翟永勇 王嘉浩 鄔建華 濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江蘇 南京 210007;2. 陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院 江蘇 南京 210007;3. 北京交通大學(xué) 北京 100044

隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，城市高層建筑工程深基坑不斷增多[1]。它們常常坐落在人口相對稠密的區(qū)域，四周有大量的建筑物和重要管道，施工過程中必須嚴(yán)格控制，保證基坑的穩(wěn)定性。同時，深基坑的開挖與降水會破壞自然土體的均衡狀態(tài)，造成土體的變形，引起四周一系列的建（構(gòu)）筑物以及地下管線變位。由于深基坑支護(hù)工程存在復(fù)雜性與不確定性，故造成過相當(dāng)多的問題，引發(fā)了一系列重大的工程事故。

本文將考慮初始地應(yīng)力、開挖步驟、地層物理參數(shù)、施工降水等諸多因素，利用數(shù)值分析的方法，深入研究大型基坑開挖及施工降水時對于周圍土體的影響情況。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

陸新征等[2]對某設(shè)計尺寸達(dá)到69 m×50 m×50 m的特深基坑進(jìn)行了施工全過程的三維有限元彈塑性分析和模擬，并詳細(xì)說明了具體實現(xiàn)方法；平揚等[3]將比奧固結(jié)理論擴(kuò)展應(yīng)用于彈塑性分析領(lǐng)域，耦合滲流場水力作用與應(yīng)力場，并通過有限單元法模擬得到深基坑開挖及降水過程中，開挖范圍及鄰近區(qū)域地面沉降等環(huán)境效應(yīng)的基本規(guī)律。李俊才等[4]采用三維快速拉格朗日差分分析法將南京A、B大廈支護(hù)結(jié)構(gòu)（懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)、單層支點混合支護(hù)結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁連拱支護(hù)結(jié)構(gòu)）與一定范圍內(nèi)的土體（長、寬、高）作為一個整體，結(jié)合基坑實際開挖降水及施工工序，模擬和反映支護(hù)結(jié)構(gòu)體的空間受力特征和變形。駱祖江等[5]、馮曉臘等[6]、張蓮花等[7]對此也有相應(yīng)的分析。常見的巖土工程數(shù)值分析主要利用通用和專用的有限元軟件，如Abaqus、Ansys、Midas等。鄭剛等[8]、姚燕雅等[9]、王成華等[10]、陳志明[11]使用Abaqus；許劍峰[12]、郭智杰等[13]、申明亮等[14]使用Ansys；李治[15]、李方成等[16]、李輝等[17]、胡斌等[18]使用Midas，均對基坑開挖降水對周邊環(huán)境的影響做過研究。

本文所研究的超大基坑位于江蘇省蘇州市繁華地帶，是蘇州市最大最深基坑之一，在基坑支護(hù)設(shè)計和施工過程中，受到蘇州市各界人士的關(guān)注。方案突破了類似工程常規(guī)，具有較強(qiáng)的操作性及針對性，節(jié)約了工程造價，縮短了工期。為了解基坑施工對周邊環(huán)境的影響，建立了土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐體系以及豎向支護(hù)體系共同配合作用的基坑三維有限元模型，對基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形位移、立柱樁身的沉降、支撐結(jié)構(gòu)軸向力以及不同降水次序進(jìn)行了定量分析，有效地控制了基坑變形，確保周邊建筑、市政管網(wǎng)設(shè)施不受影響，得到了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程概況

本工程地處于蘇州市工業(yè)園區(qū)，分為兩期工程。一期工程基坑面積約為14 000 m2，周長約為500 m；二期工程基坑面積約為27 000 m2，周長約為640 m。一期工程已經(jīng)落成，二期工程基坑（圖1）包括了圓環(huán)式支撐體系、周圍土體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 基坑平面示意

3 基坑支護(hù)方案

3.1 基坑安全等級

本基坑開挖的深度為14.3 m，周邊環(huán)境條件復(fù)雜，工程地質(zhì)條件較差且含豐富的地下水，主要工程地質(zhì)條件從上至下分別為：雜填土層、黏土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉砂夾粉土層、粉質(zhì)黏土層、黏土夾粉質(zhì)黏土層等。基坑側(cè)壁安全等級定為一級，重要性系數(shù)1.1。

