城市软土地区深基坑施工的力学行为分析

2018-09-10许前顺王帅帅赵春发

建筑施工 2018年4期

许前顺王帅帅, 赵春发高波

1. 中交第二公路工程局有限公司陕西西安 710065；2. 西南交通大学四川成都 610031

目前深大基坑施工技术的研究较多[1-6]，但由于工程地质条件及周围建筑环境的复杂性，在繁华市区开展深大基坑施工，必须结合场地工程地质等特殊条件[7]，加强施工过程控制[8]，提前预测施工风险并进行预警，有必要针对基坑施工过程建立模型进行施工过程模拟。

本文依托深圳市地铁8号线沙头角站软土地区深基坑实际工程，采用大型通用有限元分析软件ANSYS，通过分析基坑施工对地表位移及围护结构受力变形的影响，并结合现场监测数据，分析了一次开挖进尺和及时施作临时支撑对地表及围护结构变形的影响，为深基坑施工及监测提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 基坑项目概况

深圳市地铁8号线沙头角站软土地区深基坑位于深圳市深盐路与园林路交叉口处，沿深盐路东西向布置。基坑北侧为酒店、幼儿园、墩头村自建房，南侧为加油站、工业厂房，茂鑫人行天桥及海天人行天桥位于基坑正上方。

基坑周围建筑物较多，距基坑最近的建筑物到基坑边的距离只有4 m，而其中最近的附属结构距离建（构）筑物净距只有3 m，因此，深基坑开挖施工对周边建筑物的影响不可忽视。考虑到地面为交通主干道，基坑分一期和二期2个阶段施工。一期基坑周边环境较为空旷，基坑主体距民房最近处19.59 m，附属结构F出入口距离民房最近处13.64 m。

二期基坑周边环境复杂，距离北侧建筑物较远，主要为墩头村自建房；南侧建筑为工业厂房、村民自建房，南侧建筑物距离基坑较近，最近距离4.1 m；茂鑫人行天桥及海天人行天桥位于基坑正上方，施工时需进行拆除，工程完成后重建。

该基坑周边市政管线密集，沿基坑纵向分布有给水管、电力管、电信管、雨水管、雨水箱涵、污水管等管线，其中有1根9 m×3 m的雨水箱涵横跨主体基坑。

1.2 工程地质条件

该拟建场地原地貌为冲洪积平原，地表已被填挖成深盐路，地形比较平坦，地面高程一般在22.01～27.79 m。深盐路路面表层为混凝土及垫层，路面下普遍分布人工填土，主要成分由黏性土、松散的碎石等构成，填土层的厚度分布变化大，填土层力学性质不稳定，抗剪强度低、土质松散、渗透系数大。

场地普遍分布有凝灰岩的残积土和全风化岩，残积土和全风化岩整体上属松散结构岩土体，岩土体极易受到基坑施工的扰动，发生软化变形，岩土体强度、承载力低，渗透性大，在基坑开挖时止水不当可能出现基底涌泥、涌砂，基坑侧壁岩土体失稳、坍塌等危害[9]。

基岩主要是凝灰岩地层，基岩岩面起伏大，基岩风化程度不均匀，其残积层和风化岩中有存在差异风化现象的可能。场地下部的基岩风化程度不均匀，呈现出了局部地段凝灰岩的风化界面起伏较大、不均匀风化造成的硬夹层现象以及部分岩体风化层缺失等3种主要形式（图1）。

图1 工程地质剖面

1.3 基坑施工技术方案

由于该基坑位于深盐路下，上方路面交通车流量大，基坑周边建筑结构物密集，因此，采用半盖挖顺作法施工，首先进行围护结构的施工，然后分段、分层进行基坑开挖与支护，最后进行主体结构及防水工程施工。

本基坑标准段宽为20.3 m，由于地面走坡，基坑深15.1～23.5 m。标准基坑段的围护结构选用厚度为800 mm的地下连续墙＋内支撑的围护结构形式，标准段基坑竖向设置3道支撑，第1道为混凝土支撑，第2、第3道为钢支撑；小轴端设置4道支撑，端头井全为混凝土支撑，其他部分第1、第3道为混凝土支撑，第2、第4道为钢支撑；大轴端设置3道支撑，端头井全为混凝土支撑，其他部分第1道为混凝土支撑，第2、第3道为钢支撑。

