软土地基上深基坑开挖变形控制及风险性研究

张学亚，钱德玲，魏雪云

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

随着现代城市的发展，地面交通压力变大，为缓解交通压力同时减少噪音、粉尘的污染，地下空间不断被开发，因此，难以避免地出现在复杂地质条件下进行基坑开挖的问题。深厚软土地基上的基坑开挖引起的土体卸载必然导致周围的地层移动、位移场与应力场的重新分布，导致基坑围护结构产生变形，对基坑自身安全与周边环境产生不利影响。不合理的设计方案与施工方案均可导致工程事故产生，因此在开挖之前对基坑开挖进行数值模拟变得相当重要［1－3］。土与结构的三维有限元模型能够体现基坑开挖的时空效应，可以对基坑开挖进行动态模拟，所得信息可用于指导施工。

本文结合南京水西门隧道与西水关箱涵工程，利用MIDAS/GTS有限元软件进行弹塑性分析，预测基坑围护结构的变形并与现场监测数据进行对比分析，评价基坑设计与开挖方案的有效性与合理性，对渗水事故进行分析总结，为今后类似工程积累宝贵经验。

1 工程概况

西水关箱涵是南京水西门隧道与西水关小桥共建段，上部为西水关小桥，下部为过水箱涵与水西门隧道主体共建，距离水西门大街约80m。拟建场隧道沿线地段属于长江漫滩沉积地貌单元，由于人类的活动和改造，现城西干道道路西侧为秦淮河，东南方向为内秦淮河西水关泵站处。总体地势平坦，目前地面高程在11.0～11.8m之间，开挖深度为16m。主要穿越地层如下：新近期的杂填土、素填土和淤泥质填土；Q4－4的粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉土、粉质黏土夹粉土、粉细砂；Q4－3粉质黏土、混卵砾粉砂岩；K2p泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。

考虑基坑地处闹市区，地层主要为杂填土、黏土及粉土且地质环境复杂水位较高，优选围护结构选型为地下连续墙。因工期与造价影响，故对围护结构设计采用排桩＋止水帷幕，1层混泥土支撑＋3层钢支撑结构选型。其开挖步骤为3步开挖，第1步开挖深度为5.5m，第2步开挖深度为4.0m，第3步开挖深度为3.0m。基坑剖面如图1所示。

图1 基坑围护结构剖面图

2 深基坑开挖的数值模拟

2.1 模型的建立

计算模型尺寸为154m×123m×58m（X×Y×Z），计算模型如图2所示。

图2 三维计算模型

为简化计算，依据同一土层是各向同性的、均匀的和连续性的假定［4－5］，结合现场地质勘查报告，计算采用的土层力学性质指标及相关参数见表1所列。

表1 计算采用的土层参数

围桩按等刚度原则换算成为板单元计算；冠梁、混凝土支撑、钢支撑、系梁、钢围檩及立柱按梁单元进行行计算［6－7］。

2.2 分析步骤

开挖考虑初始应力，具体开挖分析步骤如下：① 初始应力分析；② 结构施工及设置第1道支撑；③ 第1步开挖；④ 内侧部分排桩破除；⑤ 设置第2道支撑；⑥ 第2步开挖；⑦ 设置第3道支撑；⑧ 第3步开挖；⑨设置第4道支撑；⑩第4步开挖；○11 底板施工；○12 主体施工。

3 数值计算结果分析

3.1 坑底回弹及立柱沉降分析

本工程基坑位于软土地基之上，土层中含有大量古城墙基础的砖石块和木桩，止水帷幕与坑底加固无法有效施工，随着开挖深度的增加，土体的卸载必然引起坑底土体回弹，开挖至坑底局部最大隆起值达到39.6mm，略超过绝对控制值（35mm），小于控制标准（0.3H%）。坑底土体回弹是立柱上浮的直接原因，如果在开挖过程中立柱沉降过大会导致支撑梁等围护结构的开裂，产生较大变形，严重时影响基坑工程的安全，因此立柱沉降为本次施工关注的重点。基坑开挖后立柱沉降云图如图3所示，由图3可知立柱上浮最大值为11.9mm，小于工程控制标准15mm。

