某深基坑開挖對周邊環(huán)境影響的數(shù)值分析

周 健，楊 艷，唐玉陽，程春英

(1.中楚工程勘察設計咨詢有限公司，武漢 430073；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430014；3.湖北別一閣鋼結(jié)構(gòu)科技開發(fā)有限公司，武漢 430070)

在目前“雙碳”目標的大背景下，武漢市作為國家可再生能源建筑應用示范城市，在某商務區(qū)規(guī)劃了一座江水源能源站滿足區(qū)域供冷供熱需求。由于中心城區(qū)土地供應緊張，能源站設置于地下且緊鄰長江，此時基坑開挖時的自身穩(wěn)定及對周邊環(huán)境的影響顯得尤為重要。李方成等[1]利用Midas對武漢某深基坑施工過程進行了仿真模擬計算并分析了其對基坑穩(wěn)定性的影響。孫超等[2]對長春某基坑施工過程進行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，表明計算模型與實際吻合，模擬軟件Midas 具有一定的可靠性。

該工程位于長江Ⅰ級階地，地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件較復雜。通過對深基坑開挖的施工過程進行數(shù)值模擬，計算各工況下的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及土體變形，結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬的正確性，分析深基坑施工對周圍環(huán)境的影響，為基坑施工的安全提供技術保障，同時也可為漢口濱江地區(qū)基坑工程提供參考。

1 工程概況

該項目為地下一層設備用房，主要包括控制室、配電室、設備間、蓄能水槽等。設備機房布置于能源站中部，蓄能水槽布置于建筑南部，控制室、配電室布置于西北部，且位于擬建地下市政環(huán)路正上方。由于能源站與擬建環(huán)路空間關系密切，為節(jié)省投資，業(yè)主擬將兩單體工程基坑合二為一。合建后站房基坑平面近似矩形，長約130 m，寬約80 m，周長約420 m，總面積約1.1萬m2?；悠胀谏疃?0.20 m，局部開挖至12.90～14.80 m，安全等級為一級。

1.1 周邊環(huán)境

擬建場地周邊環(huán)境較為復雜，分布有已建道路、住宅小區(qū)等。其中西側(cè)100 m處為已建住宅小區(qū)；北側(cè)邊界為已施工地下連續(xù)墻；南側(cè)為沿江大道及防洪墻，道路紅線距離支護結(jié)構(gòu)外邊線距離最大約6.0 m，距離堤防防洪墻最小約60 m，且沿線分布有燃氣、雨水、電力、通信等各類地下管線。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地位于長江Ⅰ級階地，屬長江沖積平原地貌，地形平坦，地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件較復雜。根據(jù)該項目巖土工程勘察報告，開挖深度范圍內(nèi)主要土層為：①雜填土；②粉質(zhì)黏土夾粉土；③粉細砂夾粉土；④粉細砂。其詳細的物理參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理參數(shù)表

1.3 基坑支護方案

該工程基坑支護設計方案為：1)北側(cè)利用已施工地下連續(xù)墻進行支護，地連墻厚1.0 m，深48 m；2)東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)采用樁頂放坡+鉆孔灌注樁+一道(局部兩道)鋼筋砼樁，樁長約20 m，樁身混凝土強度等級為C30；3)側(cè)壁采用懸掛式止水帷幕(即兩排三軸攪拌樁)防滲止水，基坑內(nèi)設置管井降水。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定與邊界條件

根據(jù)該工程場地工程地質(zhì)條件和基坑支護設計方案，利用Midas GTS有限元軟件，考慮模型的尺寸效應，建立基坑的三維數(shù)值模型模擬基坑開挖過程。為簡化計算、保證運算結(jié)果收斂，針對該項目做如下假定：1)假定土體為水平層狀分布，土體為均質(zhì)體；2)土體本構(gòu)模型選用修正Mohr-Coulomb模型，鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)為彈性模型；3)土體不考慮排水固結(jié)及地下水滲流的影響。

根據(jù)相關規(guī)范與工程經(jīng)驗[3-6],深基坑數(shù)值模型的計算深度取基坑底部以下2～3H，影響寬度取3～5H(H為基坑開挖深度)，模擬計算區(qū)域的面積為300 m×200 m。邊界條件為：底面水平和垂直方向均固定，側(cè)面水平方向固定，頂面自由。該模型中涉及的土層按照不同材料分為7層，材料參數(shù)選取見表1、表2。