基坑采用半盖挖顺作法施工，主体基坑施工工序为：施作基坑连续墙结构，作降水井点，进行预降水→基坑开挖至第1道支撑下0.5 m，架设第1道支撑→开挖土方至第2道支撑下0.5 m，架设第2道支撑→继续开挖土方至第3道支撑下0.5 m，架设第3道支撑→基坑开挖至设计标高，施工素混凝土垫层→施工车站底板，拆除第3道支撑→施工地下2层侧墙及中板混凝土，拆除第2道支撑→施工地下1层侧墙及顶板，拆除井点，拆除第1道支撑，覆土。深盐路与沙深路交叉路口处先行倒边施工完成临时路面体系，确保路口处交通顺畅。西侧主体基坑施作时占用现状道路为施工场地，交通通过两侧绿地及空地疏解。东侧主体基坑为确保深盐路东西向交通，先施工北侧围护结构并加混凝土盖板为临时路面体系，后施作南侧围护结构并开挖基坑，交通疏解依靠北侧盖板进行，以保证4车道宽度。

2 施工风险分析

该标准段基坑宽20.3 m，由于地面走坡，基坑深度为15.1～23.5 m。根据规范，该基坑深度、地下水位埋深均满足一级基坑的要求，施工风险大，要求高。且基坑范围地下水位较高，底板主要位于粉质黏土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩和中风化凝灰岩中。

2.1 周边环境风险

周边建筑物较多，基坑施工过程的降水和卸载可能使这些建筑物产生不均匀沉降和水平位移，导致房屋开裂。

另外，本场地地下市政管线众多，地下管线埋深0.5～3.0 m，局部地段管线埋深超过5.0 m，位于基坑开挖深度范围内，对基坑开挖、隧道施工造成较大影响。

2.2 基坑施工风险

深基坑工程施工，必须做好相应的围护结构和支撑，对围护结构、地面沉降、支撑等进行严格监控，同时根据工程地质情况及周边环境保护要求，基坑安全等级为一级，变形控制标准：地面最大沉降量≤0.20%H且≤30 mm（H为开挖深度）；支护结构最大水平位移≤0.25%H且≤30 mm；支护顶部最大水平位移≤0.20%H且≤30 mm。

基坑影响范围内存在较多的地下管线，施工前需仔细核实地下管线，确保地下管线已改迁或被妥善保护后，方可施工。

综上所述，该深基坑位于深圳市城市主干道下方，沿线人口密集、交通繁忙，交通疏解对工期影响大。周边管线复杂，亦对施工工期影响大。基坑周边建筑环境复杂，施工沉降变形要求高，技术难度较大。

3 有限元计算分析

3.1 有限元模型建立

本次数值仿真分析采用大型通用有限元软件ANSYS，首先，建立基坑地层结构三维有限元模型，其中二期工程标准段在不改变设计的情况下缩减至200 m，以减小模型尺寸。在合理建立地下连续墙及内支撑体系模型的基础上，考虑实际施工工法，对基坑的施工分析进行了动态施工全过程的有限元数值模拟分析（图2～图4）。

图2 整体网格划分

图3 地下连续墙模型

图4 支撑体系模型

3.2 模型边界条件及计算参数确定

在基坑有限元数值分析中，对模型的前后左右4个侧面，采用约束边界垂直方向位移的滚轴约束，模型的底部采用了固定边界。基坑地下连续墙与周围土体之间采用共用节点的方式连接，横向支撑与地下连续墙之间采用固结节点的方式连接。

基坑地下连续墙以及内部的支撑采用线弹性模型本构，基坑土体和围岩采用Mohr-Column弹塑性模型。对于钢筋混凝土浇筑的地下连续墙和钢筋混凝土支撑，其弹性模量取值为30 GPa，泊松比按0.2取值，混凝土密度为2 500 kg/m3；而基坑内的临时钢管支撑弹性模量为209 GPa，其泊松比取值为0.3，相应的钢管密度按7 850 kg/m3取值，不同地层的岩土体物理力学参数详见表1。基坑位于主干道下部，在基坑周边30 m的地表范围内，通过施加均布荷载20 kN/m2用于模拟上部交通或地面的施工荷载。

