深基坑施工对钢板桩围堰影响的数值模拟分析

丁德亮 杨 磊 付 猛 于 洋 徐顺平

1. 中建三局第二建设工程有限责任公司 武汉 430074；2. 中建三局投资发展公司 武汉 430070

1 工程概况

武汉东湖通道工程规划北起二环线红庙立交，与二环线水东段对接，南止于喻家湖路喻家山北路道口，全长约9.86 km。除两端局部采取高架和地面方式外，全线基本采取隧道建设方式，其中穿东湖隧道段全长约6.88 km，团山隧道段长约1.22 km，地面段长约0.70 km，高架段长约1.06 km。

湖中隧道段采用围堰明挖法，根据隧道线路走向与沿湖路关系，湖中隧道共形成了5 个围堰区，如图1所示。

图1 湖中段围堰平面分布

基坑支护形式如图2所示。

其中第1道支撑为钢筋混凝土支撑，BH800 mm×1 000 mm，间距为7 m。第2道支撑位于坑顶下5 m处，为钢管支撑，Φ609 mm，厚16 mm，间距3.5 m。

2 数值模拟模型参数

在考虑实际挖坑的情况时，为了更好地模拟出基坑第1道支撑与第2道支撑的情况，我们对模型做了改进与重新计算。具体体现在X方向长度变为3.2 m。针对此次基坑开挖的过程，采用ABAQUS软件进行分析。模型几何尺寸说明：土体模型X方向尺寸为堰外50 m+围堰8 m+堰内42 m，Y方向宽度取3.2 m，Z方向土层深度自湖底起25 m，堰芯土高出湖底2.8 m，Z=0处是淤泥顶部位置，各个土层按照地勘新剖面建立。K1+112处的钢板桩长度迎水面桩15 m，背水面桩18 m，与土体接触摩擦因数取0.8。拉结钢筋位于堰芯土顶向下0.5 m处。

围堰钢板桩与土体采用接触分析，摩擦因数取为0.8。支护桩采用惯性矩等效原则取厚度为0.8 m，水泥土搅拌桩厚度取为0.6 m，桩体与土体共节点。

由基坑施工图中已知第1道支撑间距7 m，第2道支撑间距3.5 m，围堰内拉结钢盘间距0.8 m，根据对称性原理，模型宽度取为3.2 m，此时第1道钢筋混凝土支撑取实际截面面积一半，0.4 m×1 m；同理，第2道钢管支撑取Φ305 mm、厚16 mm。

土体采用摩尔库仑材料模型，通过改变土体的密度体现水的影响。当土体位于水位线以下，土体密度取浮重度；当土体位于水位线以上，密度取饱和质量密度。

基坑深度取为11 m，分4 次开挖，在每一步开挖前有一个降水分析步，将所要开挖的土体重度加大至10 000 N/m3，同时在支护桩上加到降水深度的水平水压力。开挖采用生死单元，移除所开挖土体单元。

3 基坑开挖数值模拟

基坑开挖数值模拟计算示意见图3。其中施工载荷为15 kPa，堆土载荷为30 kPa。平整场地1 m后进行挖坑，挖坑深度分别为3 m、2 m、3 m、3 m。

图3 数值计算示意

3.1 基坑开挖各个步骤的水平位移与竖向位移

在土体的正式开挖前，分别对结构加上施工荷载与堆土荷载，而后进行降水1 m，场地平整，平整场地高度为1 m。在这些因素的共同作用下围护桩周围的土体有5.48 cm的水平位移，场地平整后基坑处土体的涌起量大致为2 cm。当然，这也是由于各种因素的影响之下土体才会出现如此大的水平位移。在计算中也并没有考虑到降水时以及荷载作用下的土质情况的增强。而且这一步的水平位移在实际监测中也不能显示出来。

第1步开挖开始前，第1道水平支撑建立。其挖坑深为3 m，在水平支撑的作用下，基坑附近的土体的侧移得到了很大的遏制，其土体总的位移为5.65 cm，除去整平场地时的位移后，由于挖坑引起的位移仅为0.17 cm，钢板桩附近的土体水平位移很小，大概为3 cm。基坑内部出现隆起现象，隆起的总位移有7 cm。

第2步挖坑深为2 m。开挖开始后，由于基坑开挖深度的增加。其侧移现象有略微的增加。基坑附近土体总的水平位移为5.86 cm，除去场地整平时的位移为0.38 cm，钢板桩附近的土体位移也有了一定幅度的增大。基坑内部继续出现隆起现象，隆起的位移有9.5 cm。

第3步开挖开始前第2道支撑建立，其挖坑深度为3 m。由于基坑开挖深度的增加。其侧移现象继续有略微的增加。基坑附近土体总的水平位移为6 cm，除去场地整平时的位移为0.52 cm。钢板桩附近的土体位移也有了一定幅度的增大。基坑内部继续出现隆起现象，隆起的位移有9.6 cm。

第4步开挖深为3 m。由于基坑开挖深度的进一步增加。其侧移现象继续有略微的增加。基坑附近土体总的水平位移为6.14 cm，除去场地整平时的位移为0.66 cm。钢板桩附近的土体位移也有了一定幅度的增大。基坑内部继续出现隆起现象，隆起的位移有9.6 cm。

3.2 基坑开挖各步围堰及基坑各个部位的位移及增量

基坑开挖的初始状态时迎水面钢板桩与背水面钢板桩的位移为零。

通过计算可知，在基坑开挖第4步完成后，迎水面桩与背水面桩位移分别为0.52 cm与0.52 cm，由此可知开挖过程中钢板桩的位移并不会很大。而支护桩桩顶的水平位移在第4步完成后为－0.24 cm。围护桩基本不动，其增量也很小。支护桩坑底部的水平位移在第4步完成后为2.68 cm。便道中线竖向位移在第4步开挖完成后为－0.35 cm，沉降量也并不是很大。隧道中线坑底竖向位移在第4步开挖后为7.91 cm，这主要是由于挖坑过程中土体的隆起造成的。

3.3 基坑开挖各步的拉结钢筋应力

通过计算可知，随着基坑开挖的进行，拉结钢筋应力值都是在5 MPa左右，其变化并不大。第1道支撑轴向应力分别为－0.99 MPa、－1.91 MPa、－1.82 MPa、－1.18 MPa。第2道支撑的轴向应力分别为－28.4 MPa、－63.2 MPa。其中，在第四步挖坑后第二道支撑的应力值较大。

4 结语

根据数值模拟，本基坑DHTDK1+112截面随着开挖的进行，迎水面桩与背水面桩的水平位移增量很小，在基坑开挖完成后，由基坑开挖引起的迎水面桩与背水面桩的水平位移均为0.52 cm，由基坑开挖引起的基坑周围土体最大水平位移为0.66 cm，由基坑开挖引起的支护结构顶部最大水平位移为0.26 cm，由基坑开挖引起的基坑内部隆起的最大竖向位移为7.6 cm。随着基坑开挖的进行，拉结钢筋应力的增大也并不明显，均为6 MPa左右。综上，基坑开挖过程中钢板桩土芯围堰和基坑支护结构都是安全的。