富水軟弱深基坑開挖支護數值模擬及變形監測對比研究

甘肅，魏星

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430060）

1 引言

隨著城市建設面積的急劇減少以及各項技術水平的不斷提升，城市中高層建筑逐漸增多，不可避免地增加了深基坑工程的數量。然而，深基坑開挖過程中勢必會遇到更加復雜的地質環境，開挖過程會對巖土體的穩定性造成破壞，該現象在富水軟弱地層中尤為常見[1-2]。富水軟弱地層具有地下水豐富、沙石含量較高、承載力小、土壤易流動和孔隙率大等特點，從而給工程建設帶來一系列難題，例如，與水接觸的砂石層和板巖的承載力降低，在降水和開挖過程中容易導致土壤變形等，給施工工藝和基坑支護結構等提出了更高的要求[3-4]。如何在富水軟弱地層條件下選擇合適的深基坑支護結構體系以及進行現場實踐驗證，對于深基坑開挖過程中的變形控制及周圍既有建筑物的保護均具有重要意義[5-6]。本文以某商業和辦公建筑深基坑施工為依托，制定符合現場實際情況的支護結構體系，通過FLAC3D 數值仿真軟件進行開挖過程三維數值模擬，并與現場監測數據進行對比，以此優化支護結構參數。

2 工程概況及監測結果

2.1 工程概況

經過對項目所在地進行勘察，得到了該區域的地層大致結構，從上至下主要分為3 層，即人工新近填土（Q4ml）、冰水沉積土體（Q2fgl）及白堊系灌口組不同風化程度泥巖（K2g）。揭露的巖層可劃分為6 層，各土層劃分及參數見表1。

表1 土層劃分及參數

本項目擬采用的支護方案為地下連續墻+ 內支撐的支護結構體系，采用分層開挖方式，一共分6 個步驟：（1）從地表開始進行第一次開挖，開挖至0.5 m 處布置第一道混凝土支撐；（2）進行第二次開挖，開挖至5.5 m 深處布置第二道鋼管支撐；（3）進行第三次開挖，開挖至10.5 m 深處布置第三道鋼管支撐；（4）進行第四次開挖，開挖至15.5 m 深處布置第四道鋼管支撐；（5）進行第五次開挖，開挖至20.5 m 深處布置第五道鋼管支撐；（6）進行第六次開挖，開挖至22.0 m 時達到開挖深度要求。本項目的基坑最大開挖深度為H=22.5 m，結合基坑周邊環境特點，確定該項目主體深基坑安全等級和保護等級均為I 級，相應的變形控制指標為：地表最大沉降≤0.12%H（27.00 mm），支護結構最大變形位移量≤0.16%H（36.00 mm）。

2.2 監測點布置

根據數值模擬計算結果，現場采用的地下連續墻剛度為30 GPa，內支撐道數為5 道。施工過程中及時做好監測點布置，用于測量在不同施工工期下基坑周邊連續墻圍護墻體的水平位移和地表沉降等變形。

3 數值仿真及結果分析

3.1 數值仿真建立

通過FLAC3D 軟件對基坑開挖進行三維數值模擬，模擬區域內的各個土層均采用摩爾-庫倫塑性模型進行計算，計算模型設計為長180 m，高60 m，垂直于紙面方向取10 m，基坑寬度取20 m，基坑開挖深度為22 m，按均布荷載20 kPa 施加壓力。對計算模型進行網格劃分，共劃分為52 998 個節點、46 800 個六面體網格單元。開挖施工前對開挖區進行降水處理，降水深度至基底下方1 m。因此，在進行數值模擬時不考慮地下水滲流的影響。

支護結構體系中的地下連續墻嵌入深度為13.5 m，厚度為0.8 m，密度和泊松比分別為2 500 kg/m3和0.25，剛度設置為10 GPa、30 GPa 和50 GPa；內支撐分別設置2 道、3 道和5 道，第一道支撐為混凝土支撐，第二～第五道支撐為鋼支撐，內支撐結構單元采用beam 單元進行數值模擬。

