某水利工程基坑開挖施工技術(shù)分析

白棟良

（河北省南運(yùn)河河務(wù)中心，河北 滄州 061001）

1 引言

隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市密度大幅提高，地上空間資源利用緊張，地下空間的高效利用可將土地資源利用率最大化。其中，城市地鐵、地下車庫(kù)等基礎(chǔ)建設(shè)都離不開基坑工程。但由于設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)，基坑變形及失穩(wěn)問題在建設(shè)中仍時(shí)有發(fā)生，如何科學(xué)應(yīng)對(duì)基坑開挖過程中的工程問題是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

陸仕淵基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形問題。結(jié)果表明，地下連續(xù)墻的最大水平位移與基坑開挖深度呈正相關(guān)。同時(shí)，最大位移出現(xiàn)的位置在基坑長(zhǎng)邊中心點(diǎn)處。簡(jiǎn)焰坤基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了土巖復(fù)合地層深基坑變形規(guī)律。結(jié)果表明，基坑地表變形隨基坑開挖深度增大而增大。蔡興平和邵永健基于數(shù)值模擬分析了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型及變形預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，采用層次分析法對(duì)基坑變形進(jìn)行預(yù)測(cè)與實(shí)際情況吻合。楊東雷等依托某軟土基坑采用數(shù)值模擬研究了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)基坑和隧道的變形影響。結(jié)果表明，鉆孔灌注樁與地下連續(xù)墻結(jié)合方案相比單獨(dú)施加圍護(hù)結(jié)果更優(yōu)。俞強(qiáng)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了鄰近地鐵深大基坑開挖變形與控制措施。結(jié)果表明，地鐵隧道的最大位移與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致，兩者均表現(xiàn)出顯著的空間效應(yīng)。

基于三維數(shù)值模擬，建立基坑開挖模型，研究了深基坑開挖對(duì)基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)于相似工程的施工及設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況

在水利工程中為了滿足支渠由主干渠引水，在不影響交通及防洪等作用發(fā)揮的情況下，通常在堤防下修建涵洞及閘涵工程，以調(diào)節(jié)控制上、下游水位和下泄流量，滿足下一級(jí)渠道的引水。河道新建涵洞工程，地下水埋深為3 m，根據(jù)水文氣象資料，研究區(qū)地下水年變化幅度為1～2 m。根據(jù)鉆孔資料，基坑區(qū)域巖層由上到下分別為：雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土和全風(fēng)化-中分化泥質(zhì)砂巖。各層厚度分別為2.60、4.60、3.30、7.60 和16 m。地下水的主要存在于沖洪積粗砂層中，貯存形式主要為孔隙水和基巖裂隙水。

基坑周長(zhǎng)約80 m，開挖深度為10 m。為保證基坑在開挖施工中安全穩(wěn)定以及保證周邊建筑物不出現(xiàn)較大的變形和開裂，基坑采用0.80 m地連墻進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)嵌固深度為5 m，基坑分三層開挖，共設(shè)置兩道水平鋼筋混凝土支撐。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用ABAQUS 軟件建立典型三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。模型總長(zhǎng)度為80 m。寬度為20 m。模型的邊界條件為：固定底面三個(gè)方向的位移，模型四周為約束水平位移，頂部為開挖自由邊界。巖土體采用3D單元，地下連續(xù)墻采用2D板體單元，支撐采用桿一維單元。

圖1 基坑典型斷面圖

3.2 材料參數(shù)

計(jì)算采用的巖土體材料參數(shù)主要基于鉆孔取樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)和參考既有相關(guān)研究獲得，最終使用的材料參數(shù)匯總見表1 所示。計(jì)算中假定地連墻彈性模量28 GPa，泊松比0.21，重度取26 kN/m3；支撐重度26 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比0.22。其中巖土體采用摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性本構(gòu)模型，且土體連續(xù)均勻；地下連續(xù)墻和支撐假定為各向同性彈性體；不考慮地下水的影響。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值模擬中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸采用面-面接觸，法向設(shè)定為硬接觸，切向采用罰函數(shù)模擬，摩擦系數(shù)為0.60。墻體與內(nèi)支撐采用綁定接觸模擬。

