臨湖富水地層深基坑開挖力學響應及穩定性分析

曾宇昕

中鐵四局集團第五工程有限公司 江西 九江 332000

近年來，我國城市化進程不斷加快，城市人口快速增長，導致城市水電資源緊缺，臨近湖泊及河流的大型水利水電深基坑工程日益增多。此類工程所處地層多為富水地層，地下水位較高，地下滲流復雜多變，若不采取坑外降水坑內止水等降水措施，便會導致基坑發生滲水、涌水，支護結構局部發生較大變形，進而導致基坑整體失穩[1]，給深基坑工程的支護與開挖帶來了極大的困難。因此，研究富水地層條件下地下水的滲流情況和深基坑工程的穩定性十分必要。

目前，諸多學者對此展開了研究。萬晶等[2]以某富水砂性地層基坑為工程背景，通過對施工現場監測數據的整理分析，研究得出支護結構水平變形規律、周圍地表沉降、地下水滲流及周邊建筑物沉降規律。徐忠濤[3]對某富水深基坑的施工現場數據進行了分析，發現在基坑失穩之前，基坑支撐軸力比地表沉降先發生劇變，并建立了三維數值分析模型，模擬并分析了富水基坑的開挖過程。劉祥勇等[4]針對南通地區特殊的深厚富水地層，進行了基坑抽水回灌現場試驗，研究了地層之間的水力聯系，研究發現，在深厚富水砂性地層中，地下水位變化速度較快，但地層土體沉降的變化具有一定滯后性。孫克國等[5]和陳峰等[6]分析了富水地區溶洞對深基坑開挖穩定性的影響，建立了FLAC數值模擬軟件，通過改變影響溶洞的關鍵參數，研究其對深基坑土體及支護結構的變形影響。部分學者對富水地層深基坑治理問題進行了研究[7-10]，在基坑開挖前需對涌水等危害進行風險評估，分析涌水涌砂過程及其發生原因，并提出了一系列涌水涌砂及失水沉降等應急處置方案，使用清障成樁一體咬合樁施工方法應對不利條件。

可以發現，現有研究對臨湖地況研究較少，富水地層的深基坑開挖需考慮地下水滲流對基坑的影響。本文依托某臨湖地埋式水廠深基坑工程，研究基坑支護開挖過程中的施工重難點，并利用巖土有限元分析軟件Plaxis建立數值計算模型，分析基坑開挖對支護結構的力學響應規律及自身穩定性。

1 工程概況

1.1 項目概況

珠三角水資源配置工程某水廠一期工程廠址位于松山湖南端，總建筑面積約48460m2（含地下建筑面積約9984.22m2），項目主要分為7個大型基坑和管道基坑，包括綜合基坑、格柵間進水泵房基坑、配水泵房吸水井基坑、主臭氧活性炭池膜車間基坑、綜合樓基坑、平衡池濃縮池及污泥泵房基坑和雨水調蓄池基坑、西側鋼板樁管道基坑和東側支護樁管道基坑。

1.2 水文地質條件

擬建場地屬低山丘陵，地勢呈東高西低，局部山間洼地地勢較低，根據現場鉆探與原位測試，本次勘探深度范圍內的地層劃分為素填土、粉質黏土、砂質黏性土及全風化巖。場地內鉆孔穩定混合水位埋深為0.30～10.80m，標高為22.77～30.26m。場地淺部的地下水為孔隙潛水，其補給來源主要通過大氣降水及場地東側地勢較高處的地下水徑（滲）流。

2 支護施工方案設計

2.1 支護方案設計

項目基坑工程共分為9個基坑，本文選取綜合基坑工程I-I斷面進行分析，綜合基坑平面布置圖如圖1所示，由于此項目位于郊外，基坑周圍可用施工面積較大，故基坑支護采用放坡+樁錨支護方式，樁徑D為0.8m，相鄰樁間距為0.5m，錨桿縱向間距Lsp為1.5m，其支護結構圖如圖2所示。

