临湖富水地层深基坑开挖力学响应及稳定性分析

曾宇昕

中铁四局集团第五工程有限公司 江西 九江 332000

近年来，我国城市化进程不断加快，城市人口快速增长，导致城市水电资源紧缺，临近湖泊及河流的大型水利水电深基坑工程日益增多。此类工程所处地层多为富水地层，地下水位较高，地下渗流复杂多变，若不采取坑外降水坑内止水等降水措施，便会导致基坑发生渗水、涌水，支护结构局部发生较大变形，进而导致基坑整体失稳[1]，给深基坑工程的支护与开挖带来了极大的困难。因此，研究富水地层条件下地下水的渗流情况和深基坑工程的稳定性十分必要。

目前，诸多学者对此展开了研究。万晶等[2]以某富水砂性地层基坑为工程背景，通过对施工现场监测数据的整理分析，研究得出支护结构水平变形规律、周围地表沉降、地下水渗流及周边建筑物沉降规律。徐忠涛[3]对某富水深基坑的施工现场数据进行了分析，发现在基坑失稳之前，基坑支撑轴力比地表沉降先发生剧变，并建立了三维数值分析模型，模拟并分析了富水基坑的开挖过程。刘祥勇等[4]针对南通地区特殊的深厚富水地层，进行了基坑抽水回灌现场试验，研究了地层之间的水力联系，研究发现，在深厚富水砂性地层中，地下水位变化速度较快，但地层土体沉降的变化具有一定滞后性。孙克国等[5]和陈峰等[6]分析了富水地区溶洞对深基坑开挖稳定性的影响，建立了FLAC数值模拟软件，通过改变影响溶洞的关键参数，研究其对深基坑土体及支护结构的变形影响。部分学者对富水地层深基坑治理问题进行了研究[7-10]，在基坑开挖前需对涌水等危害进行风险评估，分析涌水涌砂过程及其发生原因，并提出了一系列涌水涌砂及失水沉降等应急处置方案，使用清障成桩一体咬合桩施工方法应对不利条件。

可以发现，现有研究对临湖地况研究较少，富水地层的深基坑开挖需考虑地下水渗流对基坑的影响。本文依托某临湖地埋式水厂深基坑工程，研究基坑支护开挖过程中的施工重难点，并利用岩土有限元分析软件Plaxis建立数值计算模型，分析基坑开挖对支护结构的力学响应规律及自身稳定性。

1 工程概况

1.1 项目概况

珠三角水资源配置工程某水厂一期工程厂址位于松山湖南端，总建筑面积约48460m2（含地下建筑面积约9984.22m2），项目主要分为7个大型基坑和管道基坑，包括综合基坑、格栅间进水泵房基坑、配水泵房吸水井基坑、主臭氧活性炭池膜车间基坑、综合楼基坑、平衡池浓缩池及污泥泵房基坑和雨水调蓄池基坑、西侧钢板桩管道基坑和东侧支护桩管道基坑。

1.2 水文地质条件

拟建场地属低山丘陵，地势呈东高西低，局部山间洼地地势较低，根据现场钻探与原位测试，本次勘探深度范围内的地层划分为素填土、粉质黏土、砂质黏性土及全风化岩。场地内钻孔稳定混合水位埋深为0.30～10.80m，标高为22.77～30.26m。场地浅部的地下水为孔隙潜水，其补给来源主要通过大气降水及场地东侧地势较高处的地下水径（渗）流。

2 支护施工方案设计

2.1 支护方案设计

项目基坑工程共分为9个基坑，本文选取综合基坑工程I-I断面进行分析，综合基坑平面布置图如图1所示，由于此项目位于郊外，基坑周围可用施工面积较大，故基坑支护采用放坡+桩锚支护方式，桩径D为0.8m，相邻桩间距为0.5m，锚杆纵向间距Lsp为1.5m，其支护结构图如图2所示。

