基坑開(kāi)挖方式的對(duì)比研究

康 鵬 王亞?wèn)| 岳夏冰 馬豪豪 袁 帥

(1.中電建路橋武漢投資發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430200；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

1 引言

基坑工程是建筑物基礎(chǔ)和大型地下工程建造過(guò)程中一個(gè)早已存在的課題，也是一個(gè)涉及廣泛的巖土工程問(wèn)題，具有技術(shù)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)又具備事故多發(fā)性[1-2]。基坑開(kāi)挖涉及土方開(kāi)挖，降水，施工管理，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，相鄰場(chǎng)地施工，既有建筑物相互影響等相關(guān)問(wèn)題，其施工過(guò)程不僅要保證基坑自身的安全與穩(wěn)定，還要嚴(yán)格控制基坑周圍地層移動(dòng)以保護(hù)周圍環(huán)境[3]。實(shí)踐表明，施工困難，開(kāi)挖過(guò)深的基坑以及復(fù)雜基坑環(huán)境可能造成的施工變形和基坑施工可以通過(guò)合理的信息化施工加以控制。

本文武漢江南泵站泵房部分為研究對(duì)象，如圖1中左側(cè)部分。該泵站基坑長(zhǎng)度115m，最小寬度21m，最大寬度68m，開(kāi)挖深度11.15m～15.8m，它位于長(zhǎng)江右岸，主要用于雨水抽排工作，同時(shí)也擔(dān)負(fù)著污水處理廠的尾水排放工作。

圖1 江南泵站支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2016年夏天武漢出現(xiàn)排水問(wèn)題之后要求該工程要提前投入使用，工期由原來(lái)的2年4個(gè)月縮減為7個(gè)月。由于工期被大大壓縮，勢(shì)必要更改原定施工方案。因此須對(duì)此條件下的基坑進(jìn)行深入研究，論證開(kāi)挖方案。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件MIDAS構(gòu)建有限元計(jì)算模型，通過(guò)總結(jié)分析，給出不同開(kāi)挖方案對(duì)基坑變形的影響程度，為基坑開(kāi)挖方案的選取提供一定的理論支持。

結(jié)合實(shí)際工況，選擇盆式開(kāi)挖和島式開(kāi)挖兩種方式進(jìn)行了有限元模擬分析。模型建立過(guò)程中，將該基坑模型大致分為了八塊，這樣分的目的主要是為了減少研究時(shí)間以及減少研究過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。針對(duì)基坑平面的八塊簡(jiǎn)易模型，運(yùn)用邁達(dá)斯軟件對(duì)各種開(kāi)挖方式進(jìn)行了模擬，對(duì)比它們之間引起不利面的位移，從中選擇出一種更可靠的開(kāi)挖方式，并在后續(xù)的研究中，爭(zhēng)對(duì)這一開(kāi)挖方式確定出了具體的開(kāi)挖順序。

2 開(kāi)挖方案探討

2.1 分層開(kāi)挖

結(jié)合給出的基坑平面形狀不規(guī)則，跨度較大的工程概況。基于地勘報(bào)告，可以分別使用放坡和錨桿的復(fù)合型支護(hù)兩種方式，具體實(shí)施方案，最大開(kāi)挖深度為8m,放坡形式用于2m以上的開(kāi)挖，長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁與錨桿行支護(hù)用于2m以下的開(kāi)挖。初步選型基坑開(kāi)挖方案，通過(guò)基坑土方開(kāi)挖原理與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

首先，為滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的正常施工，把基坑剖面中沿深度方向分為以下幾層(設(shè)坡頂?shù)臉?biāo)高0m)。

第一分層：2m以上部分按1:1的坡度放坡開(kāi)挖，先進(jìn)行放坡開(kāi)挖施工，再進(jìn)行止水樁與深層灌注樁的施工；

第二分層：-2m-3m至之間土方開(kāi)挖，后2.5m在處施工依次施工支護(hù)；

第三分層：-3m至5.5m之間土方，后在-5m處再施加支護(hù)；

第四分層：-5.5m至8m之間部分，完成剩余土體的開(kāi)挖。

無(wú)論采用哪種分塊方式，分塊后都是要先開(kāi)挖鄰近四周保護(hù)構(gòu)建物的分塊，形成圍護(hù)控制周圍土體的變形后，再開(kāi)挖剩余的土方。經(jīng)過(guò)討論，符合條件的開(kāi)挖方案有兩種：(1)島式開(kāi)挖；(2)盆式開(kāi)挖。

