盾构工作井深基坑变形规律的数值模拟及分析

王建学, 刘浩阳

(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；2.广东科正水电与建筑工程质量检测有限公司，广州 510170)

水资源合理分配关乎我国民生大计，城市人口的快速增长使得水资源条件相对丰富的南方城市也会存在缺水矛盾，为满足城市用水需修建相应的水资源配置工程。在建设过程中，盾构隧洞手段被广泛使用，工作井作为盾构施工中的必要部分具有开挖截面小、深度大、周边环境复杂等特点[1]。基坑开挖会影响周边岩土体的不稳定性，使得在开挖过程中易产生变形，严重情况下会导致基坑塌陷，造成严重的经济损失和人员安全问题[2-3]。因此，提前预测计算基坑的安全稳定性很有必要，采用数值模拟对基坑在开挖过程中的变形规律进行研究分析是一种高效经济的手段，且由于小尺寸深基坑受尺寸效应影响明显,采用传统方法进行土压力计算难免与实际土压力存在一定差异，对此类基坑进行有限元计算更加必要[4-7]。且随着技术手段的成熟，所得计算结果与基坑监测数据反过来也对基坑开挖支护设计方法及理论研究有推动作用[8-9]。

本文依托珠江三角洲水资源配置工程SZ02#基坑工程项目，通过有限元软件FLAC3D对基坑开挖过程进行数值模拟，研究分析了围护结构的水平位移和基坑整体的竖向位移，并与实测数据进行对比，验证数值模型的合理性，为类似工程设计施工提供参考。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程从珠江三角洲网河区西部的西江水系向东引水至珠江三角洲东部，主要供水目标是广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区，该工程输水线路总长为113.1 km。SZ02#盾构工作井深基坑位于深圳分干线，基坑平面外尺寸(长×宽)为29.0 m×16.5 m，井深为33.4 m，开挖深度为34.5 m。为地下连续墙和内支撑结构，连续墙厚度为1.0 m。

根据地质详勘资料，典型地质分层情况如图1所示，其各层物理力学参数见表1所示。建模所需材料参数：厚度为H、重度为γ、压缩模量为ES、粘聚力为c、内摩擦角为φ、泊松比为v、弹性模量为E。

表1 岩土层参数取值

图1 工作井典型地质剖面示意

2 计算模型的建立

2.1 模型建立及参数

基坑尺寸为29.0 m×16.5 m×33.4 m，考虑模型的对称性选取1/2模型进行建模计算。基坑平面规模大小直接关系沉降影响范围大小，整体模型平面尺寸长和宽均取基坑模型的4倍。考虑土体土质较好，模型高度选取基坑开挖深度3倍。最终确定模型尺寸为 58 m×66 m×100.2 m。

建模工作由两部分组成，实体模型部分包括土体和地下连续墙；结构单元部分为钢筋混凝土支撑与钢支撑简化后的混凝土支撑。为计算方便，水平支撑梁包括压顶梁及腰梁横截面尺寸均取1 600 mm×1 200 mm，支撑横截面尺寸均简化为1 000 mm×1 200 mm。

网格划分本着近密远疏的原则，计算模型共计101 088个单元，111 677个节点。

边界条件：限制模型水平方向(X)和进深方向(Y)位移，Y=0处采用对称边界，模型底部全固定，地表为自由边界。

计算模型中岩土材料采用Mohr-Coulomb(摩尔-库伦)模型，岩土层的厚度以基坑中心轴线上的各土层平均厚度为准；开挖模型采用Null(空)模型；地下连续墙及水平支撑梁都采用混凝土材料进行模拟，按照弹性材料进行考虑[10]。支护结构物理力学参数见表2所示。

表2 支护结构物理力学参数取值

2.2 开挖分析步设置

本次模拟基坑开挖共设置8个计算步，具体开挖分析步骤设置如下，基坑三维模型如图2所示。

图2 基坑开挖三维模型示意

第1步初始步，地应力平衡计算；

第2步开挖第1层，挖深5.0 m，开挖至13.4 m，并设第1道水平支撑；

第3步开挖第2层，挖深5.0 m，开挖至8.4 m，并设置第2道水平支撑；

第4步开挖第3层，挖深4.35 m，开挖至4.05 m，并设置第3道水平支撑；

第5步开挖第4层，挖深4.5 m，开挖至-0.45 m，并设置第4道水平支撑；

第6步开挖第5层，挖深4.3 m，开挖至-4.75 m，并设置第5道水平支撑；

第7步开挖第6层，挖深6.0 m，开挖至-10.75 m，并设置第6道水平支撑；

第8步开挖第7层，挖深4.25 m，开挖至-15.0 m，并设置第7道水平支撑。

3 数值模拟结果分析

3.1 监测控制标准

基坑开挖是一个动态过程，与之有关的围护结构变形和周边环境影响也在动态变化中。因此，在施工过程中，必须对基坑围护结构及周边环境进行全方位、全过程的掌握。根据相关规范和工程经验，本次数值模拟选定的主要控制指标预警值见表3。

