数值模拟在深基坑施工风险等级判断的应用

欧阳明

（中铁十一局集团第一工程有限公司 湖北武汉 430000）

0 引言

深基坑施工过程中存在许多风险，包括渗流破坏、支护失稳、基坑内滑坡、踢脚破坏、底部隆起、承压水突然涌出等。在可接受的范围内，风险监控成为必不可少的措施。

目前，深基坑的风险等级已基本根据其监测数据确定，并结合实际工程经验。在施工过程中，通过对监测数据进行分析，可以获得深基坑的风险状态和水平。为了更直观，更清晰地判断深基坑在施工过程中的风险状况，根据基坑监测报警值对风险等级进行分类，并采用数值模拟方法对深基坑的应力和变形进行分析。基坑在几种施工条件下根据定义的风险等级，确定每种施工条件下深基坑的风险状态。该研究为确定不同条件下深基坑施工的风险水平提供了一种新的参考方法。

1 基于监测报警值的深基坑施工风险等级划分

安全等级不同的基坑对各种监控项目的要求也不同，而对这三个安全等级都具有监控要求的项目是围墙顶部的水平和垂直位移，这表明该项目在围岩中具有代表性。因此，在划分深基坑风险等级时，以墙顶水平位移和垂直位移的报警值作为参考值。基坑的深基坑是安全的，上海地区的深基坑一般采取围护地下连续墙的形式，达到地下连续基坑中建筑基坑工程监测技术标准（GB 50497—2009）的水平。墙体顶部水平位移和垂直位移监控报警值。同时，在实际项目中，报警值为70%～80%。

基坑变形太大往往会导致基坑事故，基坑变形程度不同代表不同的风险状态。所以说，依据基坑的变形大小来划分基坑的风险等级。在项目的风险评估过程中，项目风险级别分为5个级别，同时还包括风险描述和风险接受标准。风险等级基于深基坑监测报警值，根据建筑基坑工程监测技术（GB 50497—2009）以及（DG/T J08-61—2010）根据基坑工程设计规范对深基坑监测报警值的要求，建立了4级风险等级，相应的风险描述等级和风险验收标准如表1所示。结合项目实际情况，将监测报警值70%作为分类标准的第一，第二风险等级。

表1 风险等级、风险描述及接受准则

2 深基坑工程概述

2.1 深基坑工程内容

（1）岩土工程勘察。确定岩土参数和地下水文参数。测量周围的建筑物，地下管道和埋藏的材料。

（2）信封结构。包括边坡开挖，水泥土搅拌桩，地下连续墙，土钉墙和锚固。深基坑支护形式应根据地下水文条件，岩土地质条件和工程特点综合确定。

（3）保护周围环境和地下管线。首先，应调查地下管线的地下管线，采取保护措施，并注意施工对周围环境和建筑物的影响。

（4）后期监控程序。根据深基坑的不同情况，选择不同的监测方案，并通过计算机对监测数据进行整理，以保证施工的顺利进行。

2.2 深基坑工程特点

2.2.1 环境性

深基坑工程不仅与水文地质条件有关，而且与深基坑和周围建筑物的位置有关。如果有必要控制支撑并保持结构变形，则必须调查场地周围的环境，尤其是要保护的地下地下管线和建筑物，这些区域必须与施工现场保持一定距离。相反，如果深基坑的周围区域相对开放并且不需要特殊保护的建筑物，则深基坑的设计需要深基坑的稳定性控制设计。因此，必须明确调查深基坑的周围环境。

2.2.2 理论性

深基坑土变形的关键因素是土压力，不能通过土压力公式简单计算土的复杂性和多样性，对于深基坑的安全变形和稳定性，这是不确定的。一方面，由于土壤的复杂性和多样性，土壤抗剪强度的变化，作用时间的不确定性以及深基坑支护结构的复杂性，土壤压力不理想。另一方面，支撑结构不仅具有自身的稳定性，而且还涉及渗透率和渗流的概念，这就需要将土力学，结构力学，流体力学和其他力学结合起来，以实现其理论的多样性。因此，深基坑的理论计算有待于进一步完善。

