杜 文 寧三子 金 罡 孟曉偉 馬龍祥 余云翔

1. 深圳中鐵二局工程有限公司 廣東 深圳 518054；

2. 中鐵南方投資集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518054；

3. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 云南 昆明 650200；

4. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031

周圍地層的變形情況是基坑建設(shè)中一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)，可以很好地反映基坑的穩(wěn)定性。因此，在基坑的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，應(yīng)著重關(guān)注并研究基坑周圍地層的變形情況，以便評(píng)判基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工方法的合理性，并在必要時(shí)及時(shí)變更支護(hù)與施工方法。張啟斌等[1]針對(duì)某地鐵深基坑工程，對(duì)3種不同加固措施情況下基坑開挖引起的土體損失進(jìn)行了模擬，并以此提出了控制周邊沉降最優(yōu)的基坑加固措施；木林隆等[2]基于反分析的方法，研究了基坑開挖引起的土體位移，發(fā)現(xiàn)考慮土體小應(yīng)變并采用反分析的方法可較為準(zhǔn)確地計(jì)算基坑開挖引起的土體位移；李福林[3]通過(guò)有限元方法模擬了狹長(zhǎng)基坑開挖過(guò)程中的軟土變形特性，得到了在狹長(zhǎng)基坑開挖過(guò)程中周邊深層土體的位移發(fā)展規(guī)律；崔紅利等[4]采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法，研究了基坑開挖對(duì)周圍地層及建筑物沉降的影響；孫小力等[5]以蘇州地鐵車站基坑施工項(xiàng)目為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬的方法，分析了基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降的演變規(guī)律；劉小麗等[6]利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)軟土深基坑開挖中既有地表沉降的估算方法進(jìn)行了改進(jìn)，可更好地對(duì)由基坑開挖誘發(fā)的地表沉降進(jìn)行估算。

綜上所述，針對(duì)基坑開挖而引起地表沉降的問(wèn)題已有較多研究，但是由于地層的復(fù)雜多變，現(xiàn)有的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能概括所有的基坑工程，針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析仍十分必要。

廣州南沙地區(qū)某安置房基坑項(xiàng)目地處淤泥質(zhì)軟土地層，且周邊遍布既有房屋及道路，開挖過(guò)程中地層變形控制難度較大，施工時(shí)具有較大風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，本文將針對(duì)該基坑工程，利用數(shù)值軟件對(duì)其開挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究該基坑工程施工過(guò)程中的地層變形規(guī)律，進(jìn)而分析該基坑工程支護(hù)體系及施工方法的合理性。

1 工程概況

廣州南沙地區(qū)某安置房基礎(chǔ)需要進(jìn)行較大規(guī)模的基坑施工。該基坑南北長(zhǎng)135.76 m，東西寬137.15 m，開挖面積17 535 m2，開挖深度9.2 m，南側(cè)緊鄰居民小區(qū)新聯(lián)新村別墅區(qū)（距基坑邊最近處12.3 m），北側(cè)緊鄰華美大道（距基坑邊最近處11.8 m），如圖1、圖2所示。該基坑所處地塊為典型的珠三角沖積平原灘涂圍海造地區(qū)域，場(chǎng)地內(nèi)地層依次為①3素填土、②1-1淤泥、②3粉質(zhì)黏土-黏土、③1粉質(zhì)黏土-黏土、④2粉質(zhì)黏土、⑧2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，土層具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 基坑平面布置

圖2 周邊既有房屋及道路示意

表1 主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)環(huán)境條件、開挖深度、地質(zhì)條件將基坑支護(hù)劃分為3個(gè)支護(hù)單元?；覣—B、B—C段安全等級(jí)為一級(jí)，采用較強(qiáng)的支護(hù)措施，其中A—B段采用SMW工法樁＋3道擴(kuò)大頭可回收錨索，B—C段采用SMW工法樁＋2道內(nèi)支撐；C—A段安全等級(jí)為二級(jí)，采用SMW工法樁＋2道擴(kuò)大頭可回收錨索。三軸攪拌樁采用φ850 mm@600 mm插一跳一的施工工法，2道內(nèi)支撐均采用鋼筋混凝土支撐，坑內(nèi)立柱采用直徑1 000 mm鋼管作為臨時(shí)支撐。典型支護(hù)剖面如圖3、圖4所示。

圖3 1-1支護(hù)剖面

圖4 2-2支護(hù)剖面

此外，場(chǎng)區(qū)內(nèi)沿線地下水位埋藏較淺，勘察期間測(cè)得穩(wěn)定水位埋藏深度為0.80～3.60 m，地下水位絕對(duì)高程為2.91～5.54 m，對(duì)基坑開挖施工有重要影響。為此，在基坑開挖前，提前3周在基坑周邊和中部設(shè)置集水井，進(jìn)行坑內(nèi)降水，開挖過(guò)程中根據(jù)開挖面高度不斷調(diào)整水位面高度，保證開挖時(shí)水位處在開挖面以下1 m，實(shí)現(xiàn)分層降水開挖。

