長江漫灘區(qū)深基坑開挖引起地層和支護結(jié)構(gòu)變形分析

楊科學(xué) YANG Ke-xue

（中國鐵工投資建設(shè)集團有限公司城市建設(shè)分公司，北京 100070）

0 引言

隨著現(xiàn)代化進程的推進，城市中心用地愈發(fā)緊張，地下空間的開發(fā)和利用已成必然[1]。當前深基坑的規(guī)模越來越大，由于基坑工程的復(fù)雜性，基坑安全事故時有發(fā)生[2-5]。深基坑安全事故不僅包括基坑本身的支護結(jié)構(gòu)破壞、變形失穩(wěn)、坍塌、人員傷亡等直接事故，還包括其影響范圍內(nèi)所發(fā)生的鄰近建筑物開裂傾斜、公用市政設(shè)施破壞等間接的意外事故[6]。

長江漫灘區(qū)地層具有典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為軟黏性土層與粉砂層互層；下部以砂、礫石層為主，一般為承壓含水層，基坑開挖時易產(chǎn)生漏水、漏砂、突涌等事故[7]，該地區(qū)超大深基坑的支護設(shè)計選型至關(guān)重要，施工難度較大。本文以南京江北新區(qū)某深基坑工程為背景，通過數(shù)值模擬分析，研究深基坑在開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的受力及周圍環(huán)境的變化規(guī)律，以便為該地區(qū)類似基坑工程施工提供一定參考。

1 漫灘區(qū)基坑工程概況

工程位于南京市六合區(qū)龍袍街道，項目包含四棟住宅和兩棟商業(yè)，設(shè)整體一層地下室。基坑南北跨度157.7m，東西跨度118.3m，開挖面積約18447m2，周長約552m、開挖深度約6.35m，如圖1 所示。基坑四周緊鄰城市道路，最近距離約5.8m。基坑安全等級為二級，重要性系數(shù)為1.0。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)及開挖平面示意圖

1.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察、現(xiàn)場測試及室內(nèi)實驗，基坑開挖影響范圍內(nèi)土層分布及主要物理力學(xué)指標如表1 所示。

表1 土層分布及主要物理力學(xué)指標

場地地下水類型主要為孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深為0.5~2.26m，地下水位年變幅為1.00m 左右，場地地下水以孔隙潛水為主，主要由1-1 層素填土土、1-2 層素填土、1-3 層淤泥、2-1 層粉質(zhì)黏土、2-2 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、2-2a 層黏質(zhì)粉土、2-3 層砂質(zhì)粉土、2-4 層粉砂夾砂質(zhì)粉土、2-5 層粉砂、2-6 層粉細砂、2-7 層細砂、2-7a 層粉質(zhì)黏土、4 層中砂夾礫石中的孔隙潛水構(gòu)成含水層，主要由大氣降水和地表水滲入補給，以蒸發(fā)方式排出。

1.2 支護設(shè)計

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合周邊環(huán)境實際情況，本基坑設(shè)計總深度為6.35m，分為三部分開挖，采用1∶1 放坡開挖，使用雙軸攪拌樁Φ700@1000（格柵式布置）水泥土重力壩進行支護。止水體系采用雙軸攪拌樁結(jié)合坡面掛網(wǎng)噴漿止水。雙軸攪拌樁施工工藝為：樁位定位-鉆機到位-檢查、調(diào)整好鉆機-正方向循環(huán)鉆進到地面標高-打開高壓注漿泵-反方向循環(huán)提鉆并且噴水泥漿-至工作基準面以下0.3m-重復(fù)攪拌下鉆并噴水泥漿至設(shè)計標高-反方向提鉆至地面標高-一根裝成樁完成-開始按照上面的順序施工下一根樁。

基坑坡頂設(shè)置截水溝，土方開挖期間基坑采用明溝+集水井排出坑內(nèi)明水，待基坑挖至坑底后，在距攪拌樁1m以上距離處挖排水溝、集水坑，排出坑內(nèi)積水。基坑支護結(jié)構(gòu)典型剖面如圖2 所示。

圖2 典型支護結(jié)構(gòu)剖面圖（mm）

1.3 施工工序及基坑降水

基坑采用明挖順作法施工，施工方法及主要施工順序如下：

平整場地（南側(cè)水塘處需挖除淤泥，換填至設(shè)計標高）一測量放線-施工雙軸水泥土攪拌樁-水泥土攪拌樁達設(shè)計強度后，分層分塊開挖至坑底：第一階段開挖0.8m；第二階段開挖3.2m；第三階段開挖4.8m（含集水坑），到底后及時滿堂澆注殮墊層至樁邊-待墊層輕達到養(yǎng)護期后，開挖電梯井等局部深坑土方-施工底板，并將底板素混凝土澆至樁邊-地下室主體結(jié)構(gòu)施工至負一層頂板-外墻回填。