3 数值模拟分析各工况下深基坑的风险等级

开挖深基孔的方法也会影响深基孔的变形，例如，基台的安装时间，无基台的深基孔的暴露时间，悬臂开挖深度，基台结构和基台的构造顺序。这些因素在地面承载力较低的软土地区尤为突出。由于基台的施工过程和预应力的大小可以有效地控制深基坑的变形，因此必须注意基台的及时安装和基台模板的浇铸。

深基坑位于高水位地区。降水过程将导致土壤水分流失，孔隙水压力消散，土壤压力升高，土壤中孔隙的压实以及深基坑表面的土壤沉降。深基坑脱水后，深基坑外的支护结构和土层将有相应的水平位移和沉降。

随着深坑的开挖，深坑内外的土壤应力发生变化，土壤中的气压不断消失，土壤压力不断升高，最终达到凝固固结状态。在此过程中，土壤变化成为深坑变形。

深坑事故有许多危险因素，例如过度钻探，堆放，降水不足，土壤超负荷，支撑基座的安装以及止水结构的损坏。凹坑变形的程度取决于每个因素的严重程度。为了更直观地确定各种风险因素作用下深基坑的风险状况，以上海国际金融中心项目为例，建立数值模型，分析深基坑在不同工作状态下的变形，然后根据风险级别确定深基坑的风险状态。

3.1 工程概况和数值模型建立

上海国际金融中心项目位于上海市朱林路以东（规划中），张家派河以北，杨高南路以西。它毗邻北部的竹园商业区2-16地块。基坑面积约48860m2，周长约950m，开挖深度为26.6~28.8m。在基坑北部，有杨高南路雨水抽水站，位于基坑开挖深度的1倍范围内。根据上海标准《基坑工程技术规范》（DG/T J08-61—2010）的规定，北部洋高南路雨水泵站区域基坑工程的环保等级为1级，基坑一般区域基坑工程的环境保护等级为二级。

3.2 数值模拟结果分析

根据工地现场实际情况和土层物理力学性质，运用PLAXIS2D软件建立有限元模型，模拟在不同超挖和堆载情况下基坑围护墙顶部的水平位移量和竖向位移量。

通过数值模拟得出，超挖量分别为基坑深度的0、2%、4%、6%、8%、10%，和地面堆载分别为 0kPa，10kPa，20kPa，30kPa，40kPa，50kPa

时的围护墙变形量，通过参照表2中建立的风险等级分类标准，建立了不同类型的超开挖和堆放荷载的基坑风险等级，并建立了现场施工状态与基坑风险等级之间的相对直观的关系。

3.3 不同风险因素作用下基坑的变形分析

在此数值模拟中，我们分析了超开挖和堆积对深基坑变形的影响。在具有不同超采量和不同层数的地下室中进行变形分析（主要为围护墙顶的水平位移和垂直位移），数值分析结果分别如图1、图2所示。

由图1和图2可以看出，不同超挖工况下，围护墙顶部发生了不同程度的水平位移和竖向位移。同时，通过对比数据可以发现，围护墙顶部的水平位移量较之竖向位移更接近报警值，更能反映基坑此时处于风险等级较高的状态。

4 结论

（1）基坑的变形观测包括很多项目，基坑的所有三个安全等级都需要观测围栏顶部的水平和垂直位移，这两个项目在基础中具有代表性。因此，它被用作基本矿坑风险分类的参考值。

图1 不同超挖情况下深基地坑围护墙的变形

图2 不同堆载情况下深基坑围护结构的变形

（2）当超限和过载不同时，围栏顶部在一定程度上发生了水平位移和垂直位移。挡土墙顶部的水平位移比垂直位移更接近坑的变形预警值。因此，在分析中，以挡土墙顶部的水平位移为指标来判断矿坑风险等级。

（3）根据数值模拟数据和观测数据，当土壤覆盖率达到6%，地面荷载达到10kPa时，该坑的风险等级为3级。根据风险等级的描述，在第三个施工期间不会在坑中发生任何风险。因此，过度开挖量不应超过6%，地面荷载不应超过10kPa。如果过大的开挖量超过6%或地面荷载超过10kPa，则应采取措施以确保基坑的安全。根据相关专家的施工经验，该方法的评价结果可为深井建设的风险防范提供参考。