基坑的開挖和支護(hù)可分成7個(gè)施工階段，如圖5所示（圖中紅色箭頭為開挖方向，陰影部分為放坡段，黑色部分為馬道）。其中，第1階段開挖基坑西南、東南及東北側(cè)范圍至－2.4 m（未開挖處進(jìn)行放坡處理），并在距離地面以下1.95 m處設(shè)置第1道鋼筋混凝土支撐，如圖5（a）所示。第2階段繼續(xù)開挖第1階段范圍至坑底（未開挖處同樣進(jìn)行放坡處理），按照分層分段開挖，分層高度依次為2.4、2.0、2.0、2.8 m，每開挖下一層前需降水至開挖面以下1 m，對(duì)于底層為淤泥質(zhì)土的則需做好換填工作，換填深度為1 m；此外，在距地面以下5.95 m處設(shè)置第2道鋼筋混凝土支撐，同時(shí)安裝部分錨索，如圖5（b）所示。第3—7階段依次開挖余下部分（未開挖處同樣進(jìn)行放坡處理）并及時(shí)安裝相應(yīng)位置的錨索，如圖5（c）～圖5（g）所示。

圖5 各階段開挖完成平面

2 基坑施工數(shù)值模型

采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑工程的開挖支護(hù)施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。為減小邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值計(jì)算模型取340 m×340 m×40 m，所建立的模型如圖6所示。

圖6 有限差分?jǐn)?shù)值模型

土體模擬選擇摩爾-庫(kù)侖模型，工法樁水泥土采用彈性本構(gòu)模型模擬，工法樁型鋼、錨索、支撐梁、土釘分別采用樁（pile）、錨桿（cable）、梁（beam）及錨桿（cable）等結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。基坑的開挖按實(shí)際施工步驟進(jìn)行模擬，在模擬中考慮地下水滲流對(duì)基坑及周圍地層的影響，采用流固耦合的方法進(jìn)行計(jì)算分析。模擬分析時(shí)力學(xué)邊界條件為模型四周及底部法向約束，水力邊界條件為模型四周透水，底部不透水。此外，基坑周邊的既有房屋建筑及道路，采用地面超載的方式進(jìn)行模擬，其中房屋荷載取30 kPa，道路荷載取10 kPa。

3 地層變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7給出了基坑開挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖7 豎向變形云圖

從圖7可看到：基坑開挖引起基坑四周地表的最大沉降均發(fā)生在距坑邊一定距離處，其中在基坑?xùn)|側(cè)最大沉降值為9.8 mm，出現(xiàn)在距坑邊約21 m處；南側(cè)最大沉降值為17.2 mm，出現(xiàn)在距坑邊約24 m處；西側(cè)最大沉降值為11.3 mm，出現(xiàn)在距坑邊約23 m處；北側(cè)最大沉降值為16.1 mm，出現(xiàn)在距坑邊約21 m處。在當(dāng)前支護(hù)及施工方案下，基坑開挖完成后周圍地層的最大沉降值小于控制值30 mm，基坑施工過(guò)程中的穩(wěn)定性可得到保證。由于基坑北側(cè)和南側(cè)存在既有建筑及道路，故基坑施工引發(fā)的地表最大沉降值相較于其他兩側(cè)更大。由于基坑土體開挖的卸荷作用，基坑坑底絕大部分出現(xiàn)了一定程度的隆起，其中隆起最大值為31.2 mm?；涌拥紫韧诜秶ǖ?及第2階段開挖范圍）內(nèi)的隆起量普遍較大，而基坑后續(xù)開挖范圍由于受先開挖區(qū)域卸荷造成土體松弛效應(yīng)的影響，其范圍內(nèi)的坑底隆起量相對(duì)較小，甚至表現(xiàn)為沉降（沉降量值可達(dá)8.5 mm）。這表明基坑的開挖分區(qū)，特別是基坑中部后挖范圍的設(shè)定，有效抑制了基坑開挖造成的坑底隆起。

圖8分別給出了過(guò)基坑西側(cè)最大地表沉降處沿東西方向，及過(guò)基坑南側(cè)地表最大沉降處沿南北方向截取的地層橫剖面在基坑開挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖8 開挖完成后的最大地表沉降斷面云圖

