船行二站基坑开挖支护设计及有限元数值模拟研究

(1.宿迁市农业资源开发规划设计评审中心，江苏 宿迁 223800；2.宿迁市宿城区水利工程建设服务中心，江苏 宿迁 223800)

水闸、大坝等水工建筑物施工过程中通常涉及基坑工程，基坑开挖安全与否易受多种外界因素的影响。为确保基坑开挖安全，需要采取一系列的支护或加固措施[1]。

基坑支护的主要目的是对建筑物自身及基坑侧壁进行必要的防护，同时防止由于基坑侧壁位移过大而引起周围建筑物沉降甚至倾倒破坏[2-3]。基坑支护方式各异，存在不同的优缺点，鉴于基坑几何形式、地质条件、水文条件不同，需要科学分析，并因地制宜，经过论证从而获得最优的基坑支护方案[4-5]。基坑支护工程主要涉及基坑开挖和支护措施设计两方面，与其相关的学科主要是土力学和结构力学等多门学科[6]。

如何科学有效地预测和评价基坑开挖的支护方案及效果是当前学界面临的重要课题。随着岩土力学理论和计算机软硬件的发展，数值计算模拟成为处理相关工程问题的有效手段，其在基坑开挖及支护设计中也获得广泛的应用。采用ABAQUS软件并基于监测数据，张光建等[7]对杭州地铁滨江站基坑施工进行数值模拟研究，发现了钢支撑轴力的分布规律。采用Plaxis3D岩土有限元软件，王恩钰等[8]研究对比了某基坑悬臂支护桩和集中倾斜支护桩的沉降及桩身变形特点。本文以江苏省宿迁市宿城区船行二站拆建工程深基坑开挖工程为研究对象，在制定了相应的开挖和支护措施后，采用基于有限元方法的软件ABAQUS对其开挖及支护措施进行研究分析，证明了基坑支护措施的有效性，其研究成果可为宿迁地区相似工程的开展提供借鉴。

1 船行二站拆建工程概况

船行二站拆建工程是宿迁市宿城区船行灌区续建配套与节水改造项目2019年度工程实施内容之一。该泵站位于中运河沿岸，为大型灌区的水源泵站之一。原泵站建于20世纪90年代，经鉴定后属于四类泵站，予以拆除重建。泵站设计流量为14.3m3/s，装机功率为2240kW，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时工程级别为5级。根据勘察资料，船行二站拆建工程深度范围内场地土层划分10层，船行二站底板坐落于淤泥质粉质黏土层，灰黄色、灰黑色，软塑，局部流塑,稍有光泽反应，中等干强度，中等韧性。贯入击数为7击，c=11.8kPa、φ=24.7°，承载力Fak=110kPa。

施工区周边场地狭小，水系较为复杂。北侧靠近灌区管理所办公楼，南侧紧临当地居民房，东侧紧挨中运河，西侧毗邻古黄河。两侧建筑物基坑钢板桩支护已实施完成，北侧钢板桩距灌区管理所办公楼11.1m，南侧钢板桩距民房最近距离为10.6m。

2 基坑支护(加固)方案

基坑位于原泵站引河处，场地地貌单元为单一的黄泛冲积平原。引河内地表水已抽排，两侧钢板桩施打完成。现场场地较平整，场地整平后原自然地面标高约为22.10m。基坑东侧为旧引河，西侧为蓄水池。基坑北侧开挖最外层边线距离灌区管理所办公楼约2.0m，南侧开挖最外层边线距离农村水泥道路最近距离为1.2m，距离居民房6.2m。现状基坑钢板桩支护情况：建筑物基坑南侧采用Ⅳ型钢板桩支护，桩长15m，桩顶高程19.1～19.2m。因建筑物基坑北侧地势起伏较大，下游段40m范围内采用Ⅳ型钢板桩支护，桩长15m，桩顶高程19.0～19.3m，上游段灌区管理所办公楼40m范围内采用Ⅳ型钢板桩支护，桩长18m，桩顶高程19.5～22.0m。

基坑安全等级：根据基坑的挖深、地质条件及周边环境条件确定本工程A-A、B-B、C-C、1-1～4-4(见图1)剖面基坑侧壁安全等级为2级，5-5～7-7剖面基坑侧壁安全等级为3级。