表2 土層材料參數(shù)表

同時支護樁按等剛度轉(zhuǎn)換原則折算成相應厚度連續(xù)墻。折算規(guī)律如式(1)所示。

(1)

式中,D為灌注樁直徑,m；t為樁間空隙距離,m；H為等效后樁墻體系的厚度,m。折算后，φ1 200排樁折算成930 mm厚連續(xù)墻,φ1 400排樁折算成1 100 mm厚連續(xù)墻。

2.2 開挖模擬工況

首先建立土體網(wǎng)格模型并賦予相應材料屬性，添加約束組和荷載組，然后根據(jù)施工順序逐步鈍化土體網(wǎng)格，激活相應支護單元，最后運行分析。此次模擬將基坑施工分六步工況進行：

工況1：初始地應力計算。

工況2：澆筑排樁，嵌入基坑底部土體20 m，同時施工立柱樁。

工況3：樁頂放坡開挖至-3.6 m(假定自然地面為0.000 m)。

工況4：開挖土體至-4.6 m，在-3.60 m澆筑第一道鋼筋混凝土支撐。

工況5：開挖土體至-10.2 m，在-9.20 m處澆筑第二道鋼筋混凝土支撐。

工況6：開挖至坑底-12.9 m，局部開挖至-14.8 m。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 基坑變形分析

1)排樁變形

南側(cè)(基坑長邊)排樁在基坑開挖至-4.6 m后，排樁剛開始發(fā)揮支護作用，樁身最大位移為0.75 mm，但樁頂位移接近0 mm；開挖至坑底-12.9 m后，距離樁頂(含冠梁)5.0 m處位移最大，達到最大9.75 mm；東側(cè)(基坑短邊)排樁在基坑開挖至-4.6 m后，排樁剛開始發(fā)揮支護作用，樁身最大位移為0.77 mm，樁頂位移為-0.3 mm；當開挖至-10.2 m(第二層支撐底)時，樁身最大位移為3.76 mm，樁頂位移為3.38 mm；開挖至坑底-14.8 m時，樁頂位移為6.46 mm，樁身最大位移為8.33 mm，距離樁頂(含冠梁)約6.0 m。圖1、圖2給出了位于基坑長邊南側(cè)(即沿江大道側(cè))中部的CX05#及東側(cè)中部的CX08#監(jiān)測點在支護結(jié)構(gòu)部的水平位移?？梢钥闯觯?1)基坑南、東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖深度的增加,呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。在開挖至坑底時達到最大值，位移最大處為距離支護樁(含冠梁)4～6 m處。(2)將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較,差距最大處為樁頂處3.86 mm，最小處僅為0.02 mm。這是由于軟件中土體采用修正摩爾庫倫模型，計算時考慮了土體的卸荷回彈，此時樁體與土體協(xié)調(diào)變形，故樁頂偏向基坑外側(cè)，水平位移計算值會略小于實測值；隨著土體深度加大，外部土體受基坑開挖卸荷影響越來越小，這時水平位移計算值又較為接近實測值。因此，Midas GTS 軟件在該工程案例應用中具有一定的準確性與可靠性。(3)按照《湖北省基坑工程技術規(guī)程》的相關規(guī)定：重要性等級為一級的基坑工程支護結(jié)構(gòu)水平變形控制值最大限值為30 mm，該工程實測水平位移最大值為 12.88 mm，滿足規(guī)范要求。

2)地下連續(xù)墻變形

圖3為基坑北側(cè)地連墻各工況的水平位移，基坑開挖至-4.6 m后，第一層支撐還未完全發(fā)揮作用，開挖卸荷致使墻體頂部位移約為0.38 mm，墻身整體位移較?。婚_挖至坑底-10.2 m時，支護結(jié)構(gòu)與第一層支撐開始工作，墻體發(fā)生彎曲變形。由于支撐的限制作用，水平位移最大處并非墻頂，而是發(fā)生在距離墻頂5.6 m處，約17.5 mm，深度超過32 m后變形逐漸減小。與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相比，墻身位移曲線趨勢變化大致相同，但數(shù)值略有差別，這是由于現(xiàn)場施工時在地連墻施工時對外側(cè)土體利用高壓旋噴樁進行了加固，增大了土體抗剪強度及壓縮模量，因此樁頂位移實測值相對較小。

