某輸變電工程深基坑降水止水措施及開挖變形研究

摘 要：【目的】為了降低某輸變電工程地下水和軟弱土體帶來的施工風(fēng)險，保證深基坑安全施工，通過分析其工程和水文地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了井管降水和高壓旋噴樁止水方案?！痉椒ā繕?gòu)建基坑剖面網(wǎng)格模型，采用有限差分法模擬該深基坑開挖導(dǎo)致的變形?！窘Y(jié)果】計(jì)算結(jié)果表明，第一步放坡開挖后，最大水平位移為26.7 mm，最大坑底隆起為10 mm；第二步開挖后，基坑水平位移最大為24.6 mm，地連墻水平位移最大約為15 mm，最大地表沉降為6.5 mm，開挖變形均在安全范圍內(nèi)?！窘Y(jié)論】模擬結(jié)果表明，在該工程的水文地質(zhì)條件下，所設(shè)計(jì)的降水止水及開挖方案安全合理，對類似條件下的深基坑工程施工具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：深基坑開挖；土釘墻；止水帷幕；有限差分法；基坑變形

中圖分類號：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.012

Research on Water-stopping Measures and Excavation Deformation of Deep Foundation Pit in a Power Transmission Project

WANG Jinlun LIU Huimin FAN Chenguang

（MCC Wukan Engineering Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] In order to reduce the construction risk caused by groundwater and soft soil in a power transmission project and ensure the safe construction of deep foundation pits， the well-pipe descending and high-pressure rotary piling water-stopping schemes are designed by analyzing its engineering geological and hydrogeological conditions. [Methods] The pit profile grid model is constructed， and deformations caused by excavation of the deep foundation pit are simulated using finite-difference method. [Findings] Calculation results show that after the first step of sloping excavation， the maximum horizontal displacement is 26.7 mm， and the maximum pit bottom bulge is 10 mm; after the second step of excavation， the maximum horizontal displacement of the pit is 24.6 mm， the maximum horizontal displacement of the ground wall is about 15 mm， the maximum surface settlement is 6.5 mm， and the deformations of the excavation are within the safety range. [Conclusions] The simulation results show that under the engineering geological and hydrogeological conditions， the designed precipitation and water stopping as well as excavation schemes are safe and reasonable， and have certain reference significance for deep foundation pit projects under similar conditions.

Keywords： deep foundation pit excavation; soil nail wall; water-stopping curtain; finite difference method; foundation pit deformation

0 引言

輸變電站建設(shè)是關(guān)乎國計(jì)民生的重要工程。由于輸變電站上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其對地下空間也有利用需求，通常需要開挖深基坑［1-2］，在開挖時，一要采取合適的降水和止水措施來消除地下水的影響［3］；二要采用合理的開挖支護(hù)方案來控制深基坑開挖引起的變形，以保證施工安全［4-5］。相關(guān)學(xué)者針對深基坑的降水止水和開挖支護(hù)方案開展了大量研究［6-7］。李慧慧等［8］以杭州城北某深大基坑為例，詳細(xì)介紹了其基坑特點(diǎn)及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并采用PLAXIS有限元數(shù)值軟件建立三維模型，模擬基坑開挖過程，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了基坑變形特點(diǎn)。陳俊?。?］采用ABAQUS軟件進(jìn)行三維建模，模擬分析了武漢某基坑開挖過程，并預(yù)測了周圍土體的水平位移、垂直位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。趙逸博等［10］以深圳某地鐵深基坑工程為例，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立三維基坑模型，分析了深基坑降水與開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑物沉降變形的影響，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

本文以某輸變電工程的深基坑為研究對象，通過分析其工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì)降水和止水方案，并構(gòu)建基坑剖面網(wǎng)格模型，采用有限差分法模擬該深基坑開挖導(dǎo)致的變形，以驗(yàn)證開挖支護(hù)方案的合理性。研究成果對類似工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下的深基坑工程施工具有一定的參考意義。

1 工程概況

該工程基坑長約55 m，寬約33 m，總面積約1 700 m2，總開挖深度約17 m。該基坑分兩步開挖，第一步放坡開挖，開挖深度為6 m，支護(hù)形式采用放坡+土釘墻支護(hù)體系，并設(shè)置車輛通行坡道，場地標(biāo)高約為-6.45 m。第二步開挖深度約11 m，基坑開挖深度較深，基坑支護(hù)形式采用支護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)，共設(shè)置兩道內(nèi)支撐，第一道內(nèi)支撐中心線標(biāo)高為-6.05 m，第二道內(nèi)支撐中心線標(biāo)高為-12.05 m。

基坑北側(cè)為E16市政道路，基坑西側(cè)緊鄰已施工完成的供水站及水池，基礎(chǔ)形式采用筏板，基底埋深10.3 m，距離基坑支護(hù)排樁距離約3.8 m。南側(cè)3#供熱中心站，距離基坑約12 m，基坑?xùn)|側(cè)為N6市政道路，距離基坑約21 m?；又苓呌绊懛秶鷥?nèi)無超載現(xiàn)象和地下管線。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

