盾構(gòu)工作井深基坑變形規(guī)律的數(shù)值模擬及分析

王建學(xué), 劉浩陽(yáng)

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東科正水電與建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣州 510170)

水資源合理分配關(guān)乎我國(guó)民生大計(jì)，城市人口的快速增長(zhǎng)使得水資源條件相對(duì)豐富的南方城市也會(huì)存在缺水矛盾，為滿(mǎn)足城市用水需修建相應(yīng)的水資源配置工程。在建設(shè)過(guò)程中，盾構(gòu)隧洞手段被廣泛使用，工作井作為盾構(gòu)施工中的必要部分具有開(kāi)挖截面小、深度大、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。基坑開(kāi)挖會(huì)影響周邊巖土體的不穩(wěn)定性，使得在開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致基坑塌陷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全問(wèn)題[2-3]。因此，提前預(yù)測(cè)計(jì)算基坑的安全穩(wěn)定性很有必要，采用數(shù)值模擬對(duì)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律進(jìn)行研究分析是一種高效經(jīng)濟(jì)的手段，且由于小尺寸深基坑受尺寸效應(yīng)影響明顯,采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行土壓力計(jì)算難免與實(shí)際土壓力存在一定差異，對(duì)此類(lèi)基坑進(jìn)行有限元計(jì)算更加必要[4-7]。且隨著技術(shù)手段的成熟，所得計(jì)算結(jié)果與基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反過(guò)來(lái)也對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方法及理論研究有推動(dòng)作用[8-9]。

本文依托珠江三角洲水資源配置工程SZ02#基坑工程項(xiàng)目，通過(guò)有限元軟件FLAC3D對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和基坑整體的豎向位移，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程從珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標(biāo)是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，該工程輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)為113.1 km。SZ02#盾構(gòu)工作井深基坑位于深圳分干線(xiàn)，基坑平面外尺寸(長(zhǎng)×寬)為29.0 m×16.5 m，井深為33.4 m，開(kāi)挖深度為34.5 m。為地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻厚度為1.0 m。

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，典型地質(zhì)分層情況如圖1所示，其各層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。建模所需材料參數(shù)：厚度為H、重度為γ、壓縮模量為ES、粘聚力為c、內(nèi)摩擦角為φ、泊松比為v、彈性模量為E。

表1 巖土層參數(shù)取值

圖1 工作井典型地質(zhì)剖面示意

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型建立及參數(shù)

基坑尺寸為29.0 m×16.5 m×33.4 m，考慮模型的對(duì)稱(chēng)性選取1/2模型進(jìn)行建模計(jì)算。基坑平面規(guī)模大小直接關(guān)系沉降影響范圍大小，整體模型平面尺寸長(zhǎng)和寬均取基坑模型的4倍。考慮土體土質(zhì)較好，模型高度選取基坑開(kāi)挖深度3倍。最終確定模型尺寸為 58 m×66 m×100.2 m。

建模工作由兩部分組成，實(shí)體模型部分包括土體和地下連續(xù)墻；結(jié)構(gòu)單元部分為鋼筋混凝土支撐與鋼支撐簡(jiǎn)化后的混凝土支撐。為計(jì)算方便，水平支撐梁包括壓頂梁及腰梁橫截面尺寸均取1 600 mm×1 200 mm，支撐橫截面尺寸均簡(jiǎn)化為1 000 mm×1 200 mm。

網(wǎng)格劃分本著近密遠(yuǎn)疏的原則，計(jì)算模型共計(jì)101 088個(gè)單元，111 677個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件：限制模型水平方向(X)和進(jìn)深方向(Y)位移，Y=0處采用對(duì)稱(chēng)邊界，模型底部全固定，地表為自由邊界。

計(jì)算模型中巖土材料采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫(kù)倫)模型，巖土層的厚度以基坑中心軸線(xiàn)上的各土層平均厚度為準(zhǔn)；開(kāi)挖模型采用Null(空)模型；地下連續(xù)墻及水平支撐梁都采用混凝土材料進(jìn)行模擬，按照彈性材料進(jìn)行考慮[10]。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 開(kāi)挖分析步設(shè)置