3.2 圍護墻水平位移模擬結果分析

取開挖完成時圍護墻水平位移為研究對象，對比研究地下連續墻剛度及內支撐道對其影響規律，研究連續墻剛度對圍護墻側向位移影響時內支撐道數固定為5 道，研究內支撐道數對圍護墻側向位移影響時連續墻剛度為30 GPa，圍護墻側向位移變化曲線如圖1 所示。

從圖1a 可以看出，不同剛度的地下連續墻在基坑開挖完成后的側向位移隨著深度的增加表現出的規律幾乎一致，側向位移最大值均出現在17 m 深處的位置，地下連續墻剛度為10 GPa、30 GPa 和50 GPa 時位移的最大值分別為23.95 mm、21.45 mm 和19.65 mm，可見隨著地下連續墻剛度的增加，圍護墻體抗變形能力有所增強，但是增大的幅度并不是十分明顯。

從圖1b 可以看出，在不同支撐道數下，圍護墻體的水平位移表現出的變化趨勢存在較大差異，當支撐道數為5 時，連續墻側向位移隨基坑深度的增加表現出典型的“弓”形曲線，最大值出現在靠近基底1/3 處，為21.45 mm，滿足規范要求；當支撐道數為3 時，連續墻側向位移隨基坑深度的增加表現出先顯著增大后穩定最后減小的趨勢，即整個連續墻的側向位移均較大，最大為28.05 mm，也滿足規范標準，但是考慮到實際工程情況的復雜性，3 道內支撐存在較大的風險； 當支撐道數為2 時，連續墻側向位移隨基坑深度的增加表現出典型的“弓”形曲線，最大值出現在靠近基底1/3 處，不同的是，此時的最大變形量高達39.90 mm，超過了規范標準，加之實際工程情況的復雜性，2 道內支撐必然導致安全事故。綜合上述分析情況可以看出，實際施工時，內支撐道數對工程安全起著至關重要的作用，該工況下，內支撐道數應該大于或等于4 道較為安全。

3.3 地表沉降模擬結果分析

取開挖完成時距離基坑不同距離的地表沉降為研究對象，對比研究地下連續墻剛度及內支撐道對其影響規律，沉降量變化曲線如圖2 所示。

圖2 不同支護參數下地表沉降

從圖2a 中可以看出，在不同剛度的地下連續墻支護結構條件下，基坑開挖完成后基坑周邊土體的豎向沉降位移隨著距基坑邊緣距離的增加表現出的規律幾乎一致，地下連續墻剛度為10 GPa、30 GPa 和50 GPa 時，沉降位移的最大值分別為15.05 mm、13.45 mm 和11.65 mm，可見隨著地下連續墻剛度的增加，土體沉降量有所減少，但減少的幅度不明顯。

從圖2b 中可以看出，在不同內支撐道數支護結構條件下，基坑開挖完成后基坑周邊地表土體的豎向沉降位移隨著距基坑邊緣距離的增加表現出的規律幾乎一致，內支撐道數為2、3 和5 時沉降位移的最大值分別為21.05 mm、16.15 mm和13.45 mm，均在安全范圍內，但是鑒于現場施工環境的復雜性以及數值模擬簡化的部分工程條件，內支撐道數為2 時的沉降量對基坑周邊建筑物的影響很大。可見，隨著內支撐道數的減少，土體沉降量有所增加，當內支撐道數小于3 時，沉降增長幅度十分明顯。

4 結論

1）地下連續墻+ 內支撐支護結構體系控制富水軟弱地層深基坑圍護墻變形及地表沉降具有顯著優勢。

2）地下連續墻剛度對圍護墻變形及地表沉降影響較小；反之，內支撐道數影響較大；在富水軟弱地層條件下可通過增加內支撐道數和減小連續墻剛度的方式進行安全施工和減少施工成本。

3）現場監測數據表明在富水軟弱地層條件下數值模擬變形結果較實際值偏小，選取參數時需考慮足夠的安全系數。