基坑開挖前應(yīng)提前兩周進行降水，確保基坑開挖面無明；如果基坑較長時間未開挖，管井應(yīng)保證每天抽水直至抽出清水，再抽1~2 小時方可停止。基坑開挖后至底部應(yīng)保證水位降至坑底1m 以下。此外應(yīng)在坑外設(shè)置觀測井，保證土方開挖和地下室施工期間坑外水位控制在地面下4m 左右。

2 基坑開挖數(shù)值模擬分析

2.1 有限元數(shù)值分析模型

采用PLAXIS 有限元分析軟件建立龍袍新城某地塊基坑開挖過程三維有限元數(shù)值模型并進行分析。數(shù)值模擬計算中，為減少模型邊界對計算結(jié)果的影響，模型高度建議為基坑開挖深度的2~4 倍，模型一側(cè)距坑邊距離為基坑開挖深度的3~4 倍。基坑開挖深度為6.35m，因此有限元模型的高度設(shè)置為33.2m，模型邊界距基坑邊界20m，由此建立建模范圍200m×160m×40m 的計算模型。基坑工程場地三維計算模型如圖3 所示。考慮地面車輛荷載等，基坑周邊荷載取20kPa，道路荷載取20+10kPa。模型中土體為彈塑性材料，采用HSS（土體硬化小應(yīng)變）本構(gòu)模型進行模擬。

圖3 基坑有限元數(shù)值模型

HSS 模型[8]是Benz 在HS 模型的基礎(chǔ)上提出的，在繼承HS 模型優(yōu)點的同時，考慮了土體小應(yīng)變剛度的非線性變化特征，引入了反映土體小應(yīng)變特性的小應(yīng)變參數(shù)，可較為全面地描述土體（特別是軟土）剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面的力學(xué)特性，也可以模擬土體復(fù)雜的應(yīng)力路徑，采用該本構(gòu)模型得到的數(shù)值分析結(jié)果通常與實測數(shù)據(jù)吻合良好。本模型中參數(shù)參考前人整理得到的南京地區(qū)各土質(zhì)參數(shù)進行取值[9]。

2.2 有限元數(shù)值結(jié)果分析

2.2.1 基坑開挖和降水引起的坑底隆起變形

數(shù)值模擬中，水泥攪拌樁及噴漿掛網(wǎng)施工均按照項目的實際施工順序設(shè)置。由于基坑底部注漿和基坑側(cè)邊設(shè)有攪拌樁，基坑的防滲漏措施齊全，且黏土層的滲透性較低，因此認為該基坑的坑內(nèi)疏干降水對坑外水位的影響很小。該基坑內(nèi)外的滲流同樣可以忽略不計，所以基坑開挖過程中的降水模擬不需要進行穩(wěn)態(tài)滲流分析，而是采用類組水頭插值的方法來模擬基坑的降水開挖。在每一步的基坑開挖過程中，將基坑內(nèi)的土體類組水頭設(shè)置為開挖面下1.0m，用來表示坑內(nèi)水位降至開挖面以下1.0m。此外設(shè)置降水井以控制基坑外的土體水頭低于地面4.0m。隨著基坑開挖的進行，坑內(nèi)水頭逐漸降低。

通過對土體進行數(shù)值模擬可以得出，越靠近基坑中部，土體變形趨勢越大，見圖4 和圖5。基坑最大水平位移為2.97mm，最大豎直位移為31.42mm。以上結(jié)果滿足施工要求沉降限值40mm，證明本基坑開挖工程不會對周邊既有建筑物及道路造成影響。

圖4 基坑底部Z 方向位移云圖

圖5 基坑底部中線AA* 豎直方向位移變形曲線

2.2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)變形分析

如圖6 所示，通過對支護結(jié)構(gòu)單獨分析可以看出，基坑開挖完成后，支護結(jié)構(gòu)最大X 方向水平位移為7.476mm，最大Y 方向水平位移為7.599mm。均滿足該施工沉降量限值40mm 的要求，證明雙軸水泥攪拌樁+坡面掛網(wǎng)噴漿止水方案支圍性能良好，設(shè)計選型正確合理，可以滿足工程需要。

圖6 雙軸攪拌樁X、Y 方向位移云圖（開挖、支護結(jié)束）

3 結(jié)論

①選擇雙軸水泥攪拌樁作為支護結(jié)構(gòu)，能夠起到雙重作用，既可以作為主體支護結(jié)構(gòu)，又可以止水圍護。兼顧擋水、擋土、抗浮等工程優(yōu)勢，雙軸水泥攪拌樁結(jié)合坡面掛網(wǎng)噴漿止水方案，技術(shù)可行，造價合理，支圍效果可以滿足工程需要，使用于長江漫灘區(qū)特殊的區(qū)域性地質(zhì)條件，可以推廣使用。②南京長江漫灘區(qū)深基坑支圍結(jié)構(gòu)施工尚處于實驗論證狀態(tài)，提出雙軸水泥攪拌樁+坡面掛網(wǎng)噴漿止水施工及監(jiān)測，可為以后類似工程提供參考。