本次模擬基坑開(kāi)挖共設(shè)置8個(gè)計(jì)算步，具體開(kāi)挖分析步驟設(shè)置如下，基坑三維模型如圖2所示。

圖2 基坑開(kāi)挖三維模型示意

第1步初始步，地應(yīng)力平衡計(jì)算；

第2步開(kāi)挖第1層，挖深5.0 m，開(kāi)挖至13.4 m，并設(shè)第1道水平支撐；

第3步開(kāi)挖第2層，挖深5.0 m，開(kāi)挖至8.4 m，并設(shè)置第2道水平支撐；

第4步開(kāi)挖第3層，挖深4.35 m，開(kāi)挖至4.05 m，并設(shè)置第3道水平支撐；

第5步開(kāi)挖第4層，挖深4.5 m，開(kāi)挖至-0.45 m，并設(shè)置第4道水平支撐；

第6步開(kāi)挖第5層，挖深4.3 m，開(kāi)挖至-4.75 m，并設(shè)置第5道水平支撐；

第7步開(kāi)挖第6層，挖深6.0 m，開(kāi)挖至-10.75 m，并設(shè)置第6道水平支撐；

第8步開(kāi)挖第7層，挖深4.25 m，開(kāi)挖至-15.0 m，并設(shè)置第7道水平支撐。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，與之有關(guān)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊環(huán)境影響也在動(dòng)態(tài)變化中。因此，在施工過(guò)程中，必須對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位、全過(guò)程的掌握。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，本次數(shù)值模擬選定的主要控制指標(biāo)預(yù)警值見(jiàn)表3。

表3 模擬主要控制指標(biāo)預(yù)警值

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

對(duì)地下連續(xù)墻深層水平位移量的觀測(cè)可以實(shí)時(shí)反映深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的地下連續(xù)墻沿水平方向的變化趨勢(shì)，其最大值是否超過(guò)報(bào)警值是衡量基坑安全與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1短邊1/2處深層水平位移分析

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果比較，選取基坑模型短邊1/2處作為地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)位置，該位置處深層水平位移曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 代表位置處地連墻深層水平位移曲線(xiàn)示意

從模擬結(jié)果來(lái)看，地連墻主要受到后方土體的主動(dòng)土壓力而向基坑內(nèi)有擠壓趨勢(shì)，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力十分微小，與地連墻水平位移的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)中間大，兩端小的的“弓形”變化趨勢(shì)。隨著開(kāi)挖深度的增加，地連墻深層水平位移逐漸增大，且位移最大值位置逐漸下移。在第1層開(kāi)挖時(shí)，水平位移最大值出現(xiàn)在1.89 m處深度，其值為1.42 mm。此后隨著工程的繼續(xù)開(kāi)挖，水平位移在第7次開(kāi)挖時(shí)達(dá)到最大，最大值處于21.12 m深，其值為18.20 mm，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)預(yù)警值20 mm要求。這是由于隨著基坑的逐漸開(kāi)挖，地下連續(xù)墻前后水土壓力平衡不斷地被打破，墻后土體需要不斷變形以保持平衡，繼而對(duì)地連墻造成壓力輸出，使地連墻發(fā)生水平位移。

其中第4、5、6次開(kāi)挖水平位移最大值增加幅度較大，較前次開(kāi)挖分別增大3.94 mm，3.72 mm，且最大值所處深度位置同樣變化很大，這是由于此時(shí)開(kāi)挖過(guò)程主要處于巖質(zhì)相對(duì)較差、深度較深的全風(fēng)化巖附近處。在實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)控制變形量來(lái)保證工程順利進(jìn)行。地連墻頂部水平位移隨開(kāi)挖深度增加而逐漸增大。在前4層基坑開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖深度相對(duì)較淺，此時(shí)墻后主動(dòng)土壓力值相對(duì)較小且地連墻在下部未開(kāi)挖土體中嵌固段較長(zhǎng)的原因，地下連續(xù)墻頂部水平位移值較小，約為1.2 mm。從第5次開(kāi)挖開(kāi)始頂部水平位移開(kāi)始逐漸增大，在開(kāi)挖第7層土體時(shí)水平位移達(dá)到最大約6.2 mm。工程中應(yīng)著重于開(kāi)挖深度較大時(shí)的相關(guān)監(jiān)測(cè)。圖4為地連墻頂部水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意，對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)結(jié)果較為相近，變形規(guī)律以相同趨勢(shì)迅速增大，且均未超過(guò)預(yù)定報(bào)警值。

