市政工程中深基坑开挖过程水平位移影响数值研究

胡巍

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）

1 引言

城市化发展背景下，用地紧缺的问题逐步显现，地下空间的开发成为重要的方法，能够解决城市发展与土地资源供应不足的矛盾。在地下空间的开发中，深基坑工程占据举足轻重的地位，深基坑开挖期间需做好基坑支护结构的分析工作，确定其水平位移，以便采取针对性的控制措施。

2 工程概况

某地铁车站深基坑工程，开挖长度、宽度、深度分别为199.5m、16.8m、16.8m。基坑围护结构设计等级为一级，最大允许水平位移≤0.0014H。基坑围护采用地下连续墙结构，厚度500mm，围护长度28.6m，入土深度11.5m，横向支撑材料为φ600mm钢管，共设置4道，竖向设置间距为5m、4m和4m。基坑开挖后，设置钢支撑装置并施加应力（以设计轴力的50%较为合适）。施工期间，以现场实际情况为准，对预应力设定值做灵活的调整。

3 深基坑施工技术要点

①深基坑开挖遵循“先撑后挖、分层开挖”的基本原则，土方开挖纵向从南、北两端开始，逐步向中间推进，逐层、逐段有序完成放坡开挖作业。

②断面开挖采取分层的方法，单层厚度1.5m～2m，从两侧向中间放1∶1～1∶1.5的坡，两侧适当预留台阶，实际放坡量根据现场土质条件而定，确保边坡具有足够的稳定性。随台阶面的持续开挖，到达钢支撑底部标高下50cm后架设钢支撑。

③土方开挖采取纵向分段的方法，从南、北两侧开始逐步向中间推进，每段开挖量20m～25m，每完成一段开挖作业后设置钢支撑。采用2台PC400挖掘机和1台加长臂挖掘联合作业的模式，将基坑开挖产生的土方快速转移至地表，再由专门的运输车沿特定的路线转移至指定地点。随施工进程的持续推进，土方量有减小的趋势，此时以小型挖掘机为主要开挖设备，适配10t龙门吊垂直提升土方。待开挖至距基坑底部0.3m左右的位置时转为人工作业的方式，精细化开挖，避免超挖现象，产生的土方由龙门吊垂直提升，再有序外运。

④于坑内四周修筑集水坑和排水沟，通过此类设施的综合应用及时排出基坑水，避免积水过多的情况。

⑤及时清理基底碎石、块石等不利于正常施工的材料；铲至设计标高以下约20cm的位置，于该处摊铺细颗粒配砂石料，在面层上铺适量的砂土，对该部分予以压紧处理，使其具有稳定性与平整性。

⑥在基坑开挖环节中，加强对地基土的防护，避免出现受冻膨胀、雨水浸泡等情况。尽可能缩短开挖过程中基坑的暴露时间，以免在外部因素的影响下导致基坑失稳。若基槽地基有遭水浸泡的情况，需深入现场加以检测，确定被浸泡部分的厚度，将该部分清理干净，减小不良影响，此后方可回填灰土垫层。

深基坑施工中需着重考虑四点。

①基底超挖：加强对基坑开挖量的控制，即不可超过基底标高。

②加强基底防护，在开挖期间及开挖后均不可出现基土明显受扰的情况，且需尽可能减小对基土的扰动性影响。若因天气条件或某些原因被迫暂停施工，在基底标高以上预留0.3m的土层，该部分不予开挖处理，待后续开工时对现场作业情况做详细的检查，若无误则继续开挖。

③加强对施工方法的控制，采取分层、分段、对称的方法，尽可能创设良好的施工环境。

④严格控制开挖尺寸，避免超欠挖以及边坡过陡的情况。着重考虑开挖宽度和坡度，除了保证结构尺寸的合理性外，还需在许可范围内适当增加作业面宽度，以满足施工要求。

4 深基坑开挖的数值模拟方法

岩土工程的分析方法较多，较为普遍的方法包含但不限于有限元法、离散元法、边界元法。从适用范围以及使用频率来看，以有限单元法颇具代表性。得益于交互式图形处理技术等相关配套技术的深度发展，现阶段三维有限元程序的功能正逐步完善，能够更好地契合工程人员的工作需求，成为岩土力学分析领域不容或缺的“得力助手”。

FLAC3D是现阶段工程建设领域应用较广泛的建模分析方法，是基于二维有限差分程序FLAC2D的升级形式，重点关注单个流体质点运动参数的变化特点和相邻质点间的参数特点，对流场的流体运动展开分析。在本次分析中，土体本构关系采用Druck-Prgaer模型，地下连续墙用梁单元、基坑支撑用杆单元、地连墙与土体间的作用力用滑动库仑摩擦模型模拟。