表3 模拟主要控制指标预警值

3.2 围护结构变形分析

对地下连续墙深层水平位移量的观测可以实时反映深基坑围护结构中的地下连续墙沿水平方向的变化趋势，其最大值是否超过报警值是衡量基坑安全与否的重要标准。

3.2.1短边1/2处深层水平位移分析

通过数值模拟结果比较，选取基坑模型短边1/2处作为地下连续墙最大水平位移出现位置，该位置处深层水平位移曲线如图3所示。

图3 代表位置处地连墙深层水平位移曲线示意

从模拟结果来看，地连墙主要受到后方土体的主动土压力而向基坑内有挤压趋势，拉应力和剪应力十分微小，与地连墙水平位移的变化趋势均呈现中间大，两端小的的“弓形”变化趋势。随着开挖深度的增加，地连墙深层水平位移逐渐增大，且位移最大值位置逐渐下移。在第1层开挖时，水平位移最大值出现在1.89 m处深度，其值为1.42 mm。此后随着工程的继续开挖，水平位移在第7次开挖时达到最大，最大值处于21.12 m深，其值为18.20 mm，满足监测预警值20 mm要求。这是由于随着基坑的逐渐开挖，地下连续墙前后水土压力平衡不断地被打破，墙后土体需要不断变形以保持平衡，继而对地连墙造成压力输出，使地连墙发生水平位移。

其中第4、5、6次开挖水平位移最大值增加幅度较大，较前次开挖分别增大3.94 mm，3.72 mm，且最大值所处深度位置同样变化很大，这是由于此时开挖过程主要处于岩质相对较差、深度较深的全风化岩附近处。在实际基坑开挖过程中应注意实时监测及时控制变形量来保证工程顺利进行。地连墙顶部水平位移随开挖深度增加而逐渐增大。在前4层基坑开挖时，由于开挖深度相对较浅，此时墙后主动土压力值相对较小且地连墙在下部未开挖土体中嵌固段较长的原因，地下连续墙顶部水平位移值较小，约为1.2 mm。从第5次开挖开始顶部水平位移开始逐渐增大，在开挖第7层土体时水平位移达到最大约6.2 mm。工程中应着重于开挖深度较大时的相关监测。图4为地连墙顶部水平位移模拟值与实测值对比示意，对比发现二者数据结果较为相近，变形规律以相同趋势迅速增大，且均未超过预定报警值。

图4 地连墙顶部水平位移模拟值与实测值对比示意

3.2.2水平支撑处深层水平位移分析

基坑设置了多道水平支撑，对地下连续墙的水平位移起到了很好的限制作用。为了观察水平支撑对地下连续墙的深层水平位移有益效果，基坑开挖计算得到的水平支撑处地下连续墙水平位移曲线如图5所示。

图5 支撑位置地连墙深层水平位移曲线示意

地下连续墙深层水平位移在支撑处被极大的限制，位移较大值基本都集中在支撑间隙。第1道支撑在深度0 m处的水平位移基本为0 mm，第2、3道支撑处水平位移也未超过1 mm，即使第7道支撑处即深度25 m左右水平位移也仅约为6 mm。深层水平位移最大出现在第7次开挖时深度22.5 m的第6、7道支撑之间，为12 mm左右，相比于图2中最大18.20 mm要小，地下连续墙整体深层水平位移显著改善，直观表明设置水平支撑可大幅度提高深基坑稳定性。

