臨湖隧道軟土深基坑變形特性分析

楊 彬 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年來，軟土地區基坑數量愈來愈多。隨著各類基坑挖深的增加，施工難度也在逐漸加大。由于基坑工程綜合性較強，支護理論受地域影響大，因此合理模擬施工并分析其土體變形，對深基坑的設計、施工和監測的研究具有重要意義。當前，已有諸多學者對基坑變形進行了大量研究，但研究成果多是針對普通基坑開挖中的變形特性，對于滲流條件下含淤泥質土的深基坑開挖變形尚缺乏系統的研究。本文結合蘇錫常南部高速公路太湖湖底隧道陸域部分深基坑工程，使用ANSYS創建三維模型，再導入FLAC3D進行開挖支護模擬，采取軟件計算與實際量測結合的方式，在考慮淤泥質黏土和地下水的影響下計算了開挖過程中各工況土體的變形，預測了施工中產生的沉降隆起、水平位移和滲流變化，對模擬和監測結果進行了分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

太湖隧道3標位于江蘇無錫，整體采用圍堰明挖法施工，由兩岸向中間逐段推進，流水作業。本文研究段位于太湖東岸臨時大堤內側的陸域部分，屬垂直開挖最深區段。

1.2 地質條件

根據項目的前期勘察和區域地質資料，基坑影響區主要是第四系全新統(Q4)黏性土及上更新統(Q3)土層。各層土物理力學參數見表1。

1.3 圍護結構設計方案

圍護結構采用鉆孔樁和四道支撐。鉆孔樁型號Φ1000@1200mm。第一道內撐選擇鋼筋混凝土，間距8m，斷面尺寸800×1000mm；第二至四道內撐選擇外徑為Φ609的鋼管撐，壁厚16mm，相鄰支撐間距3m。一至四道內撐軸力標準值分別為1172.2kN、2554.8kN、2147.2kN、1535.2kN，各道鋼支撐軸力按設計的30%～70%施加，并根據現場圍護變形和監測情況實時調整。

2 模型簡介

模型需覆蓋基坑開挖的影響區域，還應考慮求解精度和計算效率[1]。在消除邊界效應的原則下，參考現有研究成果，選開挖尺寸（長30 m寬44m深16m）的3～5倍作為影響區域較合理，故建立模型范圍30 m×176 m×40m。網格劃分使用solid185六面體，依據基坑密集、遠處稀疏的原則，一共劃分81199個grid-points、74880個zones。模型如圖1所示。

圖1 ANSYS模型劃分網格示意圖

計算采用Elastic Model和Mohr-Coulomb Model兩種本構，前者應用于結構單元，后者用于土體。流體為fl_iso各向同性模型，不透水材料采用fl_null滲流空模型。支撐和鉆孔樁分別選用beam和pile單元進行模擬，模型共有443個structural-elements。土體在豎直方向可自由沉降，計算前對周邊進行側向約束，不允許水平位移（X=0，X=176 和 Z=0，Z=-30），底面對豎直變形進行約束（Y=-36.69m），模型上表面為無任何約束的自由面。

物理力學參數表 表1

3 計算工況

考慮到基坑附近荷載，為方便建模分析，在基坑頂部邊緣2m之外施加25kPa的均布荷載，加載寬度為便道和附近堆載總寬，取20m。考慮基坑降水的計算結果與工程實際更為接近，本文選擇主從進程法進行滲流和力學計算(set mech sub 10 fluid sub 10)。采取分步開挖的方法模擬6個過程。首先，對各層土施加重力荷載，讓模型自重穩定，生成初始應力場；再清除自重作用造成的位移，依據先撐后挖的基本原則，使用model null命令對土體進行了2～6步降水并開挖，全過程由時間步長來定義。工況見表2。

計算工況劃分情況 表2

由于工況2挖深較小，變形不明顯，故取第3～6步四個工況分析。

4 基坑位移分析

4.1 地表沉降和坑底隆起分析

最終豎向位移云圖如圖2，可發現土體應力平衡打破后內力重新分配，在卸荷作用下坑底土體回彈；基坑降水開挖、兩側荷載作用以及擾動引起的鉆孔樁變形、軟土層蠕變，導致地表沉降，且主要集中在基坑兩側20 m范圍內，最大沉降值小于監測控制指標30mm(累計變化量)。模擬結果基本反映了施工過程中基坑豎向位移變化。

圖2 基坑開挖完成后豎向位移云圖

本節著重分析開挖完成后坑底隆起情況，中軸線南側隆起曲線如圖3所示，模擬曲線總體趨勢接近測量結果，呈現為中間大兩側小[1]。其中，坑底中心模擬值最大，達到了47.5mm，而實測值較小，二者差異是因為模擬未考慮施工中為預防涌水而對基底進行的加固處理。靠近坑壁處的隆起最小，分析是此處圍護樁水平位移較小，近樁土體受其約束。對于基底隆起要引起足夠的重視，實時監測坑底位移，進行抗隆起驗算。同時，每次開挖后應迅速降低地下水位，阻止滲流向基坑內持續發生，必要時需采取相應的處治辦法[1]，避免有效應力降低引起土體液化，造成格構柱和主體在建部分因隆起而破壞。

