长江漫滩区深基坑开挖引起地层和支护结构变形分析

杨科学 YANG Ke-xue

（中国铁工投资建设集团有限公司城市建设分公司，北京 100070）

0 引言

随着现代化进程的推进，城市中心用地愈发紧张，地下空间的开发和利用已成必然[1]。当前深基坑的规模越来越大，由于基坑工程的复杂性，基坑安全事故时有发生[2-5]。深基坑安全事故不仅包括基坑本身的支护结构破坏、变形失稳、坍塌、人员伤亡等直接事故，还包括其影响范围内所发生的邻近建筑物开裂倾斜、公用市政设施破坏等间接的意外事故[6]。

长江漫滩区地层具有典型的二元结构，上部为软黏性土层与粉砂层互层；下部以砂、砾石层为主，一般为承压含水层，基坑开挖时易产生漏水、漏砂、突涌等事故[7]，该地区超大深基坑的支护设计选型至关重要，施工难度较大。本文以南京江北新区某深基坑工程为背景，通过数值模拟分析，研究深基坑在开挖过程中支护结构的受力及周围环境的变化规律，以便为该地区类似基坑工程施工提供一定参考。

1 漫滩区基坑工程概况

工程位于南京市六合区龙袍街道，项目包含四栋住宅和两栋商业，设整体一层地下室。基坑南北跨度157.7m，东西跨度118.3m，开挖面积约18447m2，周长约552m、开挖深度约6.35m，如图1 所示。基坑四周紧邻城市道路，最近距离约5.8m。基坑安全等级为二级，重要性系数为1.0。

图1 基坑支护结构及开挖平面示意图

1.1 水文地质条件

根据现场地质勘察、现场测试及室内实验，基坑开挖影响范围内土层分布及主要物理力学指标如表1 所示。

表1 土层分布及主要物理力学指标

场地地下水类型主要为孔隙潜水，稳定水位埋深为0.5~2.26m，地下水位年变幅为1.00m 左右，场地地下水以孔隙潜水为主，主要由1-1 层素填土土、1-2 层素填土、1-3 层淤泥、2-1 层粉质黏土、2-2 层淤泥质粉质黏土夹黏质粉土、2-2a 层黏质粉土、2-3 层砂质粉土、2-4 层粉砂夹砂质粉土、2-5 层粉砂、2-6 层粉细砂、2-7 层细砂、2-7a 层粉质黏土、4 层中砂夹砾石中的孔隙潜水构成含水层，主要由大气降水和地表水渗入补给，以蒸发方式排出。

1.2 支护设计

根据《建筑基坑支护技术规程》，结合周边环境实际情况，本基坑设计总深度为6.35m，分为三部分开挖，采用1∶1 放坡开挖，使用双轴搅拌桩Φ700@1000（格栅式布置）水泥土重力坝进行支护。止水体系采用双轴搅拌桩结合坡面挂网喷浆止水。双轴搅拌桩施工工艺为：桩位定位-钻机到位-检查、调整好钻机-正方向循环钻进到地面标高-打开高压注浆泵-反方向循环提钻并且喷水泥浆-至工作基准面以下0.3m-重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计标高-反方向提钻至地面标高-一根装成桩完成-开始按照上面的顺序施工下一根桩。

基坑坡顶设置截水沟，土方开挖期间基坑采用明沟+集水井排出坑内明水，待基坑挖至坑底后，在距搅拌桩1m以上距离处挖排水沟、集水坑，排出坑内积水。基坑支护结构典型剖面如图2 所示。

图2 典型支护结构剖面图（mm）

1.3 施工工序及基坑降水

基坑采用明挖顺作法施工，施工方法及主要施工顺序如下：

平整场地（南侧水塘处需挖除淤泥，换填至设计标高）一测量放线-施工双轴水泥土搅拌桩-水泥土搅拌桩达设计强度后，分层分块开挖至坑底：第一阶段开挖0.8m；第二阶段开挖3.2m；第三阶段开挖4.8m（含集水坑），到底后及时满堂浇注殓垫层至桩边-待垫层轻达到养护期后，开挖电梯井等局部深坑土方-施工底板，并将底板素混凝土浇至桩边-地下室主体结构施工至负一层顶板-外墙回填。

