富水软弱深基坑开挖支护数值模拟及变形监测对比研究

甘肃，魏星

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430060）

1 引言

随着城市建设面积的急剧减少以及各项技术水平的不断提升，城市中高层建筑逐渐增多，不可避免地增加了深基坑工程的数量。然而，深基坑开挖过程中势必会遇到更加复杂的地质环境，开挖过程会对岩土体的稳定性造成破坏，该现象在富水软弱地层中尤为常见[1-2]。富水软弱地层具有地下水丰富、沙石含量较高、承载力小、土壤易流动和孔隙率大等特点，从而给工程建设带来一系列难题，例如，与水接触的砂石层和板岩的承载力降低，在降水和开挖过程中容易导致土壤变形等，给施工工艺和基坑支护结构等提出了更高的要求[3-4]。如何在富水软弱地层条件下选择合适的深基坑支护结构体系以及进行现场实践验证，对于深基坑开挖过程中的变形控制及周围既有建筑物的保护均具有重要意义[5-6]。本文以某商业和办公建筑深基坑施工为依托，制定符合现场实际情况的支护结构体系，通过FLAC3D 数值仿真软件进行开挖过程三维数值模拟，并与现场监测数据进行对比，以此优化支护结构参数。

2 工程概况及监测结果

2.1 工程概况

经过对项目所在地进行勘察，得到了该区域的地层大致结构，从上至下主要分为3 层，即人工新近填土（Q4ml）、冰水沉积土体（Q2fgl）及白垩系灌口组不同风化程度泥岩（K2g）。揭露的岩层可划分为6 层，各土层划分及参数见表1。

表1 土层划分及参数

本项目拟采用的支护方案为地下连续墙+ 内支撑的支护结构体系，采用分层开挖方式，一共分6 个步骤：（1）从地表开始进行第一次开挖，开挖至0.5 m 处布置第一道混凝土支撑；（2）进行第二次开挖，开挖至5.5 m 深处布置第二道钢管支撑；（3）进行第三次开挖，开挖至10.5 m 深处布置第三道钢管支撑；（4）进行第四次开挖，开挖至15.5 m 深处布置第四道钢管支撑；（5）进行第五次开挖，开挖至20.5 m 深处布置第五道钢管支撑；（6）进行第六次开挖，开挖至22.0 m 时达到开挖深度要求。本项目的基坑最大开挖深度为H=22.5 m，结合基坑周边环境特点，确定该项目主体深基坑安全等级和保护等级均为I 级，相应的变形控制指标为：地表最大沉降≤0.12%H（27.00 mm），支护结构最大变形位移量≤0.16%H（36.00 mm）。

2.2 监测点布置

根据数值模拟计算结果，现场采用的地下连续墙刚度为30 GPa，内支撑道数为5 道。施工过程中及时做好监测点布置，用于测量在不同施工工期下基坑周边连续墙围护墙体的水平位移和地表沉降等变形。

3 数值仿真及结果分析

3.1 数值仿真建立

通过FLAC3D 软件对基坑开挖进行三维数值模拟，模拟区域内的各个土层均采用摩尔-库伦塑性模型进行计算，计算模型设计为长180 m，高60 m，垂直于纸面方向取10 m，基坑宽度取20 m，基坑开挖深度为22 m，按均布荷载20 kPa 施加压力。对计算模型进行网格划分，共划分为52 998 个节点、46 800 个六面体网格单元。开挖施工前对开挖区进行降水处理，降水深度至基底下方1 m。因此，在进行数值模拟时不考虑地下水渗流的影响。

支护结构体系中的地下连续墙嵌入深度为13.5 m，厚度为0.8 m，密度和泊松比分别为2 500 kg/m3和0.25，刚度设置为10 GPa、30 GPa 和50 GPa；内支撑分别设置2 道、3 道和5 道，第一道支撑为混凝土支撑，第二～第五道支撑为钢支撑，内支撑结构单元采用beam 单元进行数值模拟。