5 深基坑水平变形的影响分析

5.1 水平位移监测

基坑开挖全程加强对水平位移的监测，期间重点关注最大允许值和变化速率两项关键指标，将实测值与设定阈值展开对比分析，达到阈值后做出相应调整。其中，累计水平位移应≤30mm（也可采取水平位移≤5mm/d的判断依据），累积沉降值≤20mm（也可采取≤3mm/d的判断依据）。

5.2 水平位移的有限元建模结果

深基坑开挖施工环境错综复杂，有限元模拟分析时，除了考虑深基坑工程中各材料的非线性特征外，还需考虑开挖所导致的途径依赖性和非线性。本次分析采用“空气单元”的方法，用于模拟深基坑开挖过程，对开挖掉的基坑微元赋予相对较小的值，再设定荷载、质量、应变等关键的参数（均将其设为零），此时无需再次划分网格，保证了模拟分析的效率和准确性。基坑开挖伴有屈服、流变的动态变化过程，同时施工现场的土体、基坑围护结构等也有持续性变化，最终处于新平衡状态[1]。

在基坑土体开挖过程中，由于开挖的扰动性，基坑周边的土体具有向坑内移动的变化趋势；基坑被动区土体的最大水平位移普遍集中在基坑开挖断面之下某特定的距离处，且在基坑开挖深度持续增加的施工条件下，该最大位移所处位置有持续向下延伸的特点；主动区土体水平向位移最大值则具有略微向上偏移的特点，影响范围有所扩大。具体如表1所示。

表1 墙体水平位移监测值与模拟值对照表

经对比分析发现，较之实测值，各开挖阶段的水平位移模拟值均更大；从开挖结束这一时间点来看，墙体最大水平位移的实测值为16.41mm，而模拟值达到24.48mm，相差8.07mm。究其原因，与模拟过程中模型及参数的选取不合理有关。具体至每步施工中，对比分析模拟值和实测值发现两项数值之间存在较明显的比例关系，且比例系数普遍为1.5左右。

5.3 墙体入土深度影响

传统的深基坑工程支护结构计算方法是按照支护结构两侧土体达到极限土压力状态来计算，但是越来越多的实测数据表明，深基坑支护结构两侧的土体并没有都达到极限状态，而是处在极限土压力状态和静止土压力状态之间。国内外许多学者对此进行了研究，包括数值模拟分析、理论探讨和现场实测等，都取得了相应进展。近年来，数值模拟分析在基坑开挖问题的分析中得到广泛运用，弹性、非线性弹性、弹塑性本构模型先后被应用到基坑开挖的有限元分析中，为合理设定和准确预测作用于支护结构的土压力分布以及研究结构变形与土压力之间关系提供了手段。深基坑工程中，支护结构上土压力的分布涉及多个因素，包括支护结构位移、插入深度、时间、温度等。插入深度的计算随着土压力分布的不同而不同，支护结构位移也随着插入深度的变化而变化，支护结构位移、插入深度及土压力三者之间，既相互影响变化，又相互统一。

基坑工程结构体系中设置有内支撑，随着嵌固深度的增加并不会给基坑侧向变形和基坑地表沉降带来显著影响；基坑围护的入土深度则会直接给经济效益带来影响。因此，除了确保基坑整体具有稳定性外，还需采取有效的措施控制墙体的变形，使其维持稳定的状态。各入土深度施工条件下墙体的最大水平位移量如图1所示。

图1 不同入土深度下的墙体最大水平位移

5.4 支撑预应力影响

将预应力作为变量，调整预应力值并分别施加在钢支撑结构上，由此确定基坑地表的最大变形情况，具体如图2所示。可知待预应力值达到设计轴力的75%时，基坑墙体最大水平位移降幅达到40%，由此可见，在采取施加预应力的方法后，有助于抑制墙体的变形，使其维持相对稳定的状态，应用效果突出；随着该施加预应力的增加，即达到设计轴力的75%以上时，若仍持续增加预应力值，虽然可以进一步增强对基坑变形的控制效果，但相对有限，存在“投入与产出不成正比”的情况。可见，在对钢支撑施加预应力时应重视“度”，以设计轴力的50%～70%较合适。

图2 不同支撑预应力下墙体变形曲线

6 结语

在本次分析中，基于FLAC3D程序模拟某深基坑的开挖过程，在环境等因素的影响下，模拟数值与实测结果存在一定偏差，但仍可以肯定的是，有限元模拟的结果依然具有较高的参考价值，能够指导深基坑工程施工。从模拟结果来看，若基坑的嵌固深度超过0.9～1.0H，在持续加大入土深度后，将难以控制基坑变形问题。因此，需确定基坑围护的最小入土深度，根据该指标采取控制措施，使基坑维持稳定状态。在对支撑结构施加预应力后，可以改善基坑墙体的内外侧土体受力条件，增加主动土压力，同时，被动土压力降低，且施加的预应力以设计轴力的50%～70%较合适，此时具有较好的控制效果。