船行二站基坑開挖支護設計及有限元數值模擬研究

(1.宿遷市農業資源開發規劃設計評審中心，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市宿城區水利工程建設服務中心，江蘇 宿遷 223800)

水閘、大壩等水工建筑物施工過程中通常涉及基坑工程，基坑開挖安全與否易受多種外界因素的影響。為確保基坑開挖安全，需要采取一系列的支護或加固措施[1]。

基坑支護的主要目的是對建筑物自身及基坑側壁進行必要的防護，同時防止由于基坑側壁位移過大而引起周圍建筑物沉降甚至傾倒破壞[2-3]。基坑支護方式各異，存在不同的優缺點，鑒于基坑幾何形式、地質條件、水文條件不同，需要科學分析，并因地制宜，經過論證從而獲得最優的基坑支護方案[4-5]。基坑支護工程主要涉及基坑開挖和支護措施設計兩方面，與其相關的學科主要是土力學和結構力學等多門學科[6]。

如何科學有效地預測和評價基坑開挖的支護方案及效果是當前學界面臨的重要課題。隨著巖土力學理論和計算機軟硬件的發展，數值計算模擬成為處理相關工程問題的有效手段，其在基坑開挖及支護設計中也獲得廣泛的應用。采用ABAQUS軟件并基于監測數據，張光建等[7]對杭州地鐵濱江站基坑施工進行數值模擬研究，發現了鋼支撐軸力的分布規律。采用Plaxis3D巖土有限元軟件，王恩鈺等[8]研究對比了某基坑懸臂支護樁和集中傾斜支護樁的沉降及樁身變形特點。本文以江蘇省宿遷市宿城區船行二站拆建工程深基坑開挖工程為研究對象，在制定了相應的開挖和支護措施后，采用基于有限元方法的軟件ABAQUS對其開挖及支護措施進行研究分析，證明了基坑支護措施的有效性，其研究成果可為宿遷地區相似工程的開展提供借鑒。

1 船行二站拆建工程概況

船行二站拆建工程是宿遷市宿城區船行灌區續建配套與節水改造項目2019年度工程實施內容之一。該泵站位于中運河沿岸，為大型灌區的水源泵站之一。原泵站建于20世紀90年代，經鑒定后屬于四類泵站，予以拆除重建。泵站設計流量為14.3m3/s，裝機功率為2240kW，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時工程級別為5級。根據勘察資料，船行二站拆建工程深度范圍內場地土層劃分10層，船行二站底板坐落于淤泥質粉質黏土層，灰黃色、灰黑色，軟塑，局部流塑,稍有光澤反應，中等干強度，中等韌性。貫入擊數為7擊，c=11.8kPa、φ=24.7°，承載力Fak=110kPa。

施工區周邊場地狹小，水系較為復雜。北側靠近灌區管理所辦公樓，南側緊臨當地居民房，東側緊挨中運河，西側毗鄰古黃河。兩側建筑物基坑鋼板樁支護已實施完成，北側鋼板樁距灌區管理所辦公樓11.1m，南側鋼板樁距民房最近距離為10.6m。

2 基坑支護(加固)方案

基坑位于原泵站引河處，場地地貌單元為單一的黃泛沖積平原。引河內地表水已抽排，兩側鋼板樁施打完成。現場場地較平整，場地整平后原自然地面標高約為22.10m。基坑東側為舊引河，西側為蓄水池。基坑北側開挖最外層邊線距離灌區管理所辦公樓約2.0m，南側開挖最外層邊線距離農村水泥道路最近距離為1.2m，距離居民房6.2m。現狀基坑鋼板樁支護情況：建筑物基坑南側采用Ⅳ型鋼板樁支護，樁長15m，樁頂高程19.1～19.2m。因建筑物基坑北側地勢起伏較大，下游段40m范圍內采用Ⅳ型鋼板樁支護，樁長15m，樁頂高程19.0～19.3m，上游段灌區管理所辦公樓40m范圍內采用Ⅳ型鋼板樁支護，樁長18m，樁頂高程19.5～22.0m。

基坑安全等級：根據基坑的挖深、地質條件及周邊環境條件確定本工程A-A、B-B、C-C、1-1～4-4(見圖1)剖面基坑側壁安全等級為2級，5-5～7-7剖面基坑側壁安全等級為3級。