3.2 基坑支護(hù)方案設(shè)計

本場地內(nèi)可利用的施工條件較為狹窄，基坑開挖的深度深、面積大，需考慮土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的時空效應(yīng)受力的特點，采用有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)材料受力的形式。

綜合考慮以上各種因素，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用了鉆孔灌注樁的圍護(hù)形式，水平方向上加了3道混凝土的環(huán)形支撐，環(huán)形支撐垂直方向上設(shè)置了立柱樁。

同時，基坑的四周采用φ850 mm＠1 200 mm的三軸深軸攪拌樁結(jié)合樁間的高壓旋噴樁進(jìn)行全封閉止水，同時坑內(nèi)采用疏干降水井，坑外設(shè)置了應(yīng)急觀測井，若止水帷幕出現(xiàn)滲漏，可采用相應(yīng)應(yīng)急措施。

4 基坑三維模型的建立

4.1 建模思路

本工程場地土層變化復(fù)雜，需要對每層按照實際厚度進(jìn)行建模。建模時建立設(shè)計方案中的水平、豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此研究基坑開挖過程對周邊環(huán)境的影響。

4.2 模型的材料參數(shù)

土體采用摩爾-庫侖模型，混凝土采用線彈性材料模型，未考慮支護(hù)布局的施工對于周圍土體環(huán)境的擾動。模型中的土層參數(shù)如表1所示。

表1 模型中的土層參數(shù)

4.3 模型的幾何參數(shù)

4.3.1 鉆孔灌注樁

為簡化基坑建模過程，同時考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)建模采用鉆孔灌注樁時，計算結(jié)果可能會出現(xiàn)一些節(jié)點不收斂的情況，在建模的過程中，采用地下連續(xù)墻進(jìn)行等剛度替換灌注樁的方法，以此減少計算量，如式（1）所示。

式中：D——鉆孔灌注樁的直徑，m；

t ——鉆孔灌注樁的間距，m；

h ——地下連續(xù)墻等效厚度，m。

當(dāng)D＝1.20 m，t＝0.20 m，得到h＝0.96 m，即等剛度替代的地下連續(xù)墻厚度為0.96 m。鉆孔灌注樁強(qiáng)度為C35，彈性模量為31 500 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3，開挖深度為14.3 m。覆蓋土層范圍包括第1土層到第4土層。

4.3.2 立柱

立柱樁樁頂?shù)慕^對高程應(yīng)當(dāng)確定為立柱位于墊層底的絕對高程，立柱底的絕對高程應(yīng)當(dāng)最少比立柱樁樁頂?shù)慕^對高程低3.0 m。為了防止立柱樁在彎矩等的影響下發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在基坑的建模過程中，需要沿z軸的約束立柱。

4.3.3 水平支撐

水平支撐尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 水平支撐尺寸參數(shù)

4.4 施工工況

根據(jù)施工方案，模擬的施工進(jìn)程可分為9個工況：建立初始應(yīng)力場；安設(shè)立柱和豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)；安裝第1道支撐；開挖第1層土體（－2.75～－0.50 m）；安裝第2道支撐；開挖第2層土體（－6.90～－2.75 m）；安裝第3道支撐；開挖第3層土體（－11.90～－6.90 m）；開挖第4層土體（－14.30～－11.90 m）。

4.5 三維模型的建立

4.5.1 基坑三維模型

擬建基坑開挖寬度為145 m，深度為14.3 m?；娱_挖對周圍土體和建筑物的影響區(qū)域為3～5倍開挖寬度和5倍開挖深度，而模型建立過大可能會導(dǎo)致節(jié)點數(shù)目過多，計算過于復(fù)雜。綜合以上因素，設(shè)定模型的尺寸為300 m×300 m×60 m（長×寬×高）。模型的節(jié)點數(shù)目為53 614個，單元數(shù)目為112 321個。基坑有限元模型如圖2所示，基坑支護(hù)模型如圖3所示，基坑約束模型如圖4所示。