表1 土体物理力学参数

土体以及地下连续墙采用solid185实体单元模拟，基坑内支撑采用beam188单元模拟。

3.3 工况确定

依据实际工程施工组织设计，在本次数值模拟中各工况如下：

1）工况1：开挖到第1道支撑下0.5 m的位置，并施作基坑的第1道钢筋混凝土支撑。

2）工况2：开挖到第2道支撑下0.5 m的位置，施工基坑第2道临时钢支撑。

3）工况3：开挖到第3道支撑下0.5 m的位置，施工基坑的第3道临时钢支撑。

4）工况4：开挖至基坑第4道支撑下0.5 m的位置，施工第4道临时钢支撑。

5）工况5：开挖至基坑底位置，施作车站底板。

6）工况6：拆除第4道临时钢支撑。

7）工况7：拆除第3道临时钢支撑，回筑至第3道支撑。

8）工况8：拆除第2道临时钢支撑，回筑至第2道支撑。

9）工况9：拆除第1道钢筋混凝土支撑，回筑至第1道支撑。

3.4 有限元模拟结果分析

本节主要分析基坑施工的有限元数值计算结果，通过分析基坑周边地表的水平位移及竖向沉降规律，探明基坑开挖支护对地下连续墙及内支撑体系的内力和位移影响。

3.4.1 基坑周边地表土体水平位移分析

选取基坑中部标准断面E—F段为监测断面（见图2），得到基坑周边地表土体水平方向位移（图5）。分析基坑边上地表的水平位移变化规律可以发现，基坑周边的地层水平位移值随着远离基坑而明显减小，基坑开挖对地层位移的影响范围约为40 m，大致是2倍的基坑深度[10]，地表最大水平位移为11.0 mm，出现在基坑边缘处，此时，基坑开挖到底部，因此当基坑开挖到基坑底时，应重点监控地表位移变化趋势。

3.4.2 基坑周边地表土体竖向位移分析

本节选取基坑中部标准段位置E—F段为监测断面，得到基坑周边土体的竖向沉降位移（图6）。

图5 地表土体水平位移

图6 地表土体竖向位移

通过进一步分析地表沉降曲线可以发现，随着距基坑距离的增大，地表沉降量呈现先增大后减小的趋势，其分布规律和文献[4-5]研究一致。其中基坑施工引起地表最大沉降值为13.3 mm，沉降最大处位于距基坑13 m位置。进一步可以发现，距离围护结构一定距离处的地表沉降变形较大，影响范围约为40 m，约为2倍的基坑开挖深度，该区域应重点监测地表沉降[10]。通过分析竖向位移云图分布可以发现，当基坑开挖到底部时，由于底板尚未施工，底部约束较差，在基坑开挖卸荷效应下，基坑底部产生了明显的坑底隆起，在实际工程中应引起注意。

3.4.3 地下连续墙水平位移分析

基坑开挖后，观察地下连续墙体的水平位移云图（图7）可以发现，基坑开挖后由于受到周围土体变形的影响，墙体发生向坑内的变形，基坑中部墙体变形最大。

图7 墙体水平位移云图

进一步以基坑地下连续墙中部位置断面为研究对象，提取该位置的地下连续墙水平位移变化曲线（图8）。

首先，分析地下连续墙的水平位移随施工工况变化的曲线，可以发现，随着基坑竖向开挖深度的增大，基坑侧壁水平位移最大值也不断增加，并且在拆除了第4道临时钢支撑后（工况6），其基坑侧壁的水平位移值仍有一定程度的发展，因此，在实际工程中拆撑应引起重视，注意监测基坑位移发展趋势。根据基坑侧壁水平位移在竖直深度方向的变化特性可以发现，墙体侧壁的变形呈现了先增大后减小的趋势，并且墙体最大水平位移为11.1 mm，两侧壁向基坑内鼓出，出现在距地表14.85 m处的墙体位置。

