深基坑施工對鋼板樁圍堰影響的數值模擬分析

丁德亮 楊 磊 付 猛 于 洋 徐順平

1. 中建三局第二建設工程有限責任公司 武漢 430074；2. 中建三局投資發展公司 武漢 430070

1 工程概況

武漢東湖通道工程規劃北起二環線紅廟立交，與二環線水東段對接，南止于喻家湖路喻家山北路道口，全長約9.86 km。除兩端局部采取高架和地面方式外，全線基本采取隧道建設方式，其中穿東湖隧道段全長約6.88 km，團山隧道段長約1.22 km，地面段長約0.70 km，高架段長約1.06 km。

湖中隧道段采用圍堰明挖法，根據隧道線路走向與沿湖路關系，湖中隧道共形成了5 個圍堰區，如圖1所示。

圖1 湖中段圍堰平面分布

基坑支護形式如圖2所示。

其中第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，BH800 mm×1 000 mm，間距為7 m。第2道支撐位于坑頂下5 m處，為鋼管支撐，Φ609 mm，厚16 mm，間距3.5 m。

2 數值模擬模型參數

在考慮實際挖坑的情況時，為了更好地模擬出基坑第1道支撐與第2道支撐的情況，我們對模型做了改進與重新計算。具體體現在X方向長度變為3.2 m。針對此次基坑開挖的過程，采用ABAQUS軟件進行分析。模型幾何尺寸說明：土體模型X方向尺寸為堰外50 m+圍堰8 m+堰內42 m，Y方向寬度取3.2 m，Z方向土層深度自湖底起25 m，堰芯土高出湖底2.8 m，Z=0處是淤泥頂部位置，各個土層按照地勘新剖面建立。K1+112處的鋼板樁長度迎水面樁15 m，背水面樁18 m，與土體接觸摩擦因數取0.8。拉結鋼筋位于堰芯土頂向下0.5 m處。

圍堰鋼板樁與土體采用接觸分析，摩擦因數取為0.8。支護樁采用慣性矩等效原則取厚度為0.8 m，水泥土攪拌樁厚度取為0.6 m，樁體與土體共節點。

由基坑施工圖中已知第1道支撐間距7 m，第2道支撐間距3.5 m，圍堰內拉結鋼盤間距0.8 m，根據對稱性原理，模型寬度取為3.2 m，此時第1道鋼筋混凝土支撐取實際截面面積一半，0.4 m×1 m；同理，第2道鋼管支撐取Φ305 mm、厚16 mm。

土體采用摩爾庫侖材料模型，通過改變土體的密度體現水的影響。當土體位于水位線以下，土體密度取浮重度；當土體位于水位線以上，密度取飽和質量密度。

基坑深度取為11 m，分4 次開挖，在每一步開挖前有一個降水分析步，將所要開挖的土體重度加大至10 000 N/m3，同時在支護樁上加到降水深度的水平水壓力。開挖采用生死單元，移除所開挖土體單元。

3 基坑開挖數值模擬

基坑開挖數值模擬計算示意見圖3。其中施工載荷為15 kPa，堆土載荷為30 kPa。平整場地1 m后進行挖坑，挖坑深度分別為3 m、2 m、3 m、3 m。

圖3 數值計算示意

3.1 基坑開挖各個步驟的水平位移與豎向位移

在土體的正式開挖前，分別對結構加上施工荷載與堆土荷載，而后進行降水1 m，場地平整，平整場地高度為1 m。在這些因素的共同作用下圍護樁周圍的土體有5.48 cm的水平位移，場地平整后基坑處土體的涌起量大致為2 cm。當然，這也是由于各種因素的影響之下土體才會出現如此大的水平位移。在計算中也并沒有考慮到降水時以及荷載作用下的土質情況的增強。而且這一步的水平位移在實際監測中也不能顯示出來。

第1步開挖開始前，第1道水平支撐建立。其挖坑深為3 m，在水平支撐的作用下，基坑附近的土體的側移得到了很大的遏制，其土體總的位移為5.65 cm，除去整平場地時的位移后，由于挖坑引起的位移僅為0.17 cm，鋼板樁附近的土體水平位移很小，大概為3 cm?；觾炔砍霈F隆起現象，隆起的總位移有7 cm。

第2步挖坑深為2 m。開挖開始后，由于基坑開挖深度的增加。其側移現象有略微的增加?；痈浇馏w總的水平位移為5.86 cm，除去場地整平時的位移為0.38 cm，鋼板樁附近的土體位移也有了一定幅度的增大?；觾炔坷^續出現隆起現象，隆起的位移有9.5 cm。

第3步開挖開始前第2道支撐建立，其挖坑深度為3 m。由于基坑開挖深度的增加。其側移現象繼續有略微的增加?；痈浇馏w總的水平位移為6 cm，除去場地整平時的位移為0.52 cm。鋼板樁附近的土體位移也有了一定幅度的增大?；觾炔坷^續出現隆起現象，隆起的位移有9.6 cm。

第4步開挖深為3 m。由于基坑開挖深度的進一步增加。其側移現象繼續有略微的增加?；痈浇馏w總的水平位移為6.14 cm，除去場地整平時的位移為0.66 cm。鋼板樁附近的土體位移也有了一定幅度的增大。基坑內部繼續出現隆起現象，隆起的位移有9.6 cm。

3.2 基坑開挖各步圍堰及基坑各個部位的位移及增量

基坑開挖的初始狀態時迎水面鋼板樁與背水面鋼板樁的位移為零。

通過計算可知，在基坑開挖第4步完成后，迎水面樁與背水面樁位移分別為0.52 cm與0.52 cm，由此可知開挖過程中鋼板樁的位移并不會很大。而支護樁樁頂的水平位移在第4步完成后為－0.24 cm。圍護樁基本不動，其增量也很小。支護樁坑底部的水平位移在第4步完成后為2.68 cm。便道中線豎向位移在第4步開挖完成后為－0.35 cm，沉降量也并不是很大。隧道中線坑底豎向位移在第4步開挖后為7.91 cm，這主要是由于挖坑過程中土體的隆起造成的。

3.3 基坑開挖各步的拉結鋼筋應力

通過計算可知，隨著基坑開挖的進行，拉結鋼筋應力值都是在5 MPa左右，其變化并不大。第1道支撐軸向應力分別為－0.99 MPa、－1.91 MPa、－1.82 MPa、－1.18 MPa。第2道支撐的軸向應力分別為－28.4 MPa、－63.2 MPa。其中，在第四步挖坑后第二道支撐的應力值較大。

4 結語

根據數值模擬，本基坑DHTDK1+112截面隨著開挖的進行，迎水面樁與背水面樁的水平位移增量很小，在基坑開挖完成后，由基坑開挖引起的迎水面樁與背水面樁的水平位移均為0.52 cm，由基坑開挖引起的基坑周圍土體最大水平位移為0.66 cm，由基坑開挖引起的支護結構頂部最大水平位移為0.26 cm，由基坑開挖引起的基坑內部隆起的最大豎向位移為7.6 cm。隨著基坑開挖的進行，拉結鋼筋應力的增大也并不明顯，均為6 MPa左右。綜上，基坑開挖過程中鋼板樁土芯圍堰和基坑支護結構都是安全的。