圖1 綜合基坑平面布置圖

圖2 基坑支護結構剖面圖

2.2 施工重難點分析

（1）重難點分析

項目所處區域地下水位高，且臨近松木山水庫，基坑開挖前應采取有效降水措施，因此地下水位的高低關系到基坑圍護的安全。

（2）應對措施

1）建立地面截水系統，防止地表水流入造成影響，基坑四周的地面排水采用截水溝，將雨水及各種地表水收集、沉淀后排入市政管道。

2）基坑采取明排降水，在基坑四周超前開挖集水坑，匯集土層的滲水，及時抽排出基坑；澆筑底板時，基坑底面設集水坑及盲溝，將積水匯集抽排出基坑。

3）為防止地下水對施工的影響以及池體在施工期間上浮，采用管井進行降水，地下水位應降至主體結構的底板高程0.5m以下。

3 數值模型的建立

本模型采用巖土專用有限元模擬軟件Plaxis進行模擬，模型豎向深度取2倍的基坑開挖深度，寬度為4倍基坑開挖深度，模型共792個單元，6796個節點，計算模型如圖3所示。基坑支護結構采用等效剛度原則，將鉆孔灌注樁等效成地下連續墻來模擬[11]，等效之后板厚D為0.57m，彎曲剛度EI為460×103kNm2/m，軸向剛度EA為17.1×106kN/m。錨桿自由段采用點對點錨桿單元模擬，錨固段則采用embadded樁單元模擬，縱向間距L取1.5m。

圖3 計算模型示意圖

4 數值模擬結果分析

4.1 圍護樁變形

本文基坑開挖共分四層，第一層為放坡開挖，開挖至第二層土體施作鉆孔灌注樁，提取基坑開挖第二、三、四層土體樁體水平位移，對應開挖深度he分別為5m、8m、11.75m，如圖4所示。可以發現，隨著基坑開挖深度的不斷加深，樁體水平位移也隨之增大，最大位移為當基坑開挖至11.75m時，圍護樁最大位移為8.3mm，值得注意的是，此處也是變化幅度最大的點，因此，當施工至此處時需減小開挖厚度，增大監測頻率。

圖4 不同開挖深度下樁體水平位移

4.2 圍護樁內力

不同開挖深度下樁體彎矩如圖5所示。可以發現，隨著基坑開挖深度的不斷加深，圍護樁最大彎矩也隨之增大，最大彎矩為當基坑開挖至8m時，圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。同時，樁身反彎點也隨著基坑開挖逐漸下移。由于錨桿的施作，使得圍護樁最大正彎矩附近的錨固區域產生負彎矩增量，樁身彎矩發生突變，由此發現錨桿對于圍護樁作用顯著。

圖5 不同開挖深度下樁體彎矩

4.3 整體穩定性

在進行基坑整體穩定性分析時，主要分析方法有極限分析法、極限平衡法、強度折減法等，本文采用有限元分析內置強度折減法，對基坑各開挖步執行安全性計算，當基坑開挖至11.75m時，安全系數最小為1.53，此時基坑整體失穩破壞云圖如圖6所示，可以發現，基坑土體沿圍護樁樁底上一點發生整體滑動，因土層為砂性土，滑動面近似為平面，整體失穩滑動面大致為過樁底切樁滑弧。

圖6 基坑整體失穩破壞云圖

5 結論

（1）項目所處區域地下水位高，且臨近松木山水庫，基坑開挖前應采取有效降水措施，基坑采取明排降水，在基坑四周超前開挖集水坑，匯集土層的滲水，及時抽排出基坑。

（2）圍護樁最大彎矩出現在當基坑開挖至8m時，圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。樁體水平最大位移為當基坑開挖至11.75m時，圍護樁最大位移為8.3mm，值得注意的是，此處也是變化幅度最大的點，因此，當施工至此處時需減小開挖厚度，增大監測頻率。

（3）當基坑開挖至11.75m時，安全系數最小為1.53，基坑土體沿圍護樁樁底上一點發生整體滑動，因土層為砂性土，滑動面近似為平面，整體失穩滑動面大致為過樁底切樁滑弧。