某涉水基坑排水效果的研究

高啟廣

(山東省濟寧市梁山縣引黃灌區(qū)事務中心，山東 濟寧 272600)

1 概 述

隨著城市用地的日益緊張，越來越多的地下空間被開發(fā)出來。基坑工程因其技術較為成熟，且綠色環(huán)保而被廣泛應用，學者們也針對基坑工程開展了大量研究。李廣等[1]針對深大基坑緊帖建筑物的工況，提出了拉森鋼板墻+逆作法主體結構+深層水泥攪拌樁隔水帷幕的支護方案，此方案滿足基坑穩(wěn)定性的要求。許斌等[2]從環(huán)保和節(jié)能方面入手，提出了新型綠色施工技術和節(jié)能減排技術等方法，此方法可為我國能源可持續(xù)發(fā)展助力。潘立文等[3]對基坑雙排灌注樁樁身內力和樁身水平位移進行了監(jiān)測，監(jiān)測數據表明在不同地層，樁身內力和位移差異較大。黃文平等[4]提出了將BIM技術應用于深基坑錨索施工中，使得施工過程具體化和可視化，以此提高基坑錨索施工的質量和效率。林啟明[5]以廣州某地鐵為背景，研究基坑施工期間對下臥地鐵隧道結構的影響，通過計算和數值分析，評估施工存在的風險，此研究方法可為類似的基坑工程提供參考。謝軍等[6]對基坑侵界方案進行了比選，并提出了3種圍護結構補強方案。

然而以上研究均未提及涉水基坑，涉水基坑在工程界已非常普遍，施工和設計方法也較為成熟，那么現(xiàn)階段施工和排水措施是否達到了理想的要求，是否會對周圍巖土體造成影響。針對此問題，本文以某涉水基坑為例，通過MIDAS GTS還原整個施工過程，并結合現(xiàn)場監(jiān)測對施工區(qū)域地表沉降進行監(jiān)測，通過數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數據評價涉水基坑的排水和支護效果，研究成果可為類似涉水基坑的處置提供參考。

2 工程概況

該涉水基坑位于山東省濟寧市梁山黃灌區(qū)內，基坑的長×寬×高為10 m×10 m×5 m，基坑總體積為500 m3，基坑的開挖勢必會對周圍巖土體造成位移和受力的影響，因此須考慮基坑區(qū)域的邊界效應。結合以往工程經驗可知，選擇的施工區(qū)域長×寬×高為50 m×10 m×12 m(圖1)，此施工區(qū)域長度、高度分別是是基坑長度、高度的5和2.4倍，施工超過此區(qū)域可忽略對周圍巖土體的影響。

圖1 基坑開挖平面圖(單位：m)

施工區(qū)域的巖土體主要分成3類，從上至下分別為風化土、風化巖和軟巖，厚度分別為3、3和6 m。由于巖土層界面近乎水平，可認為以上3種巖土體平鋪于地表以下。值得注意的是，通過地勘可知，地下水位線位于地面以下2.5 m處，即位于風化巖區(qū)域。巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

此涉水基坑采用半逆法施工，第一次開挖深度為1 m，開挖后應當及時對坑底進行支護，待支護措施完成，基坑周圍巖土體位移穩(wěn)定后，利用監(jiān)測儀器對基坑巖土體進行位移監(jiān)測。第二次開挖深度為1.5 m，地下水位于第二次開挖結束時，此時有地下水涌出，在此情況下采用井點降水法，在較短的時間內將地下水排盡，排盡后隨即進行第二次支護，待支護結束后利用監(jiān)測儀器對基坑巖土體進行位移監(jiān)測。依次類推，開展第三次和第四次開挖、支護和監(jiān)測。

因施工區(qū)域是關于基坑對稱分布的，監(jiān)測點可選AB區(qū)域，AB區(qū)域位移變化可反映出基坑開挖對周圍巖土體的影響。AB區(qū)域每4 m設置一個觀測點，共計6個觀測點。

3 數值模擬

利用MIDAS GTS對基坑進行數值模擬研究，風化土采用修改莫爾庫侖模型，風化巖和軟巖采用彈性模型。數值模擬中，巖土體采用混合四面體網格，網格尺寸劃分統(tǒng)一定為1 m，以此保證巖土體受力和傳力均勻。結合施工區(qū)域范圍，數值模擬三維實體模型見圖2。經過數值模擬的不斷試算可知，增加施工區(qū)域的長度或高度，巖土體的受力和位移變化幅度不超過0.5%，由此可知繼續(xù)增加施工區(qū)域對巖土體的受力影響不大。因此，可認為此施工邊界是符合實際工況的，也是滿足數值模擬的計算要求的，即數值模擬邊界合理。

圖2 MIDAS三維實體模型(單位：m)