图3 基坑开挖后立柱沉降云图

3.2 支撑轴力分析

横向支撑直接约束围护结构的侧向水平位移，支撑轴力的大小是围护结构变形的直接反应。由于其观测方法简单、准确，轴力往往是基坑安全研究的重要指标之一。本工程第1层混凝土支撑最大轴力2 007.7kN，小于报警值2 800kN；最大钢支撑轴力出现在第2层支撑上，其内力云图如图4所示。

图4 第2层支撑轴力图

最大单根支撑轴力模拟值为1 420.3kN，超出报警值1 200kN。

3.3 围护结构内力分析

围护结构内力是评价基坑安全的另一个重要指标，本文的基坑开挖前后围护结构弯矩云图如图5所示，基坑围护结构弯矩出现正负2个峰值，随着开挖的进行，到第4步开挖结束时，绕X方向出现最大正弯矩1 407.6kN·m/m由于内侧排桩对外侧排桩的约束作用，内外排桩咬合处出现应力集中现象，最大负弯矩模拟值为－3 195.5kN·m/m。

图5 基坑开挖前、后围护结构弯矩图

4 数值计算结果与监测数据对比分析

4.1 监测方案与实测数据

本基坑采用明挖顺做法，主要监测项目为支撑轴力、基坑收敛、立柱沉降、桩顶沉降、周边土体沉降。详细监测点如图6所示，监测频率开挖期间1～4次/d，主体施工及回填期间1次/3d。

基坑底部土体隆起是基坑安全的一个重要的指标，坑底隆起受施工影响，监测难度较大，因此在实际工程中，多数对立柱沉降进行观测，从而达到对坑底隆起控制的目的。本文结合实际工程，选取立柱沉降观测结果，绘制立柱沉降随开挖步骤及时间的监测变化曲线，得到立柱沉降曲线如图7所示。

从图7中可以看出立柱沉降的整体趋势，结合实际施工过程与监测数据分析如下：

（1）随着开挖深度的增加，土体开始不断卸载，坑底土体出现回弹，通过桩－土作用，立柱呈整体上浮的趋势。

图6 监测平面布置图

（2）第7天以前，第1步开挖至第3步开挖，立柱上浮最大值4.5mm/d，超出报警值2mm/d，第7天以后，围护桩之间出现第1次渗水现象，同时立柱顶部位置的混凝土梁出现大量裂缝，于是暂停施工使土体隆起趋势减弱。

图7 立柱沉降随时间、开挖深度变化曲线图

第21天开始第4步开挖完毕，立柱监测点LZ2上浮11.4mm，达到开挖过程中的最大监测值。

第24天以后，基坑底板开始施工，由于底板的约束与自重作用使得坑底隆起的土体得以部分下沉，逐渐偏于稳定。

4.2 数值计算结果与监测结果对比分析

选取立柱沉降与支撑轴力计算结果与实际监测值进行对比分析。图8所示为立柱监测点LZ1、LZ2、LZ3、LZ4在开挖过程中的沉降曲线，由于受实际工程的开挖暂停以及部分土体回填使立柱上浮的位移有部分下沉的影响，立柱计算值与模拟值有一定出入，但开挖后立柱整体上浮的趋势基本一致。

第3层钢支撑轴力监测5号点如图6所示。支撑轴力在第3步开挖结束时，实测值为668.6kN，有限元模型对应相同坐标的94069号计算单元模拟值648.5kN；实测值在第4步开挖结束时出现了整个前期开挖过程中的最大值1 213.03kN，模拟值1 160.4kN；