圖2 基坑的有限元模型

圖3 基坑支護(hù)的模型

圖4 基坑約束模型

4.5.2 邊界及荷載條件定義

模型左右方向約束x方向位移，前后方向約束y方向位移，底部約束z方向位移，頂部沒有約束。

5 計算結(jié)果分析

5.1 數(shù)值模型的監(jiān)測點

基坑開挖過程中對周圍的環(huán)境，包括周圍的建筑、周圍的道路、地下的管線都有可能產(chǎn)生各種各樣的影響。數(shù)值模型中也在這些位置設(shè)定了監(jiān)測點來提取模擬數(shù)據(jù)，具體如下：

1）水平位移及豎向位移：沿圈梁頂每隔20 m設(shè)1個水平位移觀測點。

2）支撐軸力測量：選擇10處支撐進(jìn)行軸力測量。

3）支撐立柱沉降：選擇10根立柱樁在不同的開挖層中設(shè)沉降觀測點。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

各施工步驟支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖5、圖6所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)總位移

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

從支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移圖中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)在4個開挖步驟中的位移變形曲線大致相同，最大側(cè)向位移發(fā)生在第3層支撐所在的支護(hù)結(jié)構(gòu)處，為17.45 mm，呈現(xiàn)出了“魚腹”的變形，隨著開挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移剛開始時逐漸增大，到了最后階段，位移變形則呈現(xiàn)出略有減小的趨勢，最大位移的位置先上移，之后向下移動，最后在開挖面的附近處趨于穩(wěn)定。當(dāng)開挖的步驟到達(dá)基坑底部時，各個測點的位移增量比較大。支護(hù)結(jié)構(gòu)的最終位移控制在相對較小的范圍內(nèi)，可滿足工程安全可靠的要求。

5.2.2 立柱沉降

立柱的不均勻沉降是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點處理的問題，因為存在較大的不均勻沉降回彈將會對水平支撐的系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。模擬顯示各個立柱的最大沉降量為0.76 mm（圖7），沒有超過規(guī)范值1 mm，不會對基坑支護(hù)體系產(chǎn)生較大的影響，同時也保證了該基坑開挖時土體的安全。

圖7 立柱位移

5.2.3 支撐軸力

結(jié)果表明，第1道支撐的最大軸向力為2 706.8 kN（圖8），第2道支撐的最大軸向力為9 990.3 kN（圖9），第3道支撐的最大軸向力為17 622.6 kN（圖10）。這3個支撐結(jié)構(gòu)中，第1道支撐結(jié)構(gòu)承受的軸力最小，第3道支撐結(jié)構(gòu)承受的軸力最大。從圖8～圖10可以看出，內(nèi)環(huán)撐軸向力很大，因此在施工過程中應(yīng)該重點進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測，當(dāng)所得到的監(jiān)測值超過了計劃值時，應(yīng)當(dāng)及時采取相應(yīng)的應(yīng)急辦法。

圖8 第1道支撐軸力

圖9 第2道支撐軸力

圖10 第3道支撐軸力

6 結(jié)語

文中所涉及的超大基坑工程一期、二期總基坑面積約41 000 m2，采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)直徑達(dá)162 m，為目前蘇州地區(qū)最大。同時，該項目場地周邊不僅分布著煤氣、自來水、電信等管線，且緊鄰游樂園摩天輪等高聳構(gòu)筑物及密集的已建建筑。本研究對于分析超大型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的借鑒意義，結(jié)論如下：

1）開挖面附近的四周結(jié)構(gòu)的水平位移均比較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力明顯大于其他部位，4個轉(zhuǎn)角處的軸力明顯大于其他部位。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力最大值空間上處在不同位置，軸力最大值在第3道支撐處。

3）深基坑工程、支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程的降水是確定基坑穩(wěn)定安全的首要任務(wù)，尤其是關(guān)于淺埋的深基坑開挖的內(nèi)容。降水引起的地面沉降對于周圍建筑物的不利影響，需結(jié)合所在區(qū)域的經(jīng)驗定性分析和定量計算。

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