高孔隙水压地层基坑降水开挖施工技术研究

程 学 昌

(广州地铁集团有限公司，广东 广州 510330)

1 概述

随着中国城市化的发展，土地矛盾越来越显著，地下空间工程能有效地解决城市用地问题[1]。高层建筑、轨道交通等城市基础设施的修建使得基坑工程普遍存在，尤其对于富水地层，基坑工程的修建将不可避免的遇到承压水，施工过程中存在的高孔隙水压将直接影响基坑本身结构的安全[2]。在富水环境下基坑降水施工可能存在周围土体沉降、围护结构变形以及土层渗透性破坏等方面的问题是基坑施工的主要难点[3]。针对于此，诸多学者展开研究。周勇等[4]采用现场监测以及数值模拟的方式针对兰州市某地铁站车站的深基坑工程进行研究，分析其开挖引起的变形特征。陈忠等[5]考虑承压水的降水研究基坑变形规律。沈仁宝等[6]采用BP神经网络进行基坑变形的预测。李少波等[7]结合统计方法与数据挖掘算法研究厦门地铁基坑变形特征。上述研究缺乏针对高孔隙水压地层基坑工程施工的分析，降水过程对于基坑土体变形以及支护结构内力的影响十分显著。

本文以某高孔隙水压地层的深基坑工程为依托，采用有限元软件对深基坑的施工降水和开挖过程进行模拟，建立考虑地应力、渗流场耦合作用的地层—围护结构—水的基坑施工模型。深入研究基坑降水施工对围护结构以及基坑土体的影响。

2 工程概况

某基坑工程所在地区由第四系填土、淤泥粉质粘砂类等组成，推荐承载力80 kPa～300 kPa，极限摩阻力40 kPa～90 kPa。位于Ⅷ地震区，场土类别为Ⅳ砂在力作用下严重液化。

该基坑工程尺寸为34.8 m×19.2 m×7.95 m。该基坑工程选用27 m SP 27 m SP-Ⅳ型钢板桩。钢板桩施工结束后进行基坑开挖，分层钢板桩施工结束后进行基坑开挖，分层开挖至腰梁标高下0.5 m搭设腰梁和内撑后继续开挖。钢板桩埋深14.2 m。图1给出了基坑所处位置的地质剖面与基坑工程的围护结构设计。

3 数值模拟分析

3.1 模型概况

采用MIDAS GTS-NX有限元软件建立基坑降水施工三维模型，现将模型尺寸定为150 m×80 m×50 m的三维实体，地层从上至下分别为淤泥、上层粉质粘土、下层粉质粘土，层厚分别为12.5 m,2.5 m,24 m。各层土的物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数表

地层密度/kg·m-3弹模/MPa泊松比粘聚力/kPa摩擦角/(°)厚度/m淤泥1 40070.308614.90粉质粘土1 80070.351214.613.00粉细砂1 900200.2525.612.322.00

根据施工图纸建立有限元模型如图2所示，给出了网格划分以及内支撑细部。本模型采用添加水头边界的方式模拟降水过程，采用MIDAS软件中的应力—渗流分析模块进行建模。土体采用三维实体单元模拟，围堰采用2D板单元模拟，围檩、内支撑及抗拔桩均采用1D梁单元进行模拟。

其施工步骤主要总结如下：1)进行围堰施作；2)进行开挖施工；3)进行围檩以及内支撑的施工；4)通过激活节点水头进行降水分析；5)开挖至基坑底部时进行抗拔桩的施工，并浇筑封底混凝土。

3.2 结果分析

通过上节中建立的基坑有限元模型，从基坑土体变形以及坑内支撑的受力两个方面研究高孔隙水压系下基坑降水施工的影响。

3.2.1变形分析

选取支撑结构施工作为典型施工步，图3给出了出现最大沉降和隆起变形的施工步对应竖向位移云图。从图3中可以看出：变形较大的位置主要出现在支撑结构部分，随基坑开挖，变形逐渐增大。基坑的最大沉降变形为10.8 mm，出现的最大沉降变形为第三道支撑施工。最大隆起变形为0.81 mm，对应的施工步为第四道内支撑施工。

综合上述：围堰及基坑内支撑的竖向位移和水平位移均为合理值，围堰的最大沉降值为10.8 mm，小于围堰结构位移控制标准值20 mm。最大隆起值较小为0.81 mm。

3.2.2内力分析

施工过程中围堰结构的最大主应力云图如图4所示。

从图4中可以看出：最大压应力出现在围堰底部，约为4.875 MPa，最大拉应力主要分布在围堰上部，约为0.407 MPa。Q235钢的抗拉强度设计值为215 MPa，大于围堰结构最大拉应力，因此，围堰结构不会发生破坏，且施工过程中最大拉应力变化极小，此处影响忽略不计。

除研究围堰结构的受力外，针对内支撑以及抗拔桩等1D桩单元也需进行内力分析。图5给出了结构施工完成后内支撑的内力云图，从图5中可以看出：最大弯矩为39.73 kN·m，分布在内支撑中部区域。最大轴力为37.48 kN，分布在内支撑中部区域。最大剪力为27.5 kN，分布在围檩中部区域。

4 结语

本文通过有限元软件对深基坑的施工降水和开挖过程进行模拟，建立考虑地应力、渗流场耦合作用的地层—围护结构—水的基坑施工模型，详细研究了降水以及开挖对基坑土体变形以及内支撑结构受力的影响。主要结论如下：

1)该基坑的变形以及围护结构的内力均在可控范围内，结构整体安全，表明现有的围护结构设计方案能满足基坑稳定性要求。

2)位移及内力最大的区域基本位于内支撑上，这表明内支撑对基坑的变形有较明显的控制作用。

3)降水施工造成的内外水位高差对围堰结构有明显的影响，具体表现为水平位移及内力呈增大的趋势。

4)为保证高孔隙水压下基坑的安全施工，需针对围檩及内支撑、钢板桩、基坑内外土体等关键节点进行变形监测，实时反馈基坑工程的安全状态。