圖3 坑底隆起位移圖

4.2 水平位移分析

水平位移是監測的主要內容和考察圍護結構安全性能的指標。本節通過模擬和現有監測數據分析圍護結構的變形[2]，以基坑側壁中心附近測斜孔為監測數據來源，分析架設支撐后中斷面位移變化情況，繪制模擬和實測的各工況樁身水平位移隨埋深的變化曲線對比圖如下。

圖4 樁身水平位移圖

由圖4可知，隨著挖深增加，樁前后水土壓力不斷平衡，樁身水平位移增加，最大值不斷下移，在基坑中部偏下趨于穩定。各工況呈階梯型變化，最大值分別位于樁深3m，4m，9m和10m左右的位置，分別占挖深的0.026%，0.052%，0.16%和0.28%。開挖完成后模擬和監測位移最大值均在挖深2/3附近，分別為44.5mm和48mm，也在監測控制指標(50mm)范圍內。樁體水平位移在角隅附近較小，角部剛度效應強烈，剪應力集中，土體處于塑性屈服狀態，在施工中應密切監測并及時支撐[3]。而樁體嵌固部分，由于受到樁前被動土壓力的作用變形減弱，圍護樁與樁后土體以耦合彈簧方式連成整體，模擬位移受約[4]。由于假設土層均布，地面動載設為均布靜載；施工擾動也未考慮，導致模擬值小于監測值。但二者結果基本接近，說明模擬數據可以較好地反映樁身變形情況。

在圖4注意到，樁深3～6m內水平位移也出現了波峰。付艷斌等[5]指出軟土在高卸載應力水平下表現出較強的流變特性，土體變形急劇增加。本例陸域廣泛存在淤泥質黏土，該層土地基承載力基本容許值fa0僅40～80kPa，搖振反應明顯。原位測試給出其固結快剪Cc值為3.5kPa，φc為4.3°，可推斷該層主動土壓力較大。由于開挖面一般有10～20d的外露期，當挖至地表以下9m后，外露面處于力學性質極差的1-2土層，在便道重載車輛長期碾壓下該部土體極易進入流塑狀態，導致側向變形經歷明顯突變[6]。因此開挖前建議采用強力攪拌機進行就地固化處理。

5 孔壓與滲流分析

當降水開挖完成且達到穩定滲流狀態后，基坑整體孔壓云圖呈地下水降落漏斗形狀。本節以基坑北側為例，將孔壓局部放大如圖5所示。可看出地下水浸潤線大概位置，孔壓為0的曲面形成降水漏斗，且距坑底1m深度范圍內孔壓為0，滿足基坑降水設計要求。降水自由面之上和降水影響半徑內形成超靜負孔壓，且隨著開挖的進行不斷增大。

圖5 孔隙水壓力與滲流場速度矢量圖

滲流場速度分布圖5大致反映地下水流動方向，開挖完成后流矢分布特征如下。①坑壁外圍流矢指向基坑，潛蝕坑壁；②基底以下土層流矢從中部向坑壁逐漸變大，臨近基底處由于地下水頭差作用，流矢指向基坑底，施工時此處較易出現底鼓或涌水，應及時澆筑墊層和底板，減少基底外露時間；③圍護樁下部滲流場曲率最大，該處水力梯度較大且易達到臨界值，在連續降水的影響下，土顆粒不斷被動水壓力帶走，基坑極易破壞；④圍護樁下方滲流由非穩定流逐漸向平緩流過渡，離樁身越遠降水開挖對滲流曲率變化影響越小。

圖6 圍護樁滲漏孔壓及流矢剖面圖（局部放大）

將流矢圖放大后，圖6發現圍護樁在3-1粉質黏土層發生了漏水，但觀察到坑外孔壓等值線僅在坑壁處發生下曲，說明該層土滲透系數尚不足以引起坑外水位大幅降落，其滲漏對地表沉降影響較小。若承壓水深度處發生較大滲漏，則會導致有效應力增大、土層壓縮，加快沉降。

6 結論

①模擬出的變形和孔壓趨勢仿真度較高，與實測成果大致相符，較準確地分析了基坑變形特性，表明計算采用的的數值模型、本構關系、計算參數、模擬開挖過程合理可行，為本工程設計施工提供了科學參考，對同類工程也具有借鑒意義。

②計算中發現1-2層淤泥質黏土蠕變明顯，施工前兩側便道應就地固化、預壓養護；施工中應快挖快澆以縮短軟土層外露期。對原位土固化宜采用強力攪拌頭上下直插式均勻攪拌，邊固化邊推進。

③3-1層粉質黏土位置出現滲漏，建議在止水施工中應針對性地做好同類位置的坑壁加固，并嚴格做好掛網噴混凝土質量控制。

④本文尚存不足之處，如計算中未考慮滲流引起的管涌、流砂等不確定因素的影響，仍需進一步研究改進。