3.3 計(jì)算工況及監(jiān)測(cè)方案

工程進(jìn)行場(chǎng)地整平后，施作止水帷幕，基坑降水，逐層開挖并設(shè)置支撐。對(duì)應(yīng)于數(shù)值計(jì)算中主要計(jì)算步驟為：①地應(yīng)力平衡及位移場(chǎng)清零；②施工地下連續(xù)墻；③開挖第一層土體至地面以下3 m 位置；④施加第一道支撐于地下1.50 m 處；⑤開挖第二層土體至地面以下6 m 位置；⑥施加第二道支撐于地下4.50 m處；⑦開挖第三土體至地面以下10 m位置。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 土體應(yīng)力分析

圖2 匯總得到基坑地應(yīng)力平衡和開挖結(jié)束后的周邊土體應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，地應(yīng)力平衡，應(yīng)力根據(jù)土體的重度和深度分層，與實(shí)際情況相符，基坑開挖結(jié)束后，在臨近基坑周邊出現(xiàn)塑性區(qū)，土體應(yīng)力隨基坑開挖深度的增大而增大，且距離開挖面越遠(yuǎn)，開挖擾動(dòng)越小。

圖2 基坑開挖周邊土體應(yīng)力云圖

4.2 基坑隆起變形

匯總得到基坑開挖過程中基坑底部隆起變形規(guī)律。結(jié)果表明，基坑開挖過程中，基坑中點(diǎn)位置隆起變形量最大，隨著距基坑中部距離越遠(yuǎn)，基坑開挖的影響越小，在第一層開挖、第二層開挖和第三次開挖結(jié)束后，坑底的隆起變形量分別為10、30和55 mm。

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

匯總得到基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)圖。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差20%以內(nèi)，證明數(shù)值模擬是可靠的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈典型“弓型曲線”，在第一層開挖時(shí)未設(shè)置支撐導(dǎo)致基坑開挖后，結(jié)構(gòu)變形方向指向基坑內(nèi)部。第二層和第三層開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在地表5 m和8 m的位置，最大變形量為20 mm和35 mm。

4.4 地表沉降變形

匯總得到基坑開挖過程中地表沉降隨基坑開挖深度的變形規(guī)律。結(jié)果表明，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，地表沉降發(fā)生最大的位置在距支護(hù)結(jié)構(gòu)5 m 處，最大值分別為57 mm 和61 mm，且數(shù)值模擬的值與實(shí)測(cè)值在10%以內(nèi)。

當(dāng)基坑開挖后，周邊土體發(fā)生較大的沉降變形。在基坑開挖初期，由于未設(shè)置支撐，導(dǎo)致地表沉降變形呈現(xiàn)較明顯的到三角形分布，最大沉降發(fā)生在基坑邊緣處，最大值為1.50 mm。隨著基坑深度的增大，地表沉降逐漸增大且方向不斷向遠(yuǎn)離坑壁方向移動(dòng)。最終基坑開挖完成后地表沉降的最大值為60 mm，發(fā)生的位置為距支護(hù)結(jié)構(gòu)5 m處。

5 結(jié)論

①基坑開挖過程中，基坑中點(diǎn)位置隆起變形量最大，距基坑中部距離越遠(yuǎn)，受基坑開挖的影響越小，開挖結(jié)束受，坑底的隆起變形量為55 mm。②基坑開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈典型的“弓型曲線”。在第一層開挖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部變形。在第二層和第三層開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在地表5 m和8 m的位置，最大變形量為20 mm和35 mm。③基坑開挖后，周邊土體發(fā)生較大的沉降變形。地表沉降的最大值為60 mm，位于1/3基坑深度處。