全地下泵站深基坑开挖支护结构安全稳定性分析

韩 莉

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

在深基坑工程中，其稳定性一直是人们关注的焦点。随着地下泵站深基坑的开挖，基坑底部的垂直应力和边坡的水平应力逐渐降低，附近土体可能在某一瞬间接近或达到最大支撑强度，一旦超过该强度，就会致土体坍塌。随着基坑开挖深度增加，开挖面加大，底板膨胀会加剧，同时流塑性变形会增大。若支承不够，则受轴向载荷的影响，会导致横向支承的稳定性降低。当横向支撑失稳，承载力就会下降。在没有支撑的情况下，挡土墙会很快向下倾倒，导致整个基坑失稳。因此，针对不同的工程地质条件，开展深基坑开挖工程的稳定性分析十分必要，国内学者对此进行了一定的研究。文献[1]采用有限元软件对深基坑支护进行了数值仿真，并对数值仿真结果中的支护结构位移变化和各种应力进行监测；文献[2]提出了深基坑“墙-撑-锚”组合支护体系变形特性研究方法，对“墙撑锚杆”复合支护系统的变形机制进行了研究。然而，上述两种方法易受地基中大量存水影响，会出现塌槽、渗漏和坑底回弹现象。

为此，本研究提出了全地下泵站深基坑开挖支护结构的安全稳定性分析方法。

1 工程概况

以空港污水处理厂迁厂输水管线及泵站工程项目为例。工程建设地点起于现状空港污水处理厂，由北向南敷设路线至张贵庄污水处理厂，规划污水总量约14.9 万m3/d。标段分界范围为：施工至W124 井(含W124 井)。工程建设内容包括：（1）泵站工程。新建1 座污水泵站：选址于现状雨水泵站北侧，占地1 800 m2，设计流量1.61 m3/s；改造二期中部污水泵站：改造后设计流量0.2 m3/s；改造二期南部污水泵站：改造后设计流量2.24 m3/s。（2）输水管线工程。采用加压和自重流动相结合的输送方法，路径全长10.5 km。其中：利用现状d1400 压力管道2.0 km，新建d1200、 d1500 压力管道2.4 km，新建d1650、d1800 重力管道6.1 km。（3）管道流量监测系统。在三个提升泵站出水口、进水口和管线终点设置监测井，安装无线监测流量计、数据信息汇聚模块、流量监测工作站、数据存储服务器等设备，实时监测管线污水流量。

工程基坑开挖深度大，基坑支护与降水施工是工程重难点。主要目标是确保基坑的稳定性，使基坑下方土层快速排水并疏干固结，方便土方开挖，为基坑开挖提供无水作业环境，包括浅层潜水地下水位降低、土体含水率降低、土体抗剪强度升高，防止塌槽、漏水及坑底回弹起落。

2 地下泵站深基坑开挖支护结构安全稳定性研究

对深基坑进行全面稳定性分析是基坑工程设计的重要环节之一。FLAC3D 数值模拟分析方法模拟出的模型为弹塑性模型，该模型根据屈服单元状态持续跟踪塑性流动区域，即使在荷载作用参数改变后，仍能持续模拟弹性形变，计算实时性较高。而基于“墙-撑-锚”组合支护体系变形模拟法，需要多组原始数据分段传输，多次模拟，根据模拟结果分析线性流动变化，从而模拟形变状态。而基于开挖施工监测与数值模拟分析，更适合工程中不同阶段的静态模拟，其结果限制性大，计算易陷入全局最优解。故此，使用显式有限差分法结合FLAC3D 软件完成数值模拟，FLAC3D 计算与普通计算方式区别很大。该方法可在键盘上交互输入多种指令，通过文件驱动执行批量操作。故在FLAC3D 数值模拟软件中，须理解不同的指令键作用，并根据运算次序进行排序，从而生成可执行特定运算任务的指令。基于此原理，地下泵站深基坑开挖支护结构进行稳定性模拟。

2.1 基坑开挖支护结构稳定性判断

地下泵站基坑失稳的主要因素有支护结构倾斜及过度变形、地表过度沉降、地基隆起等，在上述确定的基坑开挖支护结构的剪应力与应变张量情况下，提出一种基于支护结构的稳定性分析方法。确定基坑稳定性时须综合考虑各影响因素，包括基坑周边最大沉降量、挡土墙倾斜度、基坑最大弯矩、基坑底部最大隆起量、墙顶位移量[3]。

