赵 连 向 阳 郭涵宇

(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041)

K0=v/(1-v)

{Fi}=∫ViT{σi-1}dV-∫ViT{γ}dV



超深基坑开挖降水对周围地表位移的影响评价

赵 连 向 阳 郭涵宇

(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041)

选取武汉19.1 m超深基坑工程为研究对象，结合PLAXIS数值模拟和现场综合监测数据分析，建立了一套定量化的超深基坑开挖周围地表变形评价模型，研究结果表明：超深基坑开挖对周围地表影响半径为2.2倍的开挖深度，安全指数为1.1与数值模拟地表变形值乘积可定量评价实际地表变形。

超深基坑，PLAXIS，影响半径，安全指数

由于城市用地越来越紧张，地下空间朝着“大、深、群”方向发展。对于超深基坑工程而言，地下水埋深较浅的基坑支护结构和周围地表的变形十分严重[1-3]。由于地质条件、周围环境和工程自身的复杂性，加之系统研究理论的匮乏，目前尚无统一的定量化评价分析模型。因此拟采用PLAXIS3D，选取武汉软土地区某一超深基坑为研究对象，对超深基坑开挖及支护施工过程进行数值模拟分析，获取周围地表的时空变化规律，评价超深基坑开挖对周围地表的影响程度，并提出相应地变形控制措施。

1 基坑开挖数值计算理论

1.1 初始应力场的计算

在进行数值计算时，需要施加由上覆岩土体构造应力产生的初始地应力，一般可按如下公式取得初始地应力：

(1)

初始地应力没有统一的理论计算模型，一般可采用埋深的构造函数加以确定，本文选取的初始地应力的计算模型如图1所示，水平初始地应力与垂直初始地应力的比值K0可定义为：

K0=v/(1-v)

(2)

其中,v为土的泊松比。

1.2 土体开挖荷载

对应于土体开挖过程中的应力状态的改变可定义土体开挖荷载加以数值计算分析，其计算模型如下所示：

{Fi}=∫ViT{σi-1}dV-∫ViT{γ}dV

(3)

其中,{Fi}为第i次开挖阶段的开挖荷载；为应变矩阵；[vi]为第i节点开挖土体的体积；{σi-1}为土体的应力；为单元形函数矩阵；{γ}为土的自重列向量。

2 工程实例

2.1 数值计算模型的建立

该工程地下支护结构为4层，设计高程±0.000为22.5m，基础埋深为19.1m。开挖过程可分为四个工况：第一工况开挖深度为0m～4.0m，第二工况开挖深度为4.0m～8.05m，第三工况开挖深度为8.05m～13.5m，第四工况开挖深度为13.5m～19.1m。围护结构采用地下连续墙+钻孔灌注桩组合结构形式，地下连续墙深度为36.1m，厚度为1 000mm；钻孔灌注桩长度为50.0m，桩径为1 000mm，采用逆作法施工。降水方案采用各工况开挖前提前降水至开挖底面下1m处。基坑截面形式为矩形，根据对称性，取其一段对称平面，按平面问题进行计算。对称段宽度取为36.0m，计算宽度取为74.0m，计算深度取为62.0m。承压水初始水头取为18.0m，设计目标动水位标高取为1.7m，水位降取为16.3m。由于基坑计算断面下穿城市主干道，因此在计算模型中取其为竖直向下作用的均布载荷，其值为-10.0kN/m。此基坑工程岩土体分层特性如表1所示，支护结构参数如表2所示。

表1 岩土分层及特征参数

表2 支护结构计算参数

计算时采用15结点三角形单元模拟土体，模型的左右边界水平方向位移取为零，竖直方向允许发生一定变形；下边界水平方向和竖直方向的变形均取为零；上边界为周围地表，取为自由面。网格划分精度选择中等粗糙程度，并对地下连续墙及基坑底部周围的网格进行一定的加密处理。计算模型见图2。

2.2 数值模拟结果分析

四次降水条件下，基坑及周围岩土体中地下水渗流运动方向由基坑周围岩土体，绕过地下连续墙，向着基底岩土体富集；在基底岩土体中，地下水富集程度由基坑周界向基坑中心逐渐加密；因此基坑底部中心承受最大的渗流集中力。计算结果显示基坑周围岩土体中孔隙水压力较小，主要为地下水渗流导致周围岩土体的孔隙水压力的消散，使得周围地表在岩土体自重应力的作用下发生较大的沉降；而对于基底岩土体，孔隙水压力显著增加，但均小于上覆岩土体自重应力，未构成明显基底隆起破坏。

采用等间距的测点布置方式，于地下连续墙上每3m间隔布置一个地下连续墙水平位移监测点，共计12个监测点，获取在四种开挖工况条件下地下连续墙的水平位移时空效应累计变化规律，如图3所示。第一种开挖工况下，地下连续墙水平位移变化速率最大；随着开挖的进行，水平位移逐渐趋于稳定；在第三种工况及第四种工况条件下，水平位移表现出“中间大，两端小”的变化规律，主要由于第一、二层横撑支护结构逐渐发挥了支护功能，控制了上覆周围地表的水平位移，基底下覆岩土体又对地下连续墙起到了锁脚的功能，进而又限制了周围地表下覆岩土体的水平位移，而中部大变形区为开挖第三、四层岩土体后的未加横撑支护的基坑，在周围地表下覆岩土体的侧向土压力作用下，即表现出较大的水平位移；四种开挖工况条件下地下连续墙最大水平位移为9.25mm，即本基坑开挖降水条件下周围地表最大水平位移为9.25mm。同时水平位移云图显示，周围地表的最大影响范围为33.6m。

