高孔隙水壓地層基坑降水開挖施工技術研究

程 學 昌

(廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330)

1 概述

隨著中國城市化的發展，土地矛盾越來越顯著，地下空間工程能有效地解決城市用地問題[1]。高層建筑、軌道交通等城市基礎設施的修建使得基坑工程普遍存在，尤其對于富水地層，基坑工程的修建將不可避免的遇到承壓水，施工過程中存在的高孔隙水壓將直接影響基坑本身結構的安全[2]。在富水環境下基坑降水施工可能存在周圍土體沉降、圍護結構變形以及土層滲透性破壞等方面的問題是基坑施工的主要難點[3]。針對于此，諸多學者展開研究。周勇等[4]采用現場監測以及數值模擬的方式針對蘭州市某地鐵站車站的深基坑工程進行研究，分析其開挖引起的變形特征。陳忠等[5]考慮承壓水的降水研究基坑變形規律。沈仁寶等[6]采用BP神經網絡進行基坑變形的預測。李少波等[7]結合統計方法與數據挖掘算法研究廈門地鐵基坑變形特征。上述研究缺乏針對高孔隙水壓地層基坑工程施工的分析，降水過程對于基坑土體變形以及支護結構內力的影響十分顯著。

本文以某高孔隙水壓地層的深基坑工程為依托，采用有限元軟件對深基坑的施工降水和開挖過程進行模擬，建立考慮地應力、滲流場耦合作用的地層—圍護結構—水的基坑施工模型。深入研究基坑降水施工對圍護結構以及基坑土體的影響。

2 工程概況

某基坑工程所在地區由第四系填土、淤泥粉質粘砂類等組成，推薦承載力80 kPa～300 kPa，極限摩阻力40 kPa～90 kPa。位于Ⅷ地震區，場土類別為Ⅳ砂在力作用下嚴重液化。

該基坑工程尺寸為34.8 m×19.2 m×7.95 m。該基坑工程選用27 m SP 27 m SP-Ⅳ型鋼板樁。鋼板樁施工結束后進行基坑開挖，分層鋼板樁施工結束后進行基坑開挖，分層開挖至腰梁標高下0.5 m搭設腰梁和內撐后繼續開挖。鋼板樁埋深14.2 m。圖1給出了基坑所處位置的地質剖面與基坑工程的圍護結構設計。

3 數值模擬分析

3.1 模型概況

采用MIDAS GTS-NX有限元軟件建立基坑降水施工三維模型，現將模型尺寸定為150 m×80 m×50 m的三維實體，地層從上至下分別為淤泥、上層粉質粘土、下層粉質粘土，層厚分別為12.5 m,2.5 m,24 m。各層土的物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數表

地層密度/kg·m-3彈模/MPa泊松比粘聚力/kPa摩擦角/(°)厚度/m淤泥1 40070.308614.90粉質粘土1 80070.351214.613.00粉細砂1 900200.2525.612.322.00

根據施工圖紙建立有限元模型如圖2所示，給出了網格劃分以及內支撐細部。本模型采用添加水頭邊界的方式模擬降水過程，采用MIDAS軟件中的應力—滲流分析模塊進行建模。土體采用三維實體單元模擬，圍堰采用2D板單元模擬，圍檁、內支撐及抗拔樁均采用1D梁單元進行模擬。

其施工步驟主要總結如下：1)進行圍堰施作；2)進行開挖施工；3)進行圍檁以及內支撐的施工；4)通過激活節點水頭進行降水分析；5)開挖至基坑底部時進行抗拔樁的施工，并澆筑封底混凝土。

3.2 結果分析

通過上節中建立的基坑有限元模型，從基坑土體變形以及坑內支撐的受力兩個方面研究高孔隙水壓系下基坑降水施工的影響。

3.2.1變形分析

選取支撐結構施工作為典型施工步，圖3給出了出現最大沉降和隆起變形的施工步對應豎向位移云圖。從圖3中可以看出：變形較大的位置主要出現在支撐結構部分，隨基坑開挖，變形逐漸增大。基坑的最大沉降變形為10.8 mm，出現的最大沉降變形為第三道支撐施工。最大隆起變形為0.81 mm，對應的施工步為第四道內支撐施工。

綜合上述：圍堰及基坑內支撐的豎向位移和水平位移均為合理值，圍堰的最大沉降值為10.8 mm，小于圍堰結構位移控制標準值20 mm。最大隆起值較小為0.81 mm。

3.2.2內力分析

施工過程中圍堰結構的最大主應力云圖如圖4所示。

從圖4中可以看出：最大壓應力出現在圍堰底部，約為4.875 MPa，最大拉應力主要分布在圍堰上部，約為0.407 MPa。Q235鋼的抗拉強度設計值為215 MPa，大于圍堰結構最大拉應力，因此，圍堰結構不會發生破壞，且施工過程中最大拉應力變化極小，此處影響忽略不計。

除研究圍堰結構的受力外，針對內支撐以及抗拔樁等1D樁單元也需進行內力分析。圖5給出了結構施工完成后內支撐的內力云圖，從圖5中可以看出：最大彎矩為39.73 kN·m，分布在內支撐中部區域。最大軸力為37.48 kN，分布在內支撐中部區域。最大剪力為27.5 kN，分布在圍檁中部區域。

4 結語

本文通過有限元軟件對深基坑的施工降水和開挖過程進行模擬，建立考慮地應力、滲流場耦合作用的地層—圍護結構—水的基坑施工模型，詳細研究了降水以及開挖對基坑土體變形以及內支撐結構受力的影響。主要結論如下：

1)該基坑的變形以及圍護結構的內力均在可控范圍內，結構整體安全，表明現有的圍護結構設計方案能滿足基坑穩定性要求。

2)位移及內力最大的區域基本位于內支撐上，這表明內支撐對基坑的變形有較明顯的控制作用。

3)降水施工造成的內外水位高差對圍堰結構有明顯的影響，具體表現為水平位移及內力呈增大的趨勢。

4)為保證高孔隙水壓下基坑的安全施工，需針對圍檁及內支撐、鋼板樁、基坑內外土體等關鍵節點進行變形監測，實時反饋基坑工程的安全狀態。