图1 综合基坑平面布置图

图2 基坑支护结构剖面图

2.2 施工重难点分析

（1）重难点分析

项目所处区域地下水位高，且临近松木山水库，基坑开挖前应采取有效降水措施，因此地下水位的高低关系到基坑围护的安全。

（2）应对措施

1）建立地面截水系统，防止地表水流入造成影响，基坑四周的地面排水采用截水沟，将雨水及各种地表水收集、沉淀后排入市政管道。

2）基坑采取明排降水，在基坑四周超前开挖集水坑，汇集土层的渗水，及时抽排出基坑；浇筑底板时，基坑底面设集水坑及盲沟，将积水汇集抽排出基坑。

3）为防止地下水对施工的影响以及池体在施工期间上浮，采用管井进行降水，地下水位应降至主体结构的底板高程0.5m以下。

3 数值模型的建立

本模型采用岩土专用有限元模拟软件Plaxis进行模拟，模型竖向深度取2倍的基坑开挖深度，宽度为4倍基坑开挖深度，模型共792个单元，6796个节点，计算模型如图3所示。基坑支护结构采用等效刚度原则，将钻孔灌注桩等效成地下连续墙来模拟[11]，等效之后板厚D为0.57m，弯曲刚度EI为460×103kNm2/m，轴向刚度EA为17.1×106kN/m。锚杆自由段采用点对点锚杆单元模拟，锚固段则采用embadded桩单元模拟，纵向间距L取1.5m。

图3 计算模型示意图

4 数值模拟结果分析

4.1 围护桩变形

本文基坑开挖共分四层，第一层为放坡开挖，开挖至第二层土体施作钻孔灌注桩，提取基坑开挖第二、三、四层土体桩体水平位移，对应开挖深度he分别为5m、8m、11.75m，如图4所示。可以发现，随着基坑开挖深度的不断加深，桩体水平位移也随之增大，最大位移为当基坑开挖至11.75m时，围护桩最大位移为8.3mm，值得注意的是，此处也是变化幅度最大的点，因此，当施工至此处时需减小开挖厚度，增大监测频率。

图4 不同开挖深度下桩体水平位移

4.2 围护桩内力

不同开挖深度下桩体弯矩如图5所示。可以发现，随着基坑开挖深度的不断加深，围护桩最大弯矩也随之增大，最大弯矩为当基坑开挖至8m时，围护桩最大弯矩为135.9kN·m/m。同时，桩身反弯点也随着基坑开挖逐渐下移。由于锚杆的施作，使得围护桩最大正弯矩附近的锚固区域产生负弯矩增量，桩身弯矩发生突变，由此发现锚杆对于围护桩作用显著。

图5 不同开挖深度下桩体弯矩

4.3 整体稳定性

在进行基坑整体稳定性分析时，主要分析方法有极限分析法、极限平衡法、强度折减法等，本文采用有限元分析内置强度折减法，对基坑各开挖步执行安全性计算，当基坑开挖至11.75m时，安全系数最小为1.53，此时基坑整体失稳破坏云图如图6所示，可以发现，基坑土体沿围护桩桩底上一点发生整体滑动，因土层为砂性土，滑动面近似为平面，整体失稳滑动面大致为过桩底切桩滑弧。

图6 基坑整体失稳破坏云图

5 结论

（1）项目所处区域地下水位高，且临近松木山水库，基坑开挖前应采取有效降水措施，基坑采取明排降水，在基坑四周超前开挖集水坑，汇集土层的渗水，及时抽排出基坑。

（2）围护桩最大弯矩出现在当基坑开挖至8m时，围护桩最大弯矩为135.9kN·m/m。桩体水平最大位移为当基坑开挖至11.75m时，围护桩最大位移为8.3mm，值得注意的是，此处也是变化幅度最大的点，因此，当施工至此处时需减小开挖厚度，增大监测频率。

（3）当基坑开挖至11.75m时，安全系数最小为1.53，基坑土体沿围护桩桩底上一点发生整体滑动，因土层为砂性土，滑动面近似为平面，整体失稳滑动面大致为过桩底切桩滑弧。