针对4种开挖工况条件，基坑周围地表沉降的时空效应累计变化曲线如图4所示。由图4可知，基坑开挖过程中，离基坑周界越近的区域地表沉降值越大；第一次开挖工况下，周围地表沉降速率最快；在第四次开挖工况下，基坑周界地表点出现最大沉降，最大累积沉降值为11.3mm；4种工况条件下，周围地表沉降符合标准的沉降槽曲线，在距离基坑40m处均趋于稳定。综合水平位移时空效应累计变化规律，确定本基坑开挖对周围地表的影响范围为40m，近似为2.2H(H为基坑开挖深度)。

3 现场监控量测分析

根据数值模拟分析结果及以往基坑周围地表沉降监测规律，选取基坑开挖边界外2.5倍的开挖设计深度(2.5H)作为地表沉降监测范围。各监测点之间间距均布为5m；地下连续墙水平位移监测点按3m间隔沿深度方向均匀布置。监测周期起于基坑开挖，止于地下结构物施工结束[8-10]。本超深基坑周围地表累计沉降最大断面监测数据如表3所示，累计水平位移最大断面监测数据如表4所示。同时将此监测断面实测数据与数值模拟分析数据进行对比分析，对比分析曲线如图5，图6所示。

表3 基坑周围地表累计沉降最大断面监测数据

表4 基坑周围地表累计水平位移最大断面监测数据

由图5，图6可以看出，实测数据比数值模拟分析数据略大，分析原因主要是数值模拟过程中未能全面考虑现场施工载荷的影响，主要包括基坑周围堆载和车辆荷载。但是数值模拟数据拟合曲线与实测数据拟合曲线的相关系数分别为91.4%，96.2%，说明两者数据相似性较高，此数据精度符合工程实际的要求。

4 控制措施

1)由现场及数值模拟分析可知，基坑开挖前的围护墙施工及基坑降水均会引起较大的地表沉降。因此针对施工工艺特点，采取了如下控制措施：a.对于围护墙的施工，严格控制施工速度和施工质量，围护墙施工完成5d后并检测墙体实际强度达到设计强度时，方可进行顶层土方开挖，同时开挖过程中不得碰撞冠梁、水平支撑和立柱;b.需要合理减小挤土效应及振动影响，保证混泥浆密度，保证护壁效果，保证成孔及成槽质量，控制施工速度；c.根据施工进度和基坑涌水量的要求，降水井单井抽水量优化调整为50m3/h，开泵20min后，降水井抽水含砂量不超过1/60 000，长期运行降水井抽水含砂量不超过1/120 000。2)由实

际监测和数值模拟误差分析可知施工荷载对地表沉降也存在一定影响，为了避免此类荷载的影响，严禁在基坑周边10m范围内堆土、行走施工车辆，堆放施工所需材料荷载不得超过5kPa。3)对于基坑周边40m范围内的重要建(构)筑物采取地基加固或结构物补强处理。

5 结语

1)由于受到土体强度差、地下水位高等因素的影响，软土地区开挖深度大于10m的超深基坑工程开挖对周围地表影响程度极大，最大累计沉降值为12.2mm，最大水平位移为9.5mm。2)根据数值模拟及现场实际监测数据分析可知，超深基坑开挖对周围地表的影响范围约为2.2倍的基坑开挖深度，本超深基坑周围地表影响半径为40m。3)采用PLAXIS有限元模拟软件获取的周围地表累计沉降曲线与现场监测沉降曲线的相关系数最小为91.4%，此误差精度符合工程实际的要求；同时可以定义一安全指数K取为1.1，以K与数值模拟累计变形值的乘积作为评价超深基坑周围地表累计变形指标，可充分保证周围地表沉降预测的准确性，从而形成一套定量化的超深基坑开挖周围地表变形评价模型。4)针对软土地区超深基坑开挖对周围地表主要的几个影响因素，提出了相应的控制措施，现场实施结果显示周围地表变形得到了有效控制，周围重要建(构)筑物基础未出现明显开裂。

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On evaluate the influence of super deep foundation pit excavation on surrounding ground surface

Zhao Lian Xiang Yang Guo Hanyu

(ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignCo.,Ltd,SouthwestBranch,Chengdu610041,China)

Selecting a super deep foundation pit with 19.1 m depth in Wuhan engineering as the research object, combined with PLAXIS numerical simulation and in-situ monitoring data analysis, establishes a quantitative evaluation model of super deep foundation pit excavation around the surface deformation. The results show that super deep foundation pit excavation on the surrounding surface radius of influence is 2.2 times of the excavation depth, safety index is 1.1 and the numerical simulation of the surface subsidence value product surface subsidence can be quantitative evaluation practice.

super deep foundation pit, PLAXIS, influence radius, safety index

1009-6825(2015)21-0077-03

2015-05-13

赵 连(1988- )，男，助理工程师

TU463

A