高啟廣

(山東省濟寧市梁山縣引黃灌區(qū)事務(wù)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(shù)較為成熟，且綠色環(huán)保而被廣泛應(yīng)用，學(xué)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(jié)構(gòu)+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(shù)和節(jié)能減排技術(shù)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(nèi)力和樁身水平位移進行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在不同地層，樁身內(nèi)力和位移差異較大。黃文平等[4]提出了將BIM技術(shù)應(yīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)的影響，通過計算和數(shù)值分析，評估施工存在的風(fēng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)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(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)，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(yīng)。結(jié)合以往工程經(jīng)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(fēng)化土、風(fēng)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(fēng)化巖區(qū)域。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

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(yīng)當(dāng)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(jié)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(nèi)將地下水排盡，排盡后隨即進行第二次支護，待支護結(jié)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(guān)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(shè)置一個觀測點，共計6個觀測點。

3 數(shù)值模擬

利用MIDAS GTS對基坑進行數(shù)值模擬研究，風(fēng)化土采用修改莫爾庫侖模型，風(fēng)化巖和軟巖采用彈性模型。數(shù)值模擬中，巖土體采用混合四面體網(wǎng)格，網(wǎng)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(jié)合施工區(qū)域范圍，數(shù)值模擬三維實體模型見圖2。經(jīng)過數(shù)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?qū)r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(shù)值模擬的計算要求的，即數(shù)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(jié)構(gòu)，梁單元，此結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬的有效性，對基坑模型進行左右兩側(cè)的位移約束和底面的剛性約束，當(dāng)模最大應(yīng)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(jié)果

開挖完成以后，數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)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(jié)束后，待基坑支護完成，受力和位移穩(wěn)定后數(shù)值模擬結(jié)果見圖3(a)?；舆叺淖畲笪灰?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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)值保持為1.23 cm，與數(shù)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(jié)束后，數(shù)值模擬結(jié)果見圖3(b)?；舆叺淖畲笪灰?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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)值幾乎保持為1.28 cm，與數(shù)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(jié)束后，數(shù)值模擬結(jié)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(shù)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(nèi)，滿足工程穩(wěn)定性要求。

第三次監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)值幾乎保持為1.18 cm，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化不大，說明排水和支護措施是有效的。

第四次開挖結(jié)束后，數(shù)值模擬結(jié)果見圖3(d)?；舆叺淖畲笪灰?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(shù)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(nèi)，滿足工程穩(wěn)定性要求。

第四次監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)值幾乎保持為1.21 cm，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化不大。

由4次開挖數(shù)值模擬結(jié)果(圖3)和監(jiān)測結(jié)果(圖4)可知，A點和B點的沉降結(jié)果接近，兩者數(shù)據(jù)相差的絕對值不超過8%。說明數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果可對應(yīng)且有效，誤差的原因是數(shù)值模擬中巖土體的性質(zhì)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(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)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(jié) 論

本文對涉水基坑進行了數(shù)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(jié)論：

1) 基坑開挖后數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測4次沉降位移均不超過2 cm，此數(shù)據(jù)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(shù)值模擬研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)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。