采用 FLAC 数值模拟有限元软件，对开挖过程进行仿真分析。用Nu 代表从模型中发掘的观测参数，而空白的压力会被自动设定为0。由此建立一种基于弹性体的初始应力场，在应力作用下将模型全部赋为弹性，以避免在初始应力作用下发生塑性变形。去除相应于初始应力场的位移，并在FLAC 数值模拟支持下，设定的起始标记指令中位移为0。在支撑力为0 时，基坑只有连续墙，无外部和内部支撑。在基坑施工中，受外力影响，墙体在基坑内持续发生倾斜。随着施工深度的增加，支护结构因缺少内外支撑而逐渐加速，最后达到承载力极限，从而引起开挖支护结构失稳。

利用FLAC 数值模拟有限元软件，对不同开挖期的支护结构进行分析，得出其在不同开挖过程中的受力情况。

（1）第一开挖阶段。围护结构变形量仍很小。基坑开挖时由于受主动土压力影响，墙体在基坑内发生一定倾斜，而开挖后墙体变形无明显变化。可以判定，开挖初期基坑处于稳定状态。

（2）第二开挖阶段。地面塌陷严重，开挖支护结构严重变形。在基坑超出其正常工作极限时，可以判定为基坑在正常开挖情况下的不稳定。但在基坑开挖过程中，不会产生较大的变形，也不会导致基坑坍塌。由此可判断：在该阶段，超出其最大负荷极限的情况下，围护结构正常使用性失稳，但未超出最大负荷，不会发生坍塌。

（3）第三开挖阶段。地面严重沉陷，支护结构严重变形。在基坑超出其正常工作极限时，可判定为基坑正常开挖下的不稳定。但在继续开挖后基坑内支撑结构不会产生较大变形，因此不会出现大范围破坏。因此判断：该阶段支撑结构超出正常使用极限，但未超最大负荷，不会发生坍塌。

（4）第四开挖阶段。可看出：由于地基的主动土压，导致墙体持续倾斜，最终致墙体坍塌。基坑底壁在弯矩作用下易出现破坏。该阶段由于受主动土压力影响，墙体内部加速度增加，导致结构不稳。由此可判定工程在该阶段结构失稳。

由上述判断可知，若不在围护墙体上施加支撑力，维护结构会在第四开挖阶段出现结构失稳。由此得到基坑是否稳定的判定条件：①f1＜fx＜f2，1f为主动土压力给支护结构带来的压力；f2为极限压力。当支护结构承受的压力大于主动土压力给支护结构带来的压力且小于极限压力时，说明基坑结构稳定不会塌陷，地表沉降较小。②f2＜fx＜f3，f3为最大压力。当支护结构承受的压力大于极限压力小于最大压力时，说明基坑结构稳定，不会塌陷，但结构变形较大，不能满足正常使用。③fx＞f3，当支护结构所承受的压力大于最大压力时，说明基坑结构失稳，出现塌陷问题。

通过上述判定，可分析出地下泵站深基坑开挖支护结构的稳定临界值，完成数值模拟分析。

2.2 基于FLAC3D 的剪应力与应变张量分析

FLAC3D 数值模拟软件通过接口控制单元对结构和土壤之间的相互作用进行了仿真分析，接口控制单元以库仑滑动定律为基础，结合其摩擦角、粘聚力、膨胀角、剪切刚度、法向刚度、拉伸强度等特性[4]，可以将尺寸相同或不同的单位连接起来。FLAC3D 中的接口控制单元是一个三角形结构，将两个三角形的界面元素“粘贴”到固态元件的表面，并与一个四边形固态元素相配合。接口控制单元按不同的权重向各个区域分配节点，使每个节点均具相对应的代表区域。

在基于FLAC3D 的剪应力与应变张量分析过程中，定义了一个基本的接触关系，将与接口控制单元相接触的固态元件表面称为靶面，目标面与接口控制单元剪切界面的剪切方向是一致的[5]。

计算接口控制单元在t+Δt时间的剪切应力为：

式中nκ为剪切刚度；nh为节点穿透目标面的深度；nσ为剪应力；S′为与节点相关的面积。

应变张量可表示为：

式中ix、xj分别为节点i、j的速度分量；vi、vj分别为节点i、j的变化位移；Δt为应变时间。

在每次迭代过程中，分别求出相应的接口控制单元节点与相应的目标面的相对剪切应力和应变张量。在此基础上，将其引入界面的本构模型中，并进行数值模拟，用线性库仑强度判据来确定接口控制单元的本构关系。当剪切应力和应变张量均超极限值后，接口控制单元将发生与靶面相对的滑动关系，从而增大靶面的法向应力。