該工程區(qū)地貌類型為華北沖洪積平原地貌，總趨勢為自西向東緩傾。該基坑工程地層主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)沖積成因的黏性土、粉土及砂類土。按埋藏條件將各土層特征自上而下分述如下：第①層主要為人工堆積的填土，由周邊建筑開挖后回填，以及開挖棄土堆積產(chǎn)生；第②大層主要為粉土與粉質(zhì)黏土互層，局部夾有薄的細(xì)砂夾層，粉土與粉質(zhì)黏土性質(zhì)較為接近，且相變頻繁；第③層土主要為③1層細(xì)砂，僅在S10、S16勘探點(diǎn)附近揭遇③2層粉土；第④層主要為粉質(zhì)黏土，局部地段含有少量的粉土層；第⑤層主要為細(xì)砂；第⑥層主要為粉質(zhì)黏土，局部相變?yōu)榉弁?。工程區(qū)周圍無大的活動斷裂，歷史上未發(fā)生過破壞性地震，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造基本穩(wěn)定。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水類型分為賦存與第四系松散堆積物中的潛水及承壓水。潛水位高程為-5.92～-5.79 m，主要賦存于②2粉土（Q4al）層，深度為 11.52～11.39 m；承壓水頭高程為-9.46 m，主要賦存于②3粉土（Q4al）及②3細(xì)砂（Q4al）層，深度為15.06 m?；痈浇叵滤饕a(bǔ)給來源為降雨入滲，排泄方式為蒸發(fā)排泄和人工排泄。地下水位變化目前主要受季節(jié)變化的影響，年變化幅度為1.00～2.00 m。

3 深基坑降水及止水措施

基坑降水是基坑工程中一項(xiàng)十分重要的工作。合理有效的降水措施可以降低基坑周圍的地下水位，防止因?yàn)榈叵滤贿^高導(dǎo)致的基坑滲漏、涌水涌沙、崩塌等災(zāi)害的發(fā)生。由于該工程地下水位位于基坑開挖影響范圍以上，基坑開挖前應(yīng)先進(jìn)行降水作業(yè)。綜合考慮本基坑工程的開挖深度、地下水分布狀況和類似工程經(jīng)驗(yàn)，決定采用管井進(jìn)行基坑降水。具體降水方案是在基坑內(nèi)布置疏干降水井5口，井深為11.0 m，降壓井5口，井深為17.0 m，坑外觀測井2口，井深為17.0 m。管井井身孔口直徑為600 mm，成井內(nèi)徑為273 mm，濾料為Ф2～4 mm的礫石，濾料要求磨圓度好，無明顯風(fēng)化現(xiàn)象，自然地面以下2.0 m采用黏土封填。

為了進(jìn)一步降低地下水對基坑安全施工的威脅，設(shè)置196根直徑為850 mm的雙重管法高壓旋噴樁構(gòu)成止水帷幕，根據(jù)不同位置的地質(zhì)條件，將樁長設(shè)置為18.7～28.7 m。樁身水泥強(qiáng)度等級為P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥∶粉煤灰=1∶0.3，水泥和粉煤灰用量為550 kg/m3，水泥漿液的水灰比為0.8。該基坑的止水帷幕和支護(hù)樁布置如圖1所示。

4 深基坑開挖變形

4.1 構(gòu)建基坑數(shù)值模型

由于該基坑開挖深度大，開挖形式復(fù)雜，且周圍土體性質(zhì)較差，需要對基坑開挖導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體變形進(jìn)行控制，以防止變形過大引發(fā)事故。因此，以A-A’剖面為典型剖面，構(gòu)建基坑剖面網(wǎng)格模型，采用有限差分法對基坑開挖過程進(jìn)行模擬，以分析基坑開挖導(dǎo)致的土體變形，用于驗(yàn)證開挖和支護(hù)方案的合理性。

基坑剖面網(wǎng)格模型如圖2所示。該模型長170 m，寬60 m，包含41 716個網(wǎng)格單元和26 233個節(jié)點(diǎn)，一共由支護(hù)樁和5層土體構(gòu)成，分別是②1粉土、②2粉質(zhì)黏土、④1粉質(zhì)黏土、⑤細(xì)砂和⑥1粉質(zhì)黏土。根據(jù)勘察資料將地下水位埋深設(shè)置為18.2 m。地層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。根據(jù)勘察資料，各地層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

4.2 第一步放坡開挖變形分析

該基坑放坡開挖深度為6 m，坡比為1∶1.5，采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)。土釘長度為12 m，與水平面夾角為15°，橫縱間距均為1.5 m。放坡開挖后，基坑的變形如圖3所示。由圖3（a）可知，放坡開挖并采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)后，該基坑的水平位移主要分布在邊坡后方和下方部位，最大水平位移為26.7 mm。由圖3（b）可知，放坡開挖后該基坑的豎向位移主要發(fā)生在邊坡后方的土體和基坑底部。邊坡后方主要表現(xiàn)為地表沉降，最大沉降為144.2 mm；基坑底部主要表現(xiàn)為坑底隆起，最大隆起為10 mm。由于地表沉降量較大，有必要采取措施對地表沉降進(jìn)行控制，以免影響周邊建筑和其他基礎(chǔ)設(shè)施。

