临湖隧道软土深基坑变形特性分析

杨 彬 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年来，软土地区基坑数量愈来愈多。随着各类基坑挖深的增加，施工难度也在逐渐加大。由于基坑工程综合性较强，支护理论受地域影响大，因此合理模拟施工并分析其土体变形，对深基坑的设计、施工和监测的研究具有重要意义。当前，已有诸多学者对基坑变形进行了大量研究，但研究成果多是针对普通基坑开挖中的变形特性，对于渗流条件下含淤泥质土的深基坑开挖变形尚缺乏系统的研究。本文结合苏锡常南部高速公路太湖湖底隧道陆域部分深基坑工程，使用ANSYS创建三维模型，再导入FLAC3D进行开挖支护模拟，采取软件计算与实际量测结合的方式，在考虑淤泥质黏土和地下水的影响下计算了开挖过程中各工况土体的变形，预测了施工中产生的沉降隆起、水平位移和渗流变化，对模拟和监测结果进行了分析。

1 工程概况

1.1 工程简介

太湖隧道3标位于江苏无锡，整体采用围堰明挖法施工，由两岸向中间逐段推进，流水作业。本文研究段位于太湖东岸临时大堤内侧的陆域部分，属垂直开挖最深区段。

1.2 地质条件

根据项目的前期勘察和区域地质资料，基坑影响区主要是第四系全新统(Q4)黏性土及上更新统(Q3)土层。各层土物理力学参数见表1。

1.3 围护结构设计方案

围护结构采用钻孔桩和四道支撑。钻孔桩型号Φ1000@1200mm。第一道内撑选择钢筋混凝土，间距8m，断面尺寸800×1000mm；第二至四道内撑选择外径为Φ609的钢管撑，壁厚16mm，相邻支撑间距3m。一至四道内撑轴力标准值分别为1172.2kN、2554.8kN、2147.2kN、1535.2kN，各道钢支撑轴力按设计的30%～70%施加，并根据现场围护变形和监测情况实时调整。

2 模型简介

模型需覆盖基坑开挖的影响区域，还应考虑求解精度和计算效率[1]。在消除边界效应的原则下，参考现有研究成果，选开挖尺寸（长30 m宽44m深16m）的3～5倍作为影响区域较合理，故建立模型范围30 m×176 m×40m。网格划分使用solid185六面体，依据基坑密集、远处稀疏的原则，一共划分81199个grid-points、74880个zones。模型如图1所示。

图1 ANSYS模型划分网格示意图

计算采用Elastic Model和Mohr-Coulomb Model两种本构，前者应用于结构单元，后者用于土体。流体为fl_iso各向同性模型，不透水材料采用fl_null渗流空模型。支撑和钻孔桩分别选用beam和pile单元进行模拟，模型共有443个structural-elements。土体在竖直方向可自由沉降，计算前对周边进行侧向约束，不允许水平位移（X=0，X=176 和 Z=0，Z=-30），底面对竖直变形进行约束（Y=-36.69m），模型上表面为无任何约束的自由面。

物理力学参数表 表1

3 计算工况

考虑到基坑附近荷载，为方便建模分析，在基坑顶部边缘2m之外施加25kPa的均布荷载，加载宽度为便道和附近堆载总宽，取20m。考虑基坑降水的计算结果与工程实际更为接近，本文选择主从进程法进行渗流和力学计算(set mech sub 10 fluid sub 10)。采取分步开挖的方法模拟6个过程。首先，对各层土施加重力荷载，让模型自重稳定，生成初始应力场；再清除自重作用造成的位移，依据先撑后挖的基本原则，使用model null命令对土体进行了2～6步降水并开挖，全过程由时间步长来定义。工况见表2。

计算工况划分情况 表2

由于工况2挖深较小，变形不明显，故取第3～6步四个工况分析。

4 基坑位移分析

4.1 地表沉降和坑底隆起分析

最终竖向位移云图如图2，可发现土体应力平衡打破后内力重新分配，在卸荷作用下坑底土体回弹；基坑降水开挖、两侧荷载作用以及扰动引起的钻孔桩变形、软土层蠕变，导致地表沉降，且主要集中在基坑两侧20 m范围内，最大沉降值小于监测控制指标30mm(累计变化量)。模拟结果基本反映了施工过程中基坑竖向位移变化。

图2 基坑开挖完成后竖向位移云图

本节着重分析开挖完成后坑底隆起情况，中轴线南侧隆起曲线如图3所示，模拟曲线总体趋势接近测量结果，呈现为中间大两侧小[1]。其中，坑底中心模拟值最大，达到了47.5mm，而实测值较小，二者差异是因为模拟未考虑施工中为预防涌水而对基底进行的加固处理。靠近坑壁处的隆起最小，分析是此处围护桩水平位移较小，近桩土体受其约束。对于基底隆起要引起足够的重视，实时监测坑底位移，进行抗隆起验算。同时，每次开挖后应迅速降低地下水位，阻止渗流向基坑内持续发生，必要时需采取相应的处治办法[1]，避免有效应力降低引起土体液化，造成格构柱和主体在建部分因隆起而破坏。