支撐措施選擇工字鋼結構，梁單元，此結構滿足彈性變形規(guī)律，截面積為8.8e-3 m2，截面Y方向慣性矩為1.48e-4 m4，Z方向慣性矩為4.2e-2 m4，有效剪切面積AY和AZ分別為4e-3 m2和3e-3 m2，三維實體模型共計23 524個單元，24 275個節(jié)點。

為保證數值模擬的有效性，對基坑模型進行左右兩側的位移約束和底面的剛性約束，當模最大應力變化幅度不超過1e-6 N，此時可認為基坑模型計算穩(wěn)定。

4 模擬和監(jiān)測結果

開挖完成以后，數值模擬和監(jiān)測結果分別見圖3和圖4，運用MIDAS GTS線上圖工具，可以提取AB區(qū)域的沉降。

圖3 基坑開挖豎向位移(單位：m)

第一次開挖結束后，待基坑支護完成，受力和位移穩(wěn)定后數值模擬結果見圖3(a)。基坑邊的最大位移(B點位移)為1.06 cm，隨著距離基坑B點的距離增大，位移會逐漸增大，但是增幅不明顯，A點沉降為1.28 cm。A點和B點沉降數值變化不大，說明第一次開挖對地面的影響較小。

第一次監(jiān)測數據顯示(圖4(a))，A點的沉降為1.16 cm。隨著距B點的距離增大，沉降增大，數值保持為1.23 cm，與數值模擬規(guī)律一致。

圖4 地面AB點沉降監(jiān)測

第二次開挖結束后，數值模擬結果見圖3(b)。基坑邊的最大位移(B點位移)為1.12 cm，同樣隨著距離基坑B點的距離增大，位移會逐漸增大，但是增幅不明顯，A點沉降為1.27 cm。A點和B點沉降數值變化不大(絕對值僅相差0.15 cm)，說明第二次開挖對地面沉降的影響也較小。

第二次監(jiān)測數據顯示(圖4(b))，A點的沉降為1.12 cm。隨著距B點的距離增大，沉降增大，數值幾乎保持為1.28 cm，與數值模擬規(guī)律一致。

第二次開挖完成后，及時進行井點排水處理，并布置支護措施。

第三次開挖結束后，數值模擬結果見圖3(c)。基坑邊的最大位移(B點位移)為0.97 cm，同樣隨著距離基坑B點的距離增大，位移會逐漸增大，但是增幅不明顯，A點沉降為1.31 cm。A點和B點沉降數值變化較以上兩次變化大，說明地下水確實是對第三次開挖造成一定的影響，但此影響依然控制在合理范圍內，滿足工程穩(wěn)定性要求。

第三次監(jiān)測數據顯示(圖4(c))，A點的沉降為1.02 cm。隨著距B點的距離增大，沉降增大，數值幾乎保持為1.18 cm，監(jiān)測數據變化不大，說明排水和支護措施是有效的。

第四次開挖結束后，數值模擬結果見圖3(d)。基坑邊的最大位移(B點位移)為0.84 cm，同樣隨著距離基坑B點的距離增大，位移會逐漸增大，但是增幅不明顯，A點沉降為1.32 cm。A點和B點沉降數值變化較以上3次變化大，但此影響依然控制在合理范圍內，滿足工程穩(wěn)定性要求。

第四次監(jiān)測數據顯示(圖4(d))，A點的沉降為0.82 cm。隨著距B點的距離增大，沉降增大，數值幾乎保持為1.21 cm，監(jiān)測數據變化不大。

由4次開挖數值模擬結果(圖3)和監(jiān)測結果(圖4)可知，A點和B點的沉降結果接近，兩者數據相差的絕對值不超過8%。說明數值模擬結果和監(jiān)測結果可對應且有效，誤差的原因是數值模擬中巖土體的性質不可能完成符合修正莫爾庫倫規(guī)律和彈性規(guī)律，所以兩者存在一定的誤差。最大沉降均不超過2 cm，滿足工程穩(wěn)定性要求。

通過數值模擬和監(jiān)測結果的對比可知，此涉水基坑的排水措施和支護措施有效，滿足工程穩(wěn)定性的要求。

5 結 論

本文對涉水基坑進行了數值模擬研究和現(xiàn)場監(jiān)測，基坑共開挖4次。通過4次的基坑地表的沉降位移分析，可以得出如下結論：

1) 基坑開挖后數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測4次沉降位移均不超過2 cm，此數據滿足工程穩(wěn)定性要求。

2) 第二次開挖后及時對基坑進行了排水處理，通過數值模擬研究和監(jiān)測數據可知，此排水效果較好，滿足工程排水的要求。

3) 本文的研究成果未涉及基坑回填對地面的影響，此方面有待進一步研究。