由于基坑周圍存在辦公樓、居民樓及水泥道路等關系民生安全的建筑物，并且這些建筑物距離基坑很近，因此為降低基坑開挖過程中對周邊建筑物穩定性的不利影響，保證基坑自身的邊壁安全，需在開挖過程中對其進行支護加固。基坑1-1～3-3剖面段采用鉆孔灌注樁加一道錨索支撐，剖面A-A及B-B、C-C段原鋼板樁支護坑內設樁長9m鋼板樁，樁頂高程為16.00m，5-5～7-7剖面段采用自然放坡開挖。基坑支護(加固)具體設計方案：1-1～2-2剖面段距現狀鋼板樁外側1m部位和3-3～4-4剖面段距現狀鋼板樁內側1m部位采用樁徑800mm的C30混凝土鉆孔灌注樁進行支護加固處理，樁長為19.5m，樁距1.3m，樁頂高程19.30m；灌注樁頂部采用C30混凝土冠梁聯結，冠梁斷面尺寸為700mm(高)×1100mm(寬)；頂部冠梁處設置一排錨索，橫向間距2.6m，錨索長度24m，錨固長度17m，成孔直徑350mm，擴孔直徑600mm，擴大頭長2m，成孔角度為25°，內置4根直徑15.2mm鋼絞線，鎖定力為70kN/每根；鉆孔灌注樁支護加固范圍以外原一級鋼板樁支護在樁頂下部位置(高程19.0m)設置一道錨索，橫向間距2.6m，錨索長度19m，錨固長度3m，成孔直徑350mm，擴孔直徑600mm，擴大頭長2m，成孔角度為25°，內置2根直徑15.2mm鋼絞線，鎖定力為70kN/每根；樁頂至地面范圍內邊坡采用80mm厚噴射混凝土+掛鋼筋網支護。

圖1 基坑支護(加固)平面布置(單位：mm)

3 典型剖面有限元數值模擬

基于有限元軟件ABAQUS，選取典型3-3剖面模擬研究基坑開挖和支護措施的工作效果。根據相應的設計參數，3-3剖面居民樓房基礎底面的沉降情況見圖2～圖6，包括整個模型的豎向位移場。

圖2 基坑開挖至20.1m高程時的豎向位移場

圖3 基坑開挖至18.1m高程時的豎向位移場

圖4 基坑開挖至16.1m高程時的豎向位移場

圖5 基坑開挖至14.1m高程時的豎向位移場

圖6 基坑開挖至12.5m高程時的豎向位移場

由圖2～圖6可知：

a.在基坑的開挖過程中，基坑開挖面由于上部荷載的釋放會產生地面反彈，基坑中心最大的反彈量約100～300mm。

b.樓房基礎地面受基坑開挖的影響較為復雜，整體上隨著基坑開挖深度的增加，樓房基礎地面的沉降變形增大。

c.樓房基礎地面最大的沉降變形發生在距離基坑開挖邊線約10.0～15.0m處，在基坑開挖至16.1m、14.1m、12.5m高程時，最大的地面沉降量約為4mm、6.5mm和8.5mm。

d.距離基坑開挖邊線40m處，地面沉降較小，約2mm，與基坑開挖深度的相關性不大。為了分析基坑開挖過程中的側向水平位移，選取基坑坡面和混凝土灌注樁(見圖7中藍色樁體)的側向位移進行分析，基坑的側向位移場見圖8～圖12。

圖7 基坑坡面和混凝土灌注樁位置

圖8 基坑開挖至20.1m高程時的側向位移場

圖9 基坑開挖至18.1m高程時的側向位移場

圖10 基坑開挖至16.1m高程時的側向位移場

圖11 基坑開挖至14.1m高程時的側向位移場

由圖8～圖12可知：

a.在基坑的開挖過程中，基坑坡面整體向基坑內側方向變形，混凝土灌注樁頂部向基坑外側方向變形，底部向基坑內側方向變形。

b.在基坑開挖深度較小時，基坑坡面頂部位移較大，約12mm；隨著基坑開挖深度的增加，基坑坡面頂部的側向變形總體大于底部的側向變形，在開挖至高程12.5m時，基坑底部坡面的水平位移約10mm，頂部坡面的水平位移約為30mm。

c.在整個開挖過程中，混凝土灌注樁的水平位移上部向基坑外側增大，下部向基坑內側增大。

d.混凝土灌注樁頂部的水平位移，在基坑開挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m時對應的側向變形(向基坑外側)分別為2mm、7mm、10mm、11mm、12mm。

e.混凝土灌注樁底部的水平位移，在基坑開挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m時對應的側向變形(向基坑內側)分別為5mm、10mm、17mm、20mm、22mm。

4 結 論

通過對該斷面進行有限元仿真模擬分析，得到如下結論：

a.在船行二站拆建工程基坑的開挖過程中，基坑開挖面由于上部荷載的釋放會產生地面反彈，基坑中心最大的反彈量約100～300mm；基坑坡面整體向基坑內側方向變形，混凝土灌注樁頂部向基坑外側方向變形，底部向基坑內側方向變形，但變形較小，因而說明采用鉆孔灌注樁加一道錨索支撐的加固措施較為有效。

b.基礎地面受基坑的開挖影響較為復雜，整體上隨著基坑開挖深度的增加，基礎地面的沉降變形增大。