從圖8中可以看到：在基坑開挖完成后，基坑四周地表均出現(xiàn)了漏斗狀的沉降區(qū)域，但地層最大沉降均出現(xiàn)在地表距坑邊一定距離處；而第1及第2階段開挖范圍內(nèi)且距坑邊10～40 m區(qū)域內(nèi)的坑底在基坑底部約5.2 m范圍內(nèi)，均會(huì)出現(xiàn)量值大于2 cm的隆起。

以基坑南側(cè)最大地表沉降為基點(diǎn)，作基點(diǎn)與南側(cè)坑邊的垂線，并以該線作為測(cè)線從坑邊開始每隔10 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，研究地表沉降隨距基坑距離增加的變化規(guī)律。圖9給出了地表測(cè)線在不同施工階段的沉降變化曲線。圖中①、②和③表示存在既有房屋荷載的區(qū)域。

圖9 基坑南側(cè)地表沉降曲線

從圖9中可以看到：由于土體自身重力及基坑開挖土體的松弛效應(yīng)，鄰近基坑側(cè)土體出現(xiàn)了不同程度的沉降?？傮w來(lái)看，基坑周圍地表沉降表現(xiàn)為拋物線形漏斗狀的分布，即隨著距坑邊距離的增大，地表沉降呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨著基坑施工的持續(xù)進(jìn)行，基坑周邊地層沉降所呈現(xiàn)出的“漏斗”現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。房屋荷載的存在對(duì)基坑開挖誘發(fā)的地表沉降有一定的影響，主要表現(xiàn)為在荷載施加區(qū)域（①、②和③），地表沉降曲線往往有所下降，即既有房屋荷載會(huì)增大地表沉降，這一點(diǎn)在區(qū)域②尤為明顯。在第1階段施工時(shí)，由于基坑內(nèi)支撐體系及更遠(yuǎn)處地層朝向坑底的滑移變形對(duì)坑邊土體擠壓的聯(lián)合作用，地表在基坑邊緣處（距基坑邊緣5 m范圍內(nèi)）出現(xiàn)了輕微隆起，隆起量約為0.48 mm。基坑在第2階段施工完成后，各測(cè)點(diǎn)地表沉降均有較顯著發(fā)展，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值可達(dá)11.73 mm，這是由于此階段開挖鄰近測(cè)線位置且開挖量大兩方面的因素共同造成的。在基坑第3階段及以后階段的施工過(guò)程中，由于施工位置逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)范圍，故地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降發(fā)展速度逐步放緩，而在基坑開挖完成后，地表測(cè)點(diǎn)的最大沉降值為16 mm。

4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證分析

在基坑的施工過(guò)程中，采用水準(zhǔn)儀在基坑周邊對(duì)距坑邊6 m的地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC1—DBC28的布置參見(jiàn)圖1。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，本節(jié)選擇了部分典型的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，比較這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖10所示。

從圖10中可以看到：數(shù)值模擬所得的沉降值及趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均較為接近。就整體趨勢(shì)而言，北側(cè)DBC3與DBC6以及西側(cè)DBC22與DBC23測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)沉降量值在施工第1及第2階段均僅有較小發(fā)展，而在基坑后續(xù)施工階段才有相對(duì)較大的發(fā)展；東側(cè)DBC11與DBC12以及南側(cè)DBC16與DBC18測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)沉降量值均在施工第1及第2階段即有較大發(fā)展，而在基坑后續(xù)施工階段相對(duì)較為穩(wěn)定。這顯然與施工第1及第2階段開挖范圍距離基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)更近，而后續(xù)施工階段距離基坑北側(cè)和西側(cè)更近的事實(shí)相符。就沉降量值而言，在所選擇的地表測(cè)點(diǎn)中，數(shù)值計(jì)算的最大沉降值為5.33 mm，而監(jiān)測(cè)的最大沉降值為5.88 mm，總體沉降均處于2～6 mm范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，本文的數(shù)值分析結(jié)果具有較高的可靠性。

圖10 數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究，主要得到了以下結(jié)論：

1）隨著基坑施工的持續(xù)進(jìn)行，基坑周邊地表的沉降在總體上呈逐漸增大趨勢(shì)，并且基坑周邊地層沉降所呈現(xiàn)出的“漏斗”現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。

2）本次基坑工程開挖引起基坑四周地表的最大沉降值為17.2 mm，出現(xiàn)在基坑南側(cè)距離坑邊約24 m處。

3）將基坑中部區(qū)域設(shè)定為基坑開挖后挖區(qū)，可有效抑制基坑開挖所引發(fā)的坑底隆起。

4）該軟土基坑現(xiàn)行設(shè)計(jì)的支護(hù)方案可保證基坑施工過(guò)程中周圍地層的變形處于可控的范圍內(nèi)，是完全合理的。