(kāi)挖余下部分（未開(kāi)挖處同樣進(jìn)行放坡處理）并及時(shí)安裝相應(yīng)位置的錨索，如圖5（c）～圖5（g）所示。

圖5 各階段開(kāi)挖完成平面

2 基坑施工數(shù)值模型

采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑工程的開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。為減小邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值計(jì)算模型取340 m×340 m×40 m，所建立的模型如圖6所示。

圖6 有限差分?jǐn)?shù)值模型

土體模擬選擇摩爾-庫(kù)侖模型，工法樁水泥土采用彈性本構(gòu)模型模擬，工法樁型鋼、錨索、支撐梁、土釘分別采用樁（pile）、錨桿（cable）、梁（beam）及錨桿（cable）等結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬?；拥拈_(kāi)挖按實(shí)際施工步驟進(jìn)行模擬，在模擬中考慮地下水滲流對(duì)基坑及周?chē)貙拥挠绊?，采用流固耦合的方法進(jìn)行計(jì)算分析。模擬分析時(shí)力學(xué)邊界條件為模型四周及底部法向約束，水力邊界條件為模型四周透水，底部不透水。此外，基坑周邊的既有房屋建筑及道路，采用地面超載的方式進(jìn)行模擬，其中房屋荷載取30 kPa，道路荷載取10 kPa。

3 地層變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7給出了基坑開(kāi)挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖7 豎向變形云圖

從圖7可看到：基坑開(kāi)挖引起基坑四周地表的最大沉降均發(fā)生在距坑邊一定距離處，其中在基坑?xùn)|側(cè)最大沉降值為9.8 mm，出現(xiàn)在距坑邊約21 m處；南側(cè)最大沉降值為17.2 mm，出現(xiàn)在距坑邊約24 m處；西側(cè)最大沉降值為11.3 mm，出現(xiàn)在距坑邊約23 m處；北側(cè)最大沉降值為16.1 mm，出現(xiàn)在距坑邊約21 m處。在當(dāng)前支護(hù)及施工方案下，基坑開(kāi)挖完成后周?chē)貙拥淖畲蟪两抵敌∮诳刂浦?0 mm，基坑施工過(guò)程中的穩(wěn)定性可得到保證。由于基坑北側(cè)和南側(cè)存在既有建筑及道路，故基坑施工引發(fā)的地表最大沉降值相較于其他兩側(cè)更大。由于基坑土體開(kāi)挖的卸荷作用，基坑坑底絕大部分出現(xiàn)了一定程度的隆起，其中隆起最大值為31.2 mm?；涌拥紫韧诜秶ǖ?及第2階段開(kāi)挖范圍）內(nèi)的隆起量普遍較大，而基坑后續(xù)開(kāi)挖范圍由于受先開(kāi)挖區(qū)域卸荷造成土體松弛效應(yīng)的影響，其范圍內(nèi)的坑底隆起量相對(duì)較小，甚至表現(xiàn)為沉降（沉降量值可達(dá)8.5 mm）。這表明基坑的開(kāi)挖分區(qū)，特別是基坑中部后挖范圍的設(shè)定，有效抑制了基坑開(kāi)挖造成的坑底隆起。

圖8分別給出了過(guò)基坑西側(cè)最大地表沉降處沿東西方向，及過(guò)基坑南側(cè)地表最大沉降處沿南北方向截取的地層橫剖面在基坑開(kāi)挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖8 開(kāi)挖完成后的最大地表沉降斷面云圖

從圖8中可以看到：在基坑開(kāi)挖完成后，基坑四周地表均出現(xiàn)了漏斗狀的沉降區(qū)域，但地層最大沉降均出現(xiàn)在地表距坑邊一定距離處；而第1及第2階段開(kāi)挖范圍內(nèi)且距坑邊10～40 m區(qū)域內(nèi)的坑底在基坑底部約5.2 m范圍內(nèi)，均會(huì)出現(xiàn)量值大于2 cm的隆起。

以基坑南側(cè)最大地表沉降為基點(diǎn)，作基點(diǎn)與南側(cè)坑邊的垂線，并以該線作為測(cè)線從坑邊開(kāi)始每隔10 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，研究地表沉降隨距基坑距離增加的變化規(guī)律。圖9給出了地表測(cè)線在不同施工階段的沉降變化曲線。圖中①、②和③表示存在既有房屋荷載的區(qū)域。