3.2.3水平内支撑轴力分析

数值模拟水平支撑内轴力为压应力(见表4)，随着开挖深度的增加，轴力最大值逐渐增大，且在基坑开挖到第7层时达到最大值2 117.5 kN，与深层水平位移变形规律相呼应。前5次开挖轴力最大值均出现在开挖工序最后1层水平钢支撑上，第7次开挖轴力最大值出现在基坑长边工字梁腰钢上(如图6所示)，因为第7层水平钢支撑布置4根且设有4个钢角板和4根斜支撑，有效分担短边所设钢支撑的轴力。平均深度轴力增速为内支撑轴力最大值增长量与单层开挖深度的比值，平均深度轴力增速同开挖深度成正相关，基坑变形情况愈加明显。测点SZ02#-S7C3～4布置在第7层水平钢支撑上，此部位实测最大值为722 kN，模拟最大值为1 076 kN与实测值接近，考虑水平支撑进行了大量简化计算，存在一定误差，均未超过报警值。

表4 水平内支撑轴力模拟值

图6 第7次开挖内支撑轴力变化云示意

3.3 基坑竖向位移分析

随着工程的逐步开挖，基坑内外土体的竖向位移均会发生变化，基坑周围土体发生不同程度的沉降，而基坑底部则由于原先所具有的土体荷载逐渐减小，剩余土体自重应力得到释放并向坑底传递而导致底部隆起。

提取模拟结果绘制基坑周边地表竖向位移变化曲线如图7所示，通过研究分析可知，发生的沉降量随着基坑开挖深度的增加而不断增加，变形曲线呈“漏斗”形状，随着监测点距地连墙距离的增加，最终地表竖向位移值趋于平稳。受基坑开挖影响的周边地表沉降范围主要为距基坑2.5～10.0 m范围内，最大沉降出现在第7次开挖时，距离围桩5 m左右，约为12.5 mm。

图7 基坑周边地表竖向位移变化曲线示意

表5为第7层开挖后周边地表沉降实测值与模拟值对比，总体上实测值的变化趋势与模拟值一致，靠近地连墙处模拟值稍大于实测值，这是由于土层参数设置为理想状态，与实际存在一定误差引起的。模拟计算中土层参数为经验参考值，并假定土层为均质各向同性的理想状态，由于靠近基坑边缘，数值模拟时将围桩假设为地连墙进行计算，故而与实际存在一些误差，但无论实测最大值还是模拟最大值均远低于监测预警值24 mm，总体上该误差可接受。

表5 第7层开挖后周边地表沉降实测值与模拟值

基坑开挖过程中土体发生隆起，呈现中间大两端小的特点，各层开挖过程中坑底隆起位移最大值见表6。开挖深度浅时，卸荷量较小，坑内土体竖向隆起高度较小，随着开挖深度的增大基底以下土体隆起高度不断增加。前4层开挖由于所处土质一致，坑底隆起增量逐渐增加，第4次开挖基坑底部隆起值增速达到最大，较第3层开挖隆起值增加3.32 mm。最大隆起位于第5次开挖，基坑底部隆起最大值为11.79 mm，与第4次开挖最大值较为相近，因为此时虽处于全风化岩，但底部距抗扰动性能更好的强风化岩较近。第6次基坑底部隆起值分别为8.9 mm和10.03 mm，均小于最大值，因为开挖处于岩质较好、压缩模量较大的强风化岩和弱风化岩。

表6 各层开挖基坑坑底隆起位移最大值

4 结语

本文采用FLAC3D软件对珠江三角洲水资源配置工程SZ02#盾构井基坑工程项目进行数值模拟研究，从围护结构的水平位移和基坑整体的竖向位移进行分析研究，得出如下结论：

1) 数值模拟所得结果与实测值较为接近，说明模型建立及各项参数的选择是可取的，可有效体现基坑变形规律，具有一定的参考价值。

2) 小尺寸深基坑地下连续墙受力以压应力为主，拉应力和剪切力十分微小。地下连续墙的深层水平位移变化率受岩土体性质影响较大。各层开挖位移变化均在安全标准内，基坑设计较为合理，处于地质较差且开挖深度足够深的4、5、6次开挖位移增速较快，在实际工程中应当注意。

3) 水平内支撑轴力变化趋势同地连墙变形趋势相关，且与实际测值相近。水平支撑轴力最大值变化率同开挖深度呈正相关，基坑变形随开挖深度增大愈加明显。内支撑对地下连续墙的水平位移起到了很好的限制作用。

4) 基坑沉降范围主要为距基坑2.5～10.0 m范围内，最大沉降出现在第7次开挖时，距离围桩5 m左右处，最大值为12.5 mm。

5) 土质条件对基坑开挖过程中底部隆起有重要影响，本项目基底隆起最大值位于地质条件较差的第4层、第5层开挖过程中，在实际工程中应关注。