当基坑开挖到底部时，观察基坑对应位置处地下连续墙实测测斜曲线（图9）可以发现，图9中工况5墙体水平位移曲线和实测数据规律基本一致：在整个开挖过程中，两侧壁向中间部分鼓出，呈现“)(”形。进一步分析后发现，实测数据比有限元分析结果要大，主要是实际工程中，基坑开挖后，未及时施作支撑，具有时间上的滞后。

3.4.4 内支撑轴力及位移

通过分析模型各个工况下的内支撑轴力计算数据，可以得出基坑4道内支撑在各个工况下的最大轴力值（图10～图13）。分析基坑各层支撑的轴力分布规律可以发现，基坑两端扩大断面以及中间约束较弱的位置处一般轴力较大。

对比分析不同工况下基坑各道内支撑的轴力值（表2、表3）可以发现，基坑内支撑轴力最大值发生在拆除第4道支撑并回筑的工况时，此时对应的第3道支撑最大轴力为2 521 kN，在实际施工时应引起重视，宜增加监测频率。

图8 墙体水平位移变化曲线

图9 墙体水平位移实测曲线

图10 基坑第1道支撑内力

图11 基坑第2道支撑内力

图12 基坑第3道支撑内力

图13 基坑第4道支撑内力

表2 开挖过程各工况下支撑轴力最大值

表3 拆撑过程各工况下支撑轴力最大值

4 现场测试数据分析

基坑端头处地表沉降在2017年8月17日—2017年8月24日，从13.3 mm增加到30.0 mm，监测数据出现了红色预警，引起了施工和建设单位的重视。分析地表沉降曲线变化规律可以发现，现场测试数据和有限元分析结果规律一致，在离基坑30 m范围内的地表沉降较大（图14）。

地表沉降实测曲线显示，当基坑开挖到第4道支撑位置时，地表最大沉降为13.3 mm，当纵向一次开挖进尺为6 m时，地表沉降增大为19.7 mm，此时，地表沉降未超限。

图14 地表沉降实测数据曲线

考虑在基坑底部施作第4道钢支撑的空间有限，大型设备很难进入基坑底部，因此，施工队伍未按设计要求及时施作第4道钢支撑，而是采取了继续纵向开挖至12 m，此时监测到地表沉降快速增加为23 mm，地表沉降已经超过了规范值30 mm的2/3。但作业队伍仍未及时跟进临时钢支撑，待继续纵向开挖到20 m左右时，地表沉降急剧增大为30.1 mm。当监测数据出现异常以后，引起了施工单位的重视，基坑后续开挖严格按照设计进行，控制一次开挖进尺为6 m，并及时施作第4道支撑。

上文分析了基坑底部纵向开挖进尺过大，未及时跟进第4道钢支撑，而导致地表沉降急剧增加，本节将分析其围护结构水平位移变化规律（图15）。

图15 围护结构水平位移实测数据曲线

可以发现，当基坑开挖到第4道支撑时，围护结构最大水平位移为20 mm，出现在地下13 m处，且呈“)”形向基坑内弯曲，其变形模式和前述有限元分析结果基本一致，但实测数据大于有限元分析结果，主要是由于对有限元分析进行了大量简化，未能考虑开挖及支护的时效性。

当纵向开挖进尺增大为6 m时，围护结构最大水平位移为27 mm，结合地表沉降数据19.7 mm，没有超过规范允许值，因此，作业队伍未严格按照设计要求开展，而是继续增大开挖进尺。当纵向一次开挖进尺达到12 m时，未及时跟进第4道支撑，围护结构水平位移增大为35.6 mm。当纵向开挖长度继续增大至20 m时，围护结构水平位移急剧增大为46.6 mm，地表沉降达到了30.1 mm，均明显超过了规范要求限值，因此，及时施作了第4道支撑，后期数据基本稳定。由此可见，对于基坑底部开挖，必须严格按照设计要求施工，严格控制开挖进尺，并及时施作支撑。