基坑开挖前应提前两周进行降水，确保基坑开挖面无明；如果基坑较长时间未开挖，管井应保证每天抽水直至抽出清水，再抽1~2 小时方可停止。基坑开挖后至底部应保证水位降至坑底1m 以下。此外应在坑外设置观测井，保证土方开挖和地下室施工期间坑外水位控制在地面下4m 左右。

2 基坑开挖数值模拟分析

2.1 有限元数值分析模型

采用PLAXIS 有限元分析软件建立龙袍新城某地块基坑开挖过程三维有限元数值模型并进行分析。数值模拟计算中，为减少模型边界对计算结果的影响，模型高度建议为基坑开挖深度的2~4 倍，模型一侧距坑边距离为基坑开挖深度的3~4 倍。基坑开挖深度为6.35m，因此有限元模型的高度设置为33.2m，模型边界距基坑边界20m，由此建立建模范围200m×160m×40m 的计算模型。基坑工程场地三维计算模型如图3 所示。考虑地面车辆荷载等，基坑周边荷载取20kPa，道路荷载取20+10kPa。模型中土体为弹塑性材料，采用HSS（土体硬化小应变）本构模型进行模拟。

图3 基坑有限元数值模型

HSS 模型[8]是Benz 在HS 模型的基础上提出的，在继承HS 模型优点的同时，考虑了土体小应变刚度的非线性变化特征，引入了反映土体小应变特性的小应变参数，可较为全面地描述土体（特别是软土）剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等方面的力学特性，也可以模拟土体复杂的应力路径，采用该本构模型得到的数值分析结果通常与实测数据吻合良好。本模型中参数参考前人整理得到的南京地区各土质参数进行取值[9]。

2.2 有限元数值结果分析

2.2.1 基坑开挖和降水引起的坑底隆起变形

数值模拟中，水泥搅拌桩及喷浆挂网施工均按照项目的实际施工顺序设置。由于基坑底部注浆和基坑侧边设有搅拌桩，基坑的防渗漏措施齐全，且黏土层的渗透性较低，因此认为该基坑的坑内疏干降水对坑外水位的影响很小。该基坑内外的渗流同样可以忽略不计，所以基坑开挖过程中的降水模拟不需要进行稳态渗流分析，而是采用类组水头插值的方法来模拟基坑的降水开挖。在每一步的基坑开挖过程中，将基坑内的土体类组水头设置为开挖面下1.0m，用来表示坑内水位降至开挖面以下1.0m。此外设置降水井以控制基坑外的土体水头低于地面4.0m。随着基坑开挖的进行，坑内水头逐渐降低。

通过对土体进行数值模拟可以得出，越靠近基坑中部，土体变形趋势越大，见图4 和图5。基坑最大水平位移为2.97mm，最大竖直位移为31.42mm。以上结果满足施工要求沉降限值40mm，证明本基坑开挖工程不会对周边既有建筑物及道路造成影响。

图4 基坑底部Z 方向位移云图

图5 基坑底部中线AA* 竖直方向位移变形曲线

2.2.2 基坑支护结构变形分析

如图6 所示，通过对支护结构单独分析可以看出，基坑开挖完成后，支护结构最大X 方向水平位移为7.476mm，最大Y 方向水平位移为7.599mm。均满足该施工沉降量限值40mm 的要求，证明双轴水泥搅拌桩+坡面挂网喷浆止水方案支围性能良好，设计选型正确合理，可以满足工程需要。

图6 双轴搅拌桩X、Y 方向位移云图（开挖、支护结束）

3 结论

①选择双轴水泥搅拌桩作为支护结构，能够起到双重作用，既可以作为主体支护结构，又可以止水围护。兼顾挡水、挡土、抗浮等工程优势，双轴水泥搅拌桩结合坡面挂网喷浆止水方案，技术可行，造价合理，支围效果可以满足工程需要，使用于长江漫滩区特殊的区域性地质条件，可以推广使用。②南京长江漫滩区深基坑支围结构施工尚处于实验论证状态，提出双轴水泥搅拌桩+坡面挂网喷浆止水施工及监测，可为以后类似工程提供参考。