3)基坑土體隆起與沉降

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，基坑開挖至-3.6 m后，坑底隆起變形，最大豎向變形量達10.2 mm，基坑周圍在外荷載及坑內(nèi)開挖卸荷作用下變形量隆起約3.5 mm；開挖土體至-4.6 m(第一層支撐底)后，坑底隆起量最大約為12.70 mm，基坑周邊豎向位移無明顯變化；開挖土體至-10.2 m(第二層支撐底)時，坑底隆起量最大約為34.1 mm，基坑周圍最大沉降約4.5 mm，最大隆起約0.8 mm，變形量極??；開挖至坑底-12.4 m，坑底隆起量為39.5 mm，基坑周圍位移無明顯變化?？梢?，隨著基坑開挖深度的加深，坑底隆起變形在逐漸增大，位移量超過20.0 mm的范圍也進一步擴大；基坑周圍沉降變化量雖然也處于增加趨勢，但逐漸趨于穩(wěn)定。因此可以看出基坑開挖對坑內(nèi)土體豎向位移影響較大，對基坑四周土體豎向位移影響卻不明顯[7,8]。

由圖4、圖5可知，地表沉降呈現(xiàn)時空分布規(guī)律，在時間上隨著基坑工程的進行，地表沉降值逐漸增加，基坑周邊各監(jiān)測點沉降曲線趨勢基本相同；在空間上，地表沉降主要與距離深基坑邊緣的距離有關，土體沉降值隨著距離的增加逐漸增大，在達到最大值之后，隨著距離的增加而逐漸減小，最終保持穩(wěn)定。

沉降變形計算值與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢相同，但實際監(jiān)測數(shù)據(jù)要大于計算數(shù)值，這主要是由于計算模型未考慮由管井降水引起的土體沉降造成的。

3.2 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力

1)支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力

基坑周邊支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的樁(墻)身最大彎矩為888.4 kN/m，剪力為433.90 kN。

2)內(nèi)支撐內(nèi)力

隨基坑開挖深度的增加，第一、二層支撐逐漸發(fā)揮作用，內(nèi)支撐及圍檁軸力不斷增大直至穩(wěn)定。內(nèi)力計算值見表3。

表3 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力統(tǒng)計表

3.3 環(huán)境影響分析

基坑南側(cè)距離沿江大道邊線約6 m，通過模擬計算與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，道路邊線最大水平位移為3.9 mm，最大豎向位移為13.1 mm；道路中心處最大水平位移為1.9 mm，最大豎向位移為6.9 mm；堤防防洪墻最大水平位移為0.7 mm，最大沉降小于2.0 mm。道路及防洪墻總沉降量均未超過《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)與《水工擋土墻設計規(guī)范》(SL 379—2007)規(guī)范中限值，故基坑開挖對道路與各類管線及堤防安全穩(wěn)定運行均不構(gòu)成影響；基坑東側(cè)、北側(cè)均為空曠地帶，且支護結(jié)構(gòu)變形在規(guī)范限值范圍以內(nèi)，西側(cè)住宅小區(qū)處位移變化量極小。因此，基坑開挖不會影響周邊環(huán)境安全。

4 結(jié) 論

a.基坑外部土體隆起僅在開挖第1階段到第2階段較為敏感，后期逐漸趨于穩(wěn)定。開挖至基底時，土體隆起明顯，故開挖結(jié)束后應盡快施工結(jié)構(gòu)底板，避免變形加劇。

b.基坑周邊沉降值的變化趨勢與地表沉降較為一致，且與基坑距離呈反比。

c.支護結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖深度的增加而增大，且支護結(jié)構(gòu)變形特點為上端大、下端小，由于樁頂內(nèi)支撐的作用，樁身最大位移出現(xiàn)在上部1/3樁長處。

d.根據(jù)實測數(shù)據(jù)反演計算，樁底水平位移趨近于零，模擬時樁端可適當限制樁端水平位移。

e.基坑開挖對周邊環(huán)境，特別是對沿江大道與堤防安全穩(wěn)定運行不造成影響。

f.雖然數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果略有差別，但兩者變化趨勢基本吻合，因此采用Midas GTS進行基坑開挖支護的全過程數(shù)值模擬分析，能夠檢驗基坑支護方式的合理性，也能為實際基坑開挖提供數(shù)據(jù)支撐。