2.2 分塊開(kāi)挖

開(kāi)挖方案：開(kāi)挖順序根據(jù)分塊的尺寸大小的不同而千差萬(wàn)別。然而分塊開(kāi)挖的前提是各子塊的工程量大致平衡得以保證之后，優(yōu)先施工周邊較差的土塊作為開(kāi)挖順序。依據(jù)各塊周邊的環(huán)境，把本基坑大致分為工作量均衡的四等塊以此闡述分塊的問(wèn)題。

分析：由于工程狀況的影響，無(wú)法做到百分之百的均分。分塊方式可根據(jù)周邊荷載環(huán)境，土體狀況，水文狀況等做出分塊。但無(wú)論是哪一子分塊，都存在一定的資源浪費(fèi)。

2.3 島式開(kāi)挖

開(kāi)挖方案：分步開(kāi)挖根據(jù)基坑的分層分為兩步開(kāi)挖：第一步，選擇一定范圍內(nèi)的土體，開(kāi)挖的同時(shí)設(shè)置支護(hù)，并且討論各塊土地的分塊范圍和施工順序通過(guò)各邊保護(hù)建筑的重要性和施工的組織措施。除此之外，還需要分段處理各塊土體，如果分塊土方量多大。第二步，在第一步完成之后再開(kāi)挖中間主要部分土體塊。

分析：工作中投入主要的人力，物力，有明顯的工作主次，即島式開(kāi)挖的特點(diǎn)。為了使基坑圍護(hù)體系抑制和抵抗基坑變形與基坑周圍土體位移較早發(fā)揮其作用，應(yīng)該率先施工基坑四周的支護(hù)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，圍護(hù)體系暴露的時(shí)間由于基坑圍護(hù)體系過(guò)早的形成而增加，圍護(hù)體系可能隨暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而變形。除此之外，基坑周邊由于本基坑場(chǎng)地緊湊而沒(méi)有堆積材料的地方，并且只有一個(gè)出土口。釆用島式開(kāi)挖出土路線安排不方便，對(duì)施工管理者水平要求過(guò)高。

2.3 盆式開(kāi)挖

開(kāi)挖方案：將基坑平分為盆中和盆厚兩個(gè)部分，盆厚為預(yù)留部分。以盆中部分的土體先挖，預(yù)留部分即盆厚部分土體后挖的順序進(jìn)行開(kāi)挖。為了高校組織施工和有效控制基坑變形，在開(kāi)挖過(guò)程中，是否需要進(jìn)一步采用分段與分塊等開(kāi)挖方式通過(guò)分析盆中部分和盆厚部分土體的大小。先開(kāi)挖盆中分塊土體，同時(shí)，開(kāi)挖方式和開(kāi)挖順序需要根據(jù)模型和各塊對(duì)應(yīng)基坑便捷的不利條件來(lái)討論確定。

分析：基坑變形得以有效控制，進(jìn)而基坑挖周圍環(huán)境的影響被有效降低即為盆式開(kāi)挖的特點(diǎn)。區(qū)別于島式開(kāi)挖，盆式開(kāi)挖注重體系施工的及時(shí)圍護(hù)，通過(guò)圍護(hù)得以有效控制變形。周圍環(huán)境通過(guò)圍護(hù)的早期形成，圍護(hù)控制基坑變形有效降低。

3 開(kāi)挖方式的有限元模擬計(jì)算

為進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)挖方案，需要首先對(duì)原支護(hù)形式進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，由于本次基坑開(kāi)挖模型面積較大，形狀不規(guī)則，各個(gè)開(kāi)挖面支護(hù)不盡相同，若以整個(gè)基坑開(kāi)挖為研究對(duì)象，將給分析帶來(lái)一定的困難(設(shè)備要求高、耗時(shí)長(zhǎng))。而且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，我們的研究主要方向是基坑的最不利邊的影響，在模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中，只需要對(duì)該邊以及鄰近條件加以模擬，并不需要將基坑整體納入研究對(duì)象。為此在建立模型的時(shí)候選取鄰近建筑物邊的泵房部分作為研究對(duì)象。

3.1 有限元模型的建立

采用大型通用有限元軟件MIDAS對(duì)基坑進(jìn)行模擬計(jì)算。綜合考慮各方面的影響因素后，本文選取M-C模型，來(lái)對(duì)基坑的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究[4-9]。

