盾構(gòu)工作井深基坑變形規(guī)律的數(shù)值模擬及分析

王建學(xué), 劉浩陽

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東科正水電與建筑工程質(zhì)量檢測有限公司，廣州 510170)

水資源合理分配關(guān)乎我國民生大計(jì)，城市人口的快速增長使得水資源條件相對豐富的南方城市也會存在缺水矛盾，為滿足城市用水需修建相應(yīng)的水資源配置工程。在建設(shè)過程中，盾構(gòu)隧洞手段被廣泛使用，工作井作為盾構(gòu)施工中的必要部分具有開挖截面小、深度大、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)[1]?；娱_挖會影響周邊巖土體的不穩(wěn)定性，使得在開挖過程中易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致基坑塌陷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全問題[2-3]。因此，提前預(yù)測計(jì)算基坑的安全穩(wěn)定性很有必要，采用數(shù)值模擬對基坑在開挖過程中的變形規(guī)律進(jìn)行研究分析是一種高效經(jīng)濟(jì)的手段，且由于小尺寸深基坑受尺寸效應(yīng)影響明顯,采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行土壓力計(jì)算難免與實(shí)際土壓力存在一定差異，對此類基坑進(jìn)行有限元計(jì)算更加必要[4-7]。且隨著技術(shù)手段的成熟，所得計(jì)算結(jié)果與基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)反過來也對基坑開挖支護(hù)設(shè)計(jì)方法及理論研究有推動作用[8-9]。

本文依托珠江三角洲水資源配置工程SZ02#基坑工程項(xiàng)目，通過有限元軟件FLAC3D對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和基坑整體的豎向位移，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程從珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標(biāo)是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，該工程輸水線路總長為113.1 km。SZ02#盾構(gòu)工作井深基坑位于深圳分干線，基坑平面外尺寸(長×寬)為29.0 m×16.5 m，井深為33.4 m，開挖深度為34.5 m。為地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻厚度為1.0 m。

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，典型地質(zhì)分層情況如圖1所示，其各層物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。建模所需材料參數(shù)：厚度為H、重度為γ、壓縮模量為ES、粘聚力為c、內(nèi)摩擦角為φ、泊松比為v、彈性模量為E。

表1 巖土層參數(shù)取值

圖1 工作井典型地質(zhì)剖面示意

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型建立及參數(shù)

基坑尺寸為29.0 m×16.5 m×33.4 m，考慮模型的對稱性選取1/2模型進(jìn)行建模計(jì)算?；悠矫嬉?guī)模大小直接關(guān)系沉降影響范圍大小，整體模型平面尺寸長和寬均取基坑模型的4倍。考慮土體土質(zhì)較好，模型高度選取基坑開挖深度3倍。最終確定模型尺寸為 58 m×66 m×100.2 m。

建模工作由兩部分組成，實(shí)體模型部分包括土體和地下連續(xù)墻；結(jié)構(gòu)單元部分為鋼筋混凝土支撐與鋼支撐簡化后的混凝土支撐。為計(jì)算方便，水平支撐梁包括壓頂梁及腰梁橫截面尺寸均取1 600 mm×1 200 mm，支撐橫截面尺寸均簡化為1 000 mm×1 200 mm。

網(wǎng)格劃分本著近密遠(yuǎn)疏的原則，計(jì)算模型共計(jì)101 088個單元，111 677個節(jié)點(diǎn)。

邊界條件：限制模型水平方向(X)和進(jìn)深方向(Y)位移，Y=0處采用對稱邊界，模型底部全固定，地表為自由邊界。

計(jì)算模型中巖土材料采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫倫)模型，巖土層的厚度以基坑中心軸線上的各土層平均厚度為準(zhǔn)；開挖模型采用Null(空)模型；地下連續(xù)墻及水平支撐梁都采用混凝土材料進(jìn)行模擬，按照彈性材料進(jìn)行考慮[10]。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 開挖分析步設(shè)置

本次模擬基坑開挖共設(shè)置8個計(jì)算步，具體開挖分析步驟設(shè)置如下，基坑三維模型如圖2所示。

圖2 基坑開挖三維模型示意

第1步初始步，地應(yīng)力平衡計(jì)算；

第2步開挖第1層，挖深5.0 m，開挖至13.4 m，并設(shè)第1道水平支撐；

第3步開挖第2層，挖深5.0 m，開挖至8.4 m，并設(shè)置第2道水平支撐；

第4步開挖第3層，挖深4.35 m，開挖至4.05 m，并設(shè)置第3道水平支撐；

第5步開挖第4層，挖深4.5 m，開挖至-0.45 m，并設(shè)置第4道水平支撐；

第6步開挖第5層，挖深4.3 m，開挖至-4.75 m，并設(shè)置第5道水平支撐；

第7步開挖第6層，挖深6.0 m，開挖至-10.75 m，并設(shè)置第6道水平支撐；

第8步開挖第7層，挖深4.25 m，開挖至-15.0 m，并設(shè)置第7道水平支撐。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑開挖是一個動態(tài)過程，與之有關(guān)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊環(huán)境影響也在動態(tài)變化中。因此，在施工過程中，必須對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位、全過程的掌握。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，本次數(shù)值模擬選定的主要控制指標(biāo)預(yù)警值見表3。