圖9 基坑南側(cè)地表沉降曲線

從圖9中可以看到：由于土體自身重力及基坑開(kāi)挖土體的松弛效應(yīng)，鄰近基坑側(cè)土體出現(xiàn)了不同程度的沉降。總體來(lái)看，基坑周?chē)乇沓两当憩F(xiàn)為拋物線形漏斗狀的分布，即隨著距坑邊距離的增大，地表沉降呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨著基坑施工的持續(xù)進(jìn)行，基坑周邊地層沉降所呈現(xiàn)出的“漏斗”現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。房屋荷載的存在對(duì)基坑開(kāi)挖誘發(fā)的地表沉降有一定的影響，主要表現(xiàn)為在荷載施加區(qū)域（①、②和③），地表沉降曲線往往有所下降，即既有房屋荷載會(huì)增大地表沉降，這一點(diǎn)在區(qū)域②尤為明顯。在第1階段施工時(shí)，由于基坑內(nèi)支撐體系及更遠(yuǎn)處地層朝向坑底的滑移變形對(duì)坑邊土體擠壓的聯(lián)合作用，地表在基坑邊緣處（距基坑邊緣5 m范圍內(nèi)）出現(xiàn)了輕微隆起，隆起量約為0.48 mm?；釉诘?階段施工完成后，各測(cè)點(diǎn)地表沉降均有較顯著發(fā)展，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值可達(dá)11.73 mm，這是由于此階段開(kāi)挖鄰近測(cè)線位置且開(kāi)挖量大兩方面的因素共同造成的。在基坑第3階段及以后階段的施工過(guò)程中，由于施工位置逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)范圍，故地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降發(fā)展速度逐步放緩，而在基坑開(kāi)挖完成后，地表測(cè)點(diǎn)的最大沉降值為16 mm。

4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證分析

在基坑的施工過(guò)程中，采用水準(zhǔn)儀在基坑周邊對(duì)距坑邊6 m的地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC1—DBC28的布置參見(jiàn)圖1。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，本節(jié)選擇了部分典型的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，比較這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖10所示。

從圖10中可以看到：數(shù)值模擬所得的沉降值及趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均較為接近。就整體趨勢(shì)而言，北側(cè)DBC3與DBC6以及西側(cè)DBC22與DBC23測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)沉降量值在施工第1及第2階段均僅有較小發(fā)展，而在基坑后續(xù)施工階段才有相對(duì)較大的發(fā)展；東側(cè)DBC11與DBC12以及南側(cè)DBC16與DBC18測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)沉降量值均在施工第1及第2階段即有較大發(fā)展，而在基坑后續(xù)施工階段相對(duì)較為穩(wěn)定。這顯然與施工第1及第2階段開(kāi)挖范圍距離基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)更近，而后續(xù)施工階段距離基坑北側(cè)和西側(cè)更近的事實(shí)相符。就沉降量值而言，在所選擇的地表測(cè)點(diǎn)中，數(shù)值計(jì)算的最大沉降值為5.33 mm，而監(jiān)測(cè)的最大沉降值為5.88 mm，總體沉降均處于2～6 mm范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，本文的數(shù)值分析結(jié)果具有較高的可靠性。

圖10 數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究，主要得到了以下結(jié)論：

1）隨著基坑施工的持續(xù)進(jìn)行，基坑周邊地表的沉降在總體上呈逐漸增大趨勢(shì)，并且基坑周邊地層沉降所呈現(xiàn)出的“漏斗”現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。

2）本次基坑工程開(kāi)挖引起基坑四周地表的最大沉降值為17.2 mm，出現(xiàn)在基坑南側(cè)距離坑邊約24 m處。

3）將基坑中部區(qū)域設(shè)定為基坑開(kāi)挖后挖區(qū)，可有效抑制基坑開(kāi)挖所引發(fā)的坑底隆起。

4）該軟土基坑現(xiàn)行設(shè)計(jì)的支護(hù)方案可保證基坑施工過(guò)程中周?chē)貙拥淖冃翁幱诳煽氐姆秶鷥?nèi)，是完全合理的。