圖4 地連墻頂部水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意

3.2.2水平支撐處深層水平位移分析

基坑設(shè)置了多道水平支撐，對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移起到了很好的限制作用。為了觀察水平支撐對(duì)地下連續(xù)墻的深層水平位移有益效果，基坑開(kāi)挖計(jì)算得到的水平支撐處地下連續(xù)墻水平位移曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 支撐位置地連墻深層水平位移曲線(xiàn)示意

地下連續(xù)墻深層水平位移在支撐處被極大的限制，位移較大值基本都集中在支撐間隙。第1道支撐在深度0 m處的水平位移基本為0 mm，第2、3道支撐處水平位移也未超過(guò)1 mm，即使第7道支撐處即深度25 m左右水平位移也僅約為6 mm。深層水平位移最大出現(xiàn)在第7次開(kāi)挖時(shí)深度22.5 m的第6、7道支撐之間，為12 mm左右，相比于圖2中最大18.20 mm要小，地下連續(xù)墻整體深層水平位移顯著改善，直觀表明設(shè)置水平支撐可大幅度提高深基坑穩(wěn)定性。

3.2.3水平內(nèi)支撐軸力分析

數(shù)值模擬水平支撐內(nèi)軸力為壓應(yīng)力(見(jiàn)表4)，隨著開(kāi)挖深度的增加，軸力最大值逐漸增大，且在基坑開(kāi)挖到第7層時(shí)達(dá)到最大值2 117.5 kN，與深層水平位移變形規(guī)律相呼應(yīng)。前5次開(kāi)挖軸力最大值均出現(xiàn)在開(kāi)挖工序最后1層水平鋼支撐上，第7次開(kāi)挖軸力最大值出現(xiàn)在基坑長(zhǎng)邊工字梁腰鋼上(如圖6所示)，因?yàn)榈?層水平鋼支撐布置4根且設(shè)有4個(gè)鋼角板和4根斜支撐，有效分擔(dān)短邊所設(shè)鋼支撐的軸力。平均深度軸力增速為內(nèi)支撐軸力最大值增長(zhǎng)量與單層開(kāi)挖深度的比值，平均深度軸力增速同開(kāi)挖深度成正相關(guān)，基坑變形情況愈加明顯。測(cè)點(diǎn)SZ02#-S7C3～4布置在第7層水平鋼支撐上，此部位實(shí)測(cè)最大值為722 kN，模擬最大值為1 076 kN與實(shí)測(cè)值接近，考慮水平支撐進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化計(jì)算，存在一定誤差，均未超過(guò)報(bào)警值。

表4 水平內(nèi)支撐軸力模擬值

圖6 第7次開(kāi)挖內(nèi)支撐軸力變化云示意

3.3 基坑豎向位移分析

隨著工程的逐步開(kāi)挖，基坑內(nèi)外土體的豎向位移均會(huì)發(fā)生變化，基坑周?chē)馏w發(fā)生不同程度的沉降，而基坑底部則由于原先所具有的土體荷載逐漸減小，剩余土體自重應(yīng)力得到釋放并向坑底傳遞而導(dǎo)致底部隆起。

提取模擬結(jié)果繪制基坑周邊地表豎向位移變化曲線(xiàn)如圖7所示，通過(guò)研究分析可知，發(fā)生的沉降量隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而不斷增加，變形曲線(xiàn)呈“漏斗”形狀，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地連墻距離的增加，最終地表豎向位移值趨于平穩(wěn)。受基坑開(kāi)挖影響的周邊地表沉降范圍主要為距基坑2.5～10.0 m范圍內(nèi)，最大沉降出現(xiàn)在第7次開(kāi)挖時(shí)，距離圍樁5 m左右，約為12.5 mm。