表3 模擬主要控制指標(biāo)預(yù)警值

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

對地下連續(xù)墻深層水平位移量的觀測可以實(shí)時反映深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的地下連續(xù)墻沿水平方向的變化趨勢，其最大值是否超過報(bào)警值是衡量基坑安全與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1短邊1/2處深層水平位移分析

通過數(shù)值模擬結(jié)果比較，選取基坑模型短邊1/2處作為地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)位置，該位置處深層水平位移曲線如圖3所示。

圖3 代表位置處地連墻深層水平位移曲線示意

從模擬結(jié)果來看，地連墻主要受到后方土體的主動土壓力而向基坑內(nèi)有擠壓趨勢，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力十分微小，與地連墻水平位移的變化趨勢均呈現(xiàn)中間大，兩端小的的“弓形”變化趨勢。隨著開挖深度的增加，地連墻深層水平位移逐漸增大，且位移最大值位置逐漸下移。在第1層開挖時，水平位移最大值出現(xiàn)在1.89 m處深度，其值為1.42 mm。此后隨著工程的繼續(xù)開挖，水平位移在第7次開挖時達(dá)到最大，最大值處于21.12 m深，其值為18.20 mm，滿足監(jiān)測預(yù)警值20 mm要求。這是由于隨著基坑的逐漸開挖，地下連續(xù)墻前后水土壓力平衡不斷地被打破，墻后土體需要不斷變形以保持平衡，繼而對地連墻造成壓力輸出，使地連墻發(fā)生水平位移。

其中第4、5、6次開挖水平位移最大值增加幅度較大，較前次開挖分別增大3.94 mm，3.72 mm，且最大值所處深度位置同樣變化很大，這是由于此時開挖過程主要處于巖質(zhì)相對較差、深度較深的全風(fēng)化巖附近處。在實(shí)際基坑開挖過程中應(yīng)注意實(shí)時監(jiān)測及時控制變形量來保證工程順利進(jìn)行。地連墻頂部水平位移隨開挖深度增加而逐漸增大。在前4層基坑開挖時，由于開挖深度相對較淺，此時墻后主動土壓力值相對較小且地連墻在下部未開挖土體中嵌固段較長的原因，地下連續(xù)墻頂部水平位移值較小，約為1.2 mm。從第5次開挖開始頂部水平位移開始逐漸增大，在開挖第7層土體時水平位移達(dá)到最大約6.2 mm。工程中應(yīng)著重于開挖深度較大時的相關(guān)監(jiān)測。圖4為地連墻頂部水平位移模擬值與實(shí)測值對比示意，對比發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)結(jié)果較為相近，變形規(guī)律以相同趨勢迅速增大，且均未超過預(yù)定報(bào)警值。

圖4 地連墻頂部水平位移模擬值與實(shí)測值對比示意

3.2.2水平支撐處深層水平位移分析

基坑設(shè)置了多道水平支撐，對地下連續(xù)墻的水平位移起到了很好的限制作用。為了觀察水平支撐對地下連續(xù)墻的深層水平位移有益效果，基坑開挖計(jì)算得到的水平支撐處地下連續(xù)墻水平位移曲線如圖5所示。

圖5 支撐位置地連墻深層水平位移曲線示意

地下連續(xù)墻深層水平位移在支撐處被極大的限制，位移較大值基本都集中在支撐間隙。第1道支撐在深度0 m處的水平位移基本為0 mm，第2、3道支撐處水平位移也未超過1 mm，即使第7道支撐處即深度25 m左右水平位移也僅約為6 mm。深層水平位移最大出現(xiàn)在第7次開挖時深度22.5 m的第6、7道支撐之間，為12 mm左右，相比于圖2中最大18.20 mm要小，地下連續(xù)墻整體深層水平位移顯著改善，直觀表明設(shè)置水平支撐可大幅度提高深基坑穩(wěn)定性。

3.2.3水平內(nèi)支撐軸力分析

數(shù)值模擬水平支撐內(nèi)軸力為壓應(yīng)力(見表4)，隨著開挖深度的增加，軸力最大值逐漸增大，且在基坑開挖到第7層時達(dá)到最大值2 117.5 kN，與深層水平位移變形規(guī)律相呼應(yīng)。前5次開挖軸力最大值均出現(xiàn)在開挖工序最后1層水平鋼支撐上，第7次開挖軸力最大值出現(xiàn)在基坑長邊工字梁腰鋼上(如圖6所示)，因?yàn)榈?層水平鋼支撐布置4根且設(shè)有4個鋼角板和4根斜支撐，有效分擔(dān)短邊所設(shè)鋼支撐的軸力。平均深度軸力增速為內(nèi)支撐軸力最大值增長量與單層開挖深度的比值，平均深度軸力增速同開挖深度成正相關(guān)，基坑變形情況愈加明顯。測點(diǎn)SZ02#-S7C3～4布置在第7層水平鋼支撐上，此部位實(shí)測最大值為722 kN，模擬最大值為1 076 kN與實(shí)測值接近，考慮水平支撐進(jìn)行了大量簡化計(jì)算，存在一定誤差，均未超過報(bào)警值。