图3 坑底隆起位移图

4.2 水平位移分析

水平位移是监测的主要内容和考察围护结构安全性能的指标。本节通过模拟和现有监测数据分析围护结构的变形[2]，以基坑侧壁中心附近测斜孔为监测数据来源，分析架设支撑后中断面位移变化情况，绘制模拟和实测的各工况桩身水平位移随埋深的变化曲线对比图如下。

图4 桩身水平位移图

由图4可知，随着挖深增加，桩前后水土压力不断平衡，桩身水平位移增加，最大值不断下移，在基坑中部偏下趋于稳定。各工况呈阶梯型变化，最大值分别位于桩深3m，4m，9m和10m左右的位置，分别占挖深的0.026%，0.052%，0.16%和0.28%。开挖完成后模拟和监测位移最大值均在挖深2/3附近，分别为44.5mm和48mm，也在监测控制指标(50mm)范围内。桩体水平位移在角隅附近较小，角部刚度效应强烈，剪应力集中，土体处于塑性屈服状态，在施工中应密切监测并及时支撑[3]。而桩体嵌固部分，由于受到桩前被动土压力的作用变形减弱，围护桩与桩后土体以耦合弹簧方式连成整体，模拟位移受约[4]。由于假设土层均布，地面动载设为均布静载；施工扰动也未考虑，导致模拟值小于监测值。但二者结果基本接近，说明模拟数据可以较好地反映桩身变形情况。

在图4注意到，桩深3～6m内水平位移也出现了波峰。付艳斌等[5]指出软土在高卸载应力水平下表现出较强的流变特性，土体变形急剧增加。本例陆域广泛存在淤泥质黏土，该层土地基承载力基本容许值fa0仅40～80kPa，摇振反应明显。原位测试给出其固结快剪Cc值为3.5kPa，φc为4.3°，可推断该层主动土压力较大。由于开挖面一般有10～20d的外露期，当挖至地表以下9m后，外露面处于力学性质极差的1-2土层，在便道重载车辆长期碾压下该部土体极易进入流塑状态，导致侧向变形经历明显突变[6]。因此开挖前建议采用强力搅拌机进行就地固化处理。

5 孔压与渗流分析

当降水开挖完成且达到稳定渗流状态后，基坑整体孔压云图呈地下水降落漏斗形状。本节以基坑北侧为例，将孔压局部放大如图5所示。可看出地下水浸润线大概位置，孔压为0的曲面形成降水漏斗，且距坑底1m深度范围内孔压为0，满足基坑降水设计要求。降水自由面之上和降水影响半径内形成超静负孔压，且随着开挖的进行不断增大。

图5 孔隙水压力与渗流场速度矢量图

渗流场速度分布图5大致反映地下水流动方向，开挖完成后流矢分布特征如下。①坑壁外围流矢指向基坑，潜蚀坑壁；②基底以下土层流矢从中部向坑壁逐渐变大，临近基底处由于地下水头差作用，流矢指向基坑底，施工时此处较易出现底鼓或涌水，应及时浇筑垫层和底板，减少基底外露时间；③围护桩下部渗流场曲率最大，该处水力梯度较大且易达到临界值，在连续降水的影响下，土颗粒不断被动水压力带走，基坑极易破坏；④围护桩下方渗流由非稳定流逐渐向平缓流过渡，离桩身越远降水开挖对渗流曲率变化影响越小。

图6 围护桩渗漏孔压及流矢剖面图（局部放大）

将流矢图放大后，图6发现围护桩在3-1粉质黏土层发生了漏水，但观察到坑外孔压等值线仅在坑壁处发生下曲，说明该层土渗透系数尚不足以引起坑外水位大幅降落，其渗漏对地表沉降影响较小。若承压水深度处发生较大渗漏，则会导致有效应力增大、土层压缩，加快沉降。

6 结论

①模拟出的变形和孔压趋势仿真度较高，与实测成果大致相符，较准确地分析了基坑变形特性，表明计算采用的的数值模型、本构关系、计算参数、模拟开挖过程合理可行，为本工程设计施工提供了科学参考，对同类工程也具有借鉴意义。

②计算中发现1-2层淤泥质黏土蠕变明显，施工前两侧便道应就地固化、预压养护；施工中应快挖快浇以缩短软土层外露期。对原位土固化宜采用强力搅拌头上下直插式均匀搅拌，边固化边推进。

③3-1层粉质黏土位置出现渗漏，建议在止水施工中应针对性地做好同类位置的坑壁加固，并严格做好挂网喷混凝土质量控制。

④本文尚存不足之处，如计算中未考虑渗流引起的管涌、流砂等不确定因素的影响，仍需进一步研究改进。