图8 立柱沉降随时间、开挖步变化曲线图

第4层钢支撑轴力监测4号点如图6所示。在第4步开挖后，实测值620.0kN，有限元模型对应相同坐标的94452号计算单元模拟值665.6kN。

监测数据与模拟值基本一致。

5 风险性研究

（1）在计算过程中，通过对模型第2层支撑的第3组钢支撑单元选择钝化与激活，分别得到双拼钢支撑原方案与三拼钢支撑最终优化方案的轴力计算值，计算结果见表2所列。由计算结果可知，第2层支撑中，原双拼方案最大支撑轴力模拟值1 420.4kN，超出报警值1 200kN。结合现场监测数据不断报警的情况，项目部将第2层支撑原方案的每组双拼钢支撑分别增加1根单根钢支撑，使原方案的双拼变更为三拼钢支撑，使该层单根钢支撑的最大轴力监测值减小至1 122.7kN，小于报警值1 200kN。变更方案实施后，轴力处于可控范围之内，起到减小轴力和降低风险的预期效果。

表2 原设计方案与优化方案的轴力模拟值对比 kN

（2）从图5基坑开挖前后围护结构弯矩图可知，应力集中附近的排桩未完全咬合处存在桩间土撕裂，继而可能引发涌水、涌土的工程事故，建议项目部对应力集中处的附近土体采取小导管注浆预防渗漏。

（3）在第21天第4步开挖完毕以后，基坑东北角的桩间土撕裂，出现大规模涌水、涌土的事故，使工程遭受巨大的经济损失。其原因如下：① 受地质条件影响，杂填土中含有大量原古城墙基础遗留下来的砖块、石块和木桩，导致原设计方案中的三轴搅拌桩无法进行施工，基坑四周无其他有效的止水帷幕；② 咬合桩施工质量未能达到要求，桩与桩之间并未完全咬合，未达到预期的止水效果；③ 由有限元计算结果可知，基坑内外排桩咬合处，出现应力集中，致使距坑底2m处桩间土被撕裂，从而出现渗水事故。

事故出现后，通过专家论证，对基坑四周土体与坑内土体进行水玻璃与水泥浆1∶1混合注浆，封堵渗流孔径，同时四周与坑内土体得到固化，达到了止水加固的效果，保证了后续施工安全、顺利进行。

6 结论

（1）在基坑设计施工过程中，类似工程案例应当充分考虑场地的复杂性，要选择更加合理的止水加固方案。当三轴搅拌桩无法进行施工时，可以对围护结构四周进行小导管预注浆，从而达到对土体进行固化，同时起到止水的效果，降低基坑渗水事故发生的概率。

（2）现场监测数据表明，基坑结构变形满足设计要求，说明基坑的设计是基本安全的。

（3）通过对基坑的数值模拟，并与现场的实际监测数据比对可知，计算结果与监测数据变化趋势大体相当，说明模型的建立、参数的选取以及等效的替代是基本正确的。数值模拟手段能够预测基坑开挖过程中的变形以及受力状态，所得信息可用于指导现场施工。实际工程中基坑开挖的变形受各种因素的影响，如周边环境、可变荷载、时空效应等，相关方面仍需要进行更加深入的研究［8］。

［1］胡安峰，张光建，王金昌，等.地铁换乘车站基坑围护结构变形监测与数值模拟［J］.岩土工程学报，2012，34（Z1）：77－81.

［2］王 强.敏感环境下深大基坑开挖实测分析及数值模拟［J］.土木工程学报，2011，44（Z1）：98－101.

［3］张旷成，李继民.杭州地铁湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析［J］.岩土工程学报，2010，32（Z1）：338－342.

［4］刘 杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟［J］.岩土力学，2010，31（Z2）：456－461.

［5］陈 震，王希勇，吕小军，等.基坑开挖卸载对下部地铁的作用分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（4）：508－512.

［6］李 磊，段宝福.地铁深基坑工程的监控量测与数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（Z1）：2684－2691.

［7］刘 勇，冯 志，黄国超，等.北京地铁工程深基坑围护结构变形研究［J］.地下空间与工程学报，2009，5（2）：329－335.

［8］应宏伟，杨永文，胡安峰，等.软土某深基坑开挖的实测性状和环境效应分析［J］.土木工程学报，2011，44（Z2）：90－93.