表4 水平內(nèi)支撐軸力模擬值

圖6 第7次開挖內(nèi)支撐軸力變化云示意

3.3 基坑豎向位移分析

隨著工程的逐步開挖，基坑內(nèi)外土體的豎向位移均會發(fā)生變化，基坑周圍土體發(fā)生不同程度的沉降，而基坑底部則由于原先所具有的土體荷載逐漸減小，剩余土體自重應(yīng)力得到釋放并向坑底傳遞而導(dǎo)致底部隆起。

提取模擬結(jié)果繪制基坑周邊地表豎向位移變化曲線如圖7所示，通過研究分析可知，發(fā)生的沉降量隨著基坑開挖深度的增加而不斷增加，變形曲線呈“漏斗”形狀，隨著監(jiān)測點(diǎn)距地連墻距離的增加，最終地表豎向位移值趨于平穩(wěn)。受基坑開挖影響的周邊地表沉降范圍主要為距基坑2.5～10.0 m范圍內(nèi)，最大沉降出現(xiàn)在第7次開挖時，距離圍樁5 m左右，約為12.5 mm。

圖7 基坑周邊地表豎向位移變化曲線示意

表5為第7層開挖后周邊地表沉降實(shí)測值與模擬值對比，總體上實(shí)測值的變化趨勢與模擬值一致，靠近地連墻處模擬值稍大于實(shí)測值，這是由于土層參數(shù)設(shè)置為理想狀態(tài)，與實(shí)際存在一定誤差引起的。模擬計(jì)算中土層參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)參考值，并假定土層為均質(zhì)各向同性的理想狀態(tài)，由于靠近基坑邊緣，數(shù)值模擬時將圍樁假設(shè)為地連墻進(jìn)行計(jì)算，故而與實(shí)際存在一些誤差，但無論實(shí)測最大值還是模擬最大值均遠(yuǎn)低于監(jiān)測預(yù)警值24 mm，總體上該誤差可接受。

表5 第7層開挖后周邊地表沉降實(shí)測值與模擬值

基坑開挖過程中土體發(fā)生隆起，呈現(xiàn)中間大兩端小的特點(diǎn)，各層開挖過程中坑底隆起位移最大值見表6。開挖深度淺時，卸荷量較小，坑內(nèi)土體豎向隆起高度較小，隨著開挖深度的增大基底以下土體隆起高度不斷增加。前4層開挖由于所處土質(zhì)一致，坑底隆起增量逐漸增加，第4次開挖基坑底部隆起值增速達(dá)到最大，較第3層開挖隆起值增加3.32 mm。最大隆起位于第5次開挖，基坑底部隆起最大值為11.79 mm，與第4次開挖最大值較為相近，因?yàn)榇藭r雖處于全風(fēng)化巖，但底部距抗擾動性能更好的強(qiáng)風(fēng)化巖較近。第6次基坑底部隆起值分別為8.9 mm和10.03 mm，均小于最大值，因?yàn)殚_挖處于巖質(zhì)較好、壓縮模量較大的強(qiáng)風(fēng)化巖和弱風(fēng)化巖。

表6 各層開挖基坑坑底隆起位移最大值

4 結(jié)語

本文采用FLAC3D軟件對珠江三角洲水資源配置工程SZ02#盾構(gòu)井基坑工程項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和基坑整體的豎向位移進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：

1) 數(shù)值模擬所得結(jié)果與實(shí)測值較為接近，說明模型建立及各項(xiàng)參數(shù)的選擇是可取的，可有效體現(xiàn)基坑變形規(guī)律，具有一定的參考價(jià)值。

2) 小尺寸深基坑地下連續(xù)墻受力以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力和剪切力十分微小。地下連續(xù)墻的深層水平位移變化率受巖土體性質(zhì)影響較大。各層開挖位移變化均在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，基坑設(shè)計(jì)較為合理，處于地質(zhì)較差且開挖深度足夠深的4、5、6次開挖位移增速較快，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)注意。

3) 水平內(nèi)支撐軸力變化趨勢同地連墻變形趨勢相關(guān)，且與實(shí)際測值相近。水平支撐軸力最大值變化率同開挖深度呈正相關(guān)，基坑變形隨開挖深度增大愈加明顯。內(nèi)支撐對地下連續(xù)墻的水平位移起到了很好的限制作用。

4) 基坑沉降范圍主要為距基坑2.5～10.0 m范圍內(nèi)，最大沉降出現(xiàn)在第7次開挖時，距離圍樁5 m左右處，最大值為12.5 mm。

5) 土質(zhì)條件對基坑開挖過程中底部隆起有重要影響，本項(xiàng)目基底隆起最大值位于地質(zhì)條件較差的第4層、第5層開挖過程中，在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注。