4.3 第二步開挖變形分析

放坡開挖完成后，基坑采用支護(hù)樁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行支護(hù)，然后進(jìn)行第二步開挖。支護(hù)樁混凝土強(qiáng)度等級為C30水下混凝土，樁直徑為1.0 m，樁中心間距為1.2 m，根據(jù)地質(zhì)條件，樁長度為24.9～35.9 m，總樁數(shù)145根。支護(hù)樁間采用噴射混凝土護(hù)坡，混凝土強(qiáng)度等級C20，混凝土面層厚度不小于10 mm。該工程共設(shè)置兩道鋼筋混凝土梁內(nèi)支撐，第一道內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-6.05 m，第二道內(nèi)支撐中心標(biāo)高為-12.85 m，內(nèi)支撐混凝土標(biāo)號為C35。

由于支護(hù)樁為圓柱形，而基坑剖面模型厚度較小，為避免建模和計(jì)算工作的復(fù)雜化，根據(jù)相關(guān)研究，開挖過程中地連墻的受力特征與支護(hù)樁的受力特征相似，因此采用地連墻代替支護(hù)樁進(jìn)行建模和計(jì)算。地連墻采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)式（1）和式（2）對地連墻厚度進(jìn)行計(jì)算，具體見式（1）和式（2）。地連墻參數(shù)見表2。

[112D+th3=164πD4] （1）

[h=0.838D311+tD] （2）

式中：D為樁直徑；t為樁凈距；h為地連墻厚度。

添加第一層內(nèi)支撐后開挖第一層土體基坑產(chǎn)生的變形如圖4所示，之前放坡開挖產(chǎn)生的變形已清除。由圖4（a） 可知，第一層土體開挖后，基坑水平位移主要分布在基坑兩邊側(cè)壁的下方，位移方向朝向基坑內(nèi)部，水平位移最大分別為18.7 mm和17.9 mm?；拥撞砍霈F(xiàn)少量水平位移，位移方向朝向本側(cè)基坑內(nèi)壁，即左側(cè)底部的位移方向向左，右側(cè)底部的位移方向向右。基坑底部附近的地連墻水平位移約為10 mm，方向朝向基坑內(nèi)部。由圖4（b） 可知，第一層土體開挖后，基坑的豎向位移主要分布在基坑底部，表現(xiàn)為坑底隆起，最大隆起量為161.2 mm。基坑周圍地表出現(xiàn)了少量沉降，沉降最大為4.1 mm。

添加第二層內(nèi)支撐后開挖第二層土體基坑產(chǎn)生的變形如圖5所示。由圖5（a） 可知，第二層土體開挖后，基坑水平位移主要分布在基坑兩邊側(cè)壁的下方，與開挖第一層土體相似，位移方向朝向基坑內(nèi)部，水平位移最大均為24.6 mm。基坑底部附近的地連墻水平位移約為15 mm，方向朝向基坑內(nèi)部。由圖5（b） 可知，第二層土體開挖后，基坑的豎向位移主要分布在基坑底部，表現(xiàn)為坑底隆起，最大隆起為199.9 mm。而基坑周圍的地表沉降由開挖第一層土體產(chǎn)生的4.1 mm增加至6.5 mm。

根據(jù)基坑監(jiān)測方案，該基坑第二步開挖過程中需對坡頂位移、支護(hù)樁水平位移和坑外地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，以便及時掌握基坑變形情況，保證基坑安全施工。位移監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)值模擬結(jié)果見表3。由表3可知，基坑第二步開挖產(chǎn)生的變形均在允許范圍內(nèi)，證明在該工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，所制定的開挖和支護(hù)方案是合理的。

5 結(jié)論

基坑開挖過程中的降水和變形控制對基坑工程安全性具有重要意義。本研究以某輸變電工程基坑為研究對象，根據(jù)工程區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了降水和止水方案，并構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，采用有限差分法計(jì)算了基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，得出以下結(jié)論。

①采用管井進(jìn)行基坑降水，疏干降水井5口，井深為11.0 m，降壓井5口，井深為17.0 m，坑外觀測井2口，井深為17.0 m；采用直徑為850 mm的高壓旋噴樁構(gòu)建止水帷幕。

②放坡開挖后并采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)后，該基坑的最大水平位移為26.7 mm，最大地表沉降為144.2 mm，最大坑底隆起為10 mm。

③添加第一層內(nèi)支撐后開挖第一層土體，基坑水平位移最大為18.7 mm，地連墻水平位移約為最大約10 mm，最大坑底隆起為161.2 mm，基坑周圍地表沉降最大為4.1 mm；添加第二層內(nèi)支撐后開挖第二層土體，基坑水平位移最大為24.6 mm，地連墻水平位移最大約為15 mm，最大坑底隆起為199.9 mm，最大地表沉降為6.5 mm。

④經(jīng)過對比，該基坑第二步開挖產(chǎn)生的變形均在允許范圍內(nèi)，證明在該工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，所制定的開挖和支護(hù)方案是合理的。

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