由于基坑周围存在办公楼、居民楼及水泥道路等关系民生安全的建筑物，并且这些建筑物距离基坑很近，因此为降低基坑开挖过程中对周边建筑物稳定性的不利影响，保证基坑自身的边壁安全，需在开挖过程中对其进行支护加固。基坑1-1～3-3剖面段采用钻孔灌注桩加一道锚索支撑，剖面A-A及B-B、C-C段原钢板桩支护坑内设桩长9m钢板桩，桩顶高程为16.00m，5-5～7-7剖面段采用自然放坡开挖。基坑支护(加固)具体设计方案：1-1～2-2剖面段距现状钢板桩外侧1m部位和3-3～4-4剖面段距现状钢板桩内侧1m部位采用桩径800mm的C30混凝土钻孔灌注桩进行支护加固处理，桩长为19.5m，桩距1.3m，桩顶高程19.30m；灌注桩顶部采用C30混凝土冠梁联结，冠梁断面尺寸为700mm(高)×1100mm(宽)；顶部冠梁处设置一排锚索，横向间距2.6m，锚索长度24m，锚固长度17m，成孔直径350mm，扩孔直径600mm，扩大头长2m，成孔角度为25°，内置4根直径15.2mm钢绞线，锁定力为70kN/每根；钻孔灌注桩支护加固范围以外原一级钢板桩支护在桩顶下部位置(高程19.0m)设置一道锚索，横向间距2.6m，锚索长度19m，锚固长度3m，成孔直径350mm，扩孔直径600mm，扩大头长2m，成孔角度为25°，内置2根直径15.2mm钢绞线，锁定力为70kN/每根；桩顶至地面范围内边坡采用80mm厚喷射混凝土+挂钢筋网支护。

图1 基坑支护(加固)平面布置(单位：mm)

3 典型剖面有限元数值模拟

基于有限元软件ABAQUS，选取典型3-3剖面模拟研究基坑开挖和支护措施的工作效果。根据相应的设计参数，3-3剖面居民楼房基础底面的沉降情况见图2～图6，包括整个模型的竖向位移场。

图2 基坑开挖至20.1m高程时的竖向位移场

图3 基坑开挖至18.1m高程时的竖向位移场

图4 基坑开挖至16.1m高程时的竖向位移场

图5 基坑开挖至14.1m高程时的竖向位移场

图6 基坑开挖至12.5m高程时的竖向位移场

由图2～图6可知：

a.在基坑的开挖过程中，基坑开挖面由于上部荷载的释放会产生地面反弹，基坑中心最大的反弹量约100～300mm。

b.楼房基础地面受基坑开挖的影响较为复杂，整体上随着基坑开挖深度的增加，楼房基础地面的沉降变形增大。

c.楼房基础地面最大的沉降变形发生在距离基坑开挖边线约10.0～15.0m处，在基坑开挖至16.1m、14.1m、12.5m高程时，最大的地面沉降量约为4mm、6.5mm和8.5mm。

d.距离基坑开挖边线40m处，地面沉降较小，约2mm，与基坑开挖深度的相关性不大。为了分析基坑开挖过程中的侧向水平位移，选取基坑坡面和混凝土灌注桩(见图7中蓝色桩体)的侧向位移进行分析，基坑的侧向位移场见图8～图12。

图7 基坑坡面和混凝土灌注桩位置

图8 基坑开挖至20.1m高程时的侧向位移场

图9 基坑开挖至18.1m高程时的侧向位移场

图10 基坑开挖至16.1m高程时的侧向位移场

图11 基坑开挖至14.1m高程时的侧向位移场

由图8～图12可知：

a.在基坑的开挖过程中，基坑坡面整体向基坑内侧方向变形，混凝土灌注桩顶部向基坑外侧方向变形，底部向基坑内侧方向变形。

b.在基坑开挖深度较小时，基坑坡面顶部位移较大，约12mm；随着基坑开挖深度的增加，基坑坡面顶部的侧向变形总体大于底部的侧向变形，在开挖至高程12.5m时，基坑底部坡面的水平位移约10mm，顶部坡面的水平位移约为30mm。

c.在整个开挖过程中，混凝土灌注桩的水平位移上部向基坑外侧增大，下部向基坑内侧增大。

d.混凝土灌注桩顶部的水平位移，在基坑开挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m时对应的侧向变形(向基坑外侧)分别为2mm、7mm、10mm、11mm、12mm。

e.混凝土灌注桩底部的水平位移，在基坑开挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m时对应的侧向变形(向基坑内侧)分别为5mm、10mm、17mm、20mm、22mm。

4 结 论

通过对该断面进行有限元仿真模拟分析，得到如下结论：

a.在船行二站拆建工程基坑的开挖过程中，基坑开挖面由于上部荷载的释放会产生地面反弹，基坑中心最大的反弹量约100～300mm；基坑坡面整体向基坑内侧方向变形，混凝土灌注桩顶部向基坑外侧方向变形，底部向基坑内侧方向变形，但变形较小，因而说明采用钻孔灌注桩加一道锚索支撑的加固措施较为有效。

b.基础地面受基坑的开挖影响较为复杂，整体上随着基坑开挖深度的增加，基础地面的沉降变形增大。