圖7 基坑周邊地表豎向位移變化曲線(xiàn)示意

表5為第7層開(kāi)挖后周邊地表沉降實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比，總體上實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)與模擬值一致，靠近地連墻處模擬值稍大于實(shí)測(cè)值，這是由于土層參數(shù)設(shè)置為理想狀態(tài)，與實(shí)際存在一定誤差引起的。模擬計(jì)算中土層參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)參考值，并假定土層為均質(zhì)各向同性的理想狀態(tài)，由于靠近基坑邊緣，數(shù)值模擬時(shí)將圍樁假設(shè)為地連墻進(jìn)行計(jì)算，故而與實(shí)際存在一些誤差，但無(wú)論實(shí)測(cè)最大值還是模擬最大值均遠(yuǎn)低于監(jiān)測(cè)預(yù)警值24 mm，總體上該誤差可接受。

表5 第7層開(kāi)挖后周邊地表沉降實(shí)測(cè)值與模擬值

基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體發(fā)生隆起，呈現(xiàn)中間大兩端小的特點(diǎn)，各層開(kāi)挖過(guò)程中坑底隆起位移最大值見(jiàn)表6。開(kāi)挖深度淺時(shí)，卸荷量較小，坑內(nèi)土體豎向隆起高度較小，隨著開(kāi)挖深度的增大基底以下土體隆起高度不斷增加。前4層開(kāi)挖由于所處土質(zhì)一致，坑底隆起增量逐漸增加，第4次開(kāi)挖基坑底部隆起值增速達(dá)到最大，較第3層開(kāi)挖隆起值增加3.32 mm。最大隆起位于第5次開(kāi)挖，基坑底部隆起最大值為11.79 mm，與第4次開(kāi)挖最大值較為相近，因?yàn)榇藭r(shí)雖處于全風(fēng)化巖，但底部距抗擾動(dòng)性能更好的強(qiáng)風(fēng)化巖較近。第6次基坑底部隆起值分別為8.9 mm和10.03 mm，均小于最大值，因?yàn)殚_(kāi)挖處于巖質(zhì)較好、壓縮模量較大的強(qiáng)風(fēng)化巖和弱風(fēng)化巖。

表6 各層開(kāi)挖基坑坑底隆起位移最大值

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用FLAC3D軟件對(duì)珠江三角洲水資源配置工程SZ02#盾構(gòu)井基坑工程項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和基坑整體的豎向位移進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：

1) 數(shù)值模擬所得結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，說(shuō)明模型建立及各項(xiàng)參數(shù)的選擇是可取的，可有效體現(xiàn)基坑變形規(guī)律，具有一定的參考價(jià)值。

2) 小尺寸深基坑地下連續(xù)墻受力以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力和剪切力十分微小。地下連續(xù)墻的深層水平位移變化率受巖土體性質(zhì)影響較大。各層開(kāi)挖位移變化均在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，基坑設(shè)計(jì)較為合理，處于地質(zhì)較差且開(kāi)挖深度足夠深的4、5、6次開(kāi)挖位移增速較快，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)注意。

3) 水平內(nèi)支撐軸力變化趨勢(shì)同地連墻變形趨勢(shì)相關(guān)，且與實(shí)際測(cè)值相近。水平支撐軸力最大值變化率同開(kāi)挖深度呈正相關(guān)，基坑變形隨開(kāi)挖深度增大愈加明顯。內(nèi)支撐對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移起到了很好的限制作用。

4) 基坑沉降范圍主要為距基坑2.5～10.0 m范圍內(nèi)，最大沉降出現(xiàn)在第7次開(kāi)挖時(shí)，距離圍樁5 m左右處，最大值為12.5 mm。

5) 土質(zhì)條件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中底部隆起有重要影響，本項(xiàng)目基底隆起最大值位于地質(zhì)條件較差的第4層、第5層開(kāi)挖過(guò)程中，在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注。