3.2 围护墙水平位移模拟结果分析

取开挖完成时围护墙水平位移为研究对象，对比研究地下连续墙刚度及内支撑道对其影响规律，研究连续墙刚度对围护墙侧向位移影响时内支撑道数固定为5 道，研究内支撑道数对围护墙侧向位移影响时连续墙刚度为30 GPa，围护墙侧向位移变化曲线如图1 所示。

从图1a 可以看出，不同刚度的地下连续墙在基坑开挖完成后的侧向位移随着深度的增加表现出的规律几乎一致，侧向位移最大值均出现在17 m 深处的位置，地下连续墙刚度为10 GPa、30 GPa 和50 GPa 时位移的最大值分别为23.95 mm、21.45 mm 和19.65 mm，可见随着地下连续墙刚度的增加，围护墙体抗变形能力有所增强，但是增大的幅度并不是十分明显。

从图1b 可以看出，在不同支撑道数下，围护墙体的水平位移表现出的变化趋势存在较大差异，当支撑道数为5 时，连续墙侧向位移随基坑深度的增加表现出典型的“弓”形曲线，最大值出现在靠近基底1/3 处，为21.45 mm，满足规范要求；当支撑道数为3 时，连续墙侧向位移随基坑深度的增加表现出先显著增大后稳定最后减小的趋势，即整个连续墙的侧向位移均较大，最大为28.05 mm，也满足规范标准，但是考虑到实际工程情况的复杂性，3 道内支撑存在较大的风险； 当支撑道数为2 时，连续墙侧向位移随基坑深度的增加表现出典型的“弓”形曲线，最大值出现在靠近基底1/3 处，不同的是，此时的最大变形量高达39.90 mm，超过了规范标准，加之实际工程情况的复杂性，2 道内支撑必然导致安全事故。综合上述分析情况可以看出，实际施工时，内支撑道数对工程安全起着至关重要的作用，该工况下，内支撑道数应该大于或等于4 道较为安全。

3.3 地表沉降模拟结果分析

取开挖完成时距离基坑不同距离的地表沉降为研究对象，对比研究地下连续墙刚度及内支撑道对其影响规律，沉降量变化曲线如图2 所示。

图2 不同支护参数下地表沉降

从图2a 中可以看出，在不同刚度的地下连续墙支护结构条件下，基坑开挖完成后基坑周边土体的竖向沉降位移随着距基坑边缘距离的增加表现出的规律几乎一致，地下连续墙刚度为10 GPa、30 GPa 和50 GPa 时，沉降位移的最大值分别为15.05 mm、13.45 mm 和11.65 mm，可见随着地下连续墙刚度的增加，土体沉降量有所减少，但减少的幅度不明显。

从图2b 中可以看出，在不同内支撑道数支护结构条件下，基坑开挖完成后基坑周边地表土体的竖向沉降位移随着距基坑边缘距离的增加表现出的规律几乎一致，内支撑道数为2、3 和5 时沉降位移的最大值分别为21.05 mm、16.15 mm和13.45 mm，均在安全范围内，但是鉴于现场施工环境的复杂性以及数值模拟简化的部分工程条件，内支撑道数为2 时的沉降量对基坑周边建筑物的影响很大。可见，随着内支撑道数的减少，土体沉降量有所增加，当内支撑道数小于3 时，沉降增长幅度十分明显。

4 结论

1）地下连续墙+ 内支撑支护结构体系控制富水软弱地层深基坑围护墙变形及地表沉降具有显著优势。

2）地下连续墙刚度对围护墙变形及地表沉降影响较小；反之，内支撑道数影响较大；在富水软弱地层条件下可通过增加内支撑道数和减小连续墙刚度的方式进行安全施工和减少施工成本。

3）现场监测数据表明在富水软弱地层条件下数值模拟变形结果较实际值偏小，选取参数时需考虑足够的安全系数。