3 实验

3.1 实验环境构建

基坑周围使用混凝土桩，桩间距为1.5 m，采用内支撑的支护形式，圈梁内也为钢筋混凝土。在实验过程中，混凝土桩采用数值模拟软件的桩单元，截面设置为圆形。整个模型岩土底部是全约束形式，在任何情况下均不会发生位移。在基坑开挖过程中，竖直方向会发生沉降。将该模型进行网格划分，横向和竖向每米设置一个网格，并将岩土参数（见表1）输入至模拟软件中。根据岩土参数模拟计算得出该工程基坑的整体抗滑稳定性计算结果见图1，其安全系数K 为1.74。

图1 整体抗滑稳定性验算

表1 岩土参数

针对邻近建筑物荷载，每层取15 kN/m2，根据建筑物层数的变化，在确定距离基坑开挖边缘10.4 m 外，采用浅基础形式，确定邻近建筑分布位置。通过模拟计算得出该工程基坑的坑底抗隆起稳定性验算的结果见图2，安全系数K 为1.97。

图2 工程基坑坑底抗隆起

3.2 实验结果与分析

对四个开挖阶段下的坑底中心隆起程度进行分析，如果隆起程度较大，说明结构失稳严重。以此为依据，进行以下详细分析。

（1）第一开挖阶段。分别使用基于开挖施工监测与数值模拟分析（方法一）、基于“墙-撑-锚”组合支护体系变形模拟分析（方法二）、基于FLAC3D 数值模拟分析（方法三）三种方法，对比分析在该阶段随着开挖天数的增加，不同方法下的开挖深度结果（见图3）。由图可知，使用方法一，开挖天数为3.4 d；使用方法二，开挖天数为3.9 d；方法三，开挖天数为2.6 d，与实际数值相差0.05 mm。由此可知，使用基于FLAC3D 数值模拟分析方法，在该阶段坑底中心隆起程度数值模拟结果更为精准。

图3 三种方法在第一开挖阶段对比

（2）第二开挖阶段。分别使用三种模拟方法，对比分析该阶段坑底中心隆起程度（见图4）。由图可知，使用方法一，开挖天数为7.9 d ；使用方法二，开挖天数为9.0 d ；使用方法三，开挖天数为6 d。由此可知，使用基于FLAC3D 数值模拟分析方法，在该阶段开挖数值模拟结果与实际数值相差0.04 mm，具有精准模拟效果。

图4 三种方法在第二开挖阶段对比

（3）第三开挖阶段。使用三种模拟方法对比分析该阶段坑底中心隆起程度（见图5）。由图可知，使用方法一和方法二，开挖天数分别为17 d 和18 d；使用方法三，开挖天数为16 d，与实际数值相差0.01 mm。由此可知，使用基于FLAC3D 数值模拟分析方法在该阶段数值模拟结果更为精准。

图5 三种方法在第三开挖阶段对比

（4）第四开挖阶段。使用三种模拟方法，对比分析该阶段坑底中心隆起程度，（见图6）。由图可知，在该阶段，结构已经失稳，数值模拟的数据波动曲线不再平滑。其中使用方法一，开挖天数为23 d ；使用方法二，开挖天数为24 d ；使用方法三，开挖天数为22 d，与实际数值在开挖深度为16.7 km 时相差最大。

图6 三种方法在第四开挖阶段对比

4 结语

针对空港污水处理厂迁厂输水管线及泵站实际工程背景，采用FLAC3D 数值模拟软件对基坑工程进行数值模拟。全地下式泵站在基坑开挖时，由于坑内土体挖出后地基的应力场和变形场发生变化，可能导致地基失稳，引起地基的滑坡、坑底隆起反涌砂等，通过对深基坑支护结构的整体抗滑稳定性、基底抗隆起稳定性和抗管涌能力进行计算，发现全地下式泵站采用地下连续墙作为基坑的支护结构可满足施工安全要求。

基坑开挖和支护的稳定性模拟是一个十分复杂的过程，由于时间和条件所限，本研究尚不够完善，存在有待进一步解决的问题，例如：由于三维有限元计算的信息量很大，而且受到计算机的运算能力和速度制约，无法获取一个无限大的场地作为模型研究的边界。因此，如何合理地选择模型的边界，使其计算结果更准确、有效，可能将成为今后研究的热点。