1.材料參數(shù)選取。各層土體的力學(xué)計(jì)算參數(shù)，如表1所示；鋼筋混凝土地下連續(xù)墻及支撐的計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表1 土層參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.模型建立。 采用二維面擴(kuò)展為實(shí)體的方式建立基坑模型， 網(wǎng)格劃分中， 鄰近基坑土體部分網(wǎng)格尺寸較密。 為了使模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程與實(shí)際工程施工相一致, 利用“生死”單元來(lái)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬， 具體過(guò)程如下： 同時(shí)建立土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 進(jìn)行單元組及材料參數(shù)定義； 在建立地應(yīng)力平衡時(shí)， 將支撐部分“殺死”， 在開(kāi)挖過(guò)程中， 架設(shè)支撐時(shí)， 利用單元屬性可以改變的特性， 選擇相應(yīng)的單元屬性來(lái)激活支撐。 所建立模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

3.2 不同開(kāi)挖方式結(jié)果分析

圖3、圖4及圖5分別是盆式開(kāi)挖及島式開(kāi)挖兩種開(kāi)挖方式下對(duì)應(yīng)的基坑整體變形云圖、Y向和Z向位移云圖，從圖中可以看出，兩種開(kāi)挖方式完成后基底及開(kāi)挖面所產(chǎn)生的位移分布云圖一致。將兩種開(kāi)挖方式對(duì)應(yīng)的變形最大值匯總于表3。可以看出，島式開(kāi)挖在基坑開(kāi)挖完畢后的整體位移，Y和Z方向上所產(chǎn)生的最大位移，位移差均偏小，從而可以得出結(jié)論，該基坑可采用島式開(kāi)挖方式可最低限度降低基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的土體變形和位移。

(a)盆式開(kāi)挖

(b)島式開(kāi)挖圖3 基坑整體豎向位移云圖

(a)盆式開(kāi)挖

(b)島式開(kāi)挖圖4 基坑Y向位移云圖

(a)盆式開(kāi)挖

(b)島式開(kāi)挖圖5 基坑Z向位移云圖

因素 工況整體位移Y向位移Z向位移盆式開(kāi)挖81.01748.24680.9627島式開(kāi)挖79.632247.467979.5768

4 基坑變形控制措施

基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，基坑變形的發(fā)展過(guò)程是逐步產(chǎn)生的。同時(shí)考慮開(kāi)挖、施工過(guò)程中的降水，由于雨水淤積，破壞了原有的地下水平衡，導(dǎo)致了基坑內(nèi)外出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響基坑整體變形。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)及防排水施工工藝的好壞將嚴(yán)重影響基坑的整體變形和位移。主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行控制：(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的控制施工；(2)做好基坑降水、排水控制措施；(3)基坑周邊環(huán)境抵抗變形能力的變形控制措施。

5 結(jié) 論

本文對(duì)基坑的常見(jiàn)土方開(kāi)挖方式進(jìn)行了總結(jié)，歸納其開(kāi)挖過(guò)程，開(kāi)挖方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及適合其使用的條件。結(jié)合具體的工程狀況，對(duì)不同的開(kāi)挖方式進(jìn)行有限元模擬，并確定出合適的開(kāi)挖方式。同時(shí)從實(shí)際出發(fā)，提出了基坑變形控制的措施，主要得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)分層、分段、順序開(kāi)挖、盆式開(kāi)挖、以及島式開(kāi)挖定性分析了各開(kāi)挖方式在抑制基坑開(kāi)挖變形的不同之處，并討論了各方式的使用條件了優(yōu)缺點(diǎn)。

(2)結(jié)合實(shí)際工況，針對(duì)基坑平面的八塊簡(jiǎn)易模型，選擇盆式開(kāi)挖和島式開(kāi)挖兩種方式進(jìn)行了有限元模擬分析，得出島式開(kāi)挖方式所產(chǎn)生的變形均小于盆式開(kāi)挖方式。

(3)從對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝、基坑的降排水、基坑周邊環(huán)境的控制來(lái)降低基坑的變形加以總結(jié)，并且在整個(gè)基坑工程中要做到嚴(yán)格地基坑開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)任務(wù)，讓“千里之堤，潰于蟻穴”的事情不可能發(fā)生。