利用紧邻地下结构的组合围护深基坑开挖数值模拟

钟 垒

上海建工集团投资有限公司 上海 200080

近年来，国内开发了一种新的工法，即利用既有地下建（构）筑物结构作为深基坑的围护，并在其基础上与新建的基坑围护共同作用，建立可靠的一体式组合围挡结构，其优势在于低碳节能，并且可以减少新建围护的施工投入。但紧邻基坑的既有地下建（构）筑物结构作为围护的组成部分，在基坑开挖施工过程中必然会对其造成较大影响，必须将产生的水平及竖向位移影响控制在允许的范围之内，确保既有地下结构的安全，因此需要对基坑开挖所造成的影响进行可靠的分析与预测，对新建深基坑的施工方法以及既有地下结构的加固措施和监测手段进行必要的判断，以便改进相应的设计方法及施工工艺[1-4]。

在此背景下，本文采用三维有限元数值模拟手段对常熟某污水处理厂工程中利用既有地下建（构）筑物结构作为围护的深基坑施工进行了分析，根据模拟结果提出了施工中应加以重点关注的部位，并提出了相应的加固措施，使既有地下建（构）筑物结构的变形及位移在设计允许范围内，以供工程设计和施工参考。

1 工程概况

本工程待开挖的基坑为常熟某污水处理厂的进水箱涵基坑，该基坑东西两侧分别存在已利用沉井法施工完成的粗格栅进水泵房及顶管工作井，如图1所示。由于进水箱涵在平面上为异形结构，因此设计采用在进水箱涵外侧施工围护，并与既有的进水泵房及顶管工作井结构组合为一体式围护，待基坑开挖完成后，再进行进水箱涵的施工。

图1 进水箱涵基坑平面示意

进水箱涵开挖深度为12.17 m，基坑安全等级为一级，围护采用SMW工法桩＋钢支撑，SMW工法桩的深度为27.4 m，如图2所示。本基坑开挖深度较深，且基坑开挖面上下均为土质条件较差的粉质黏土，考虑基坑开挖周期比较长，对围护结构比较不利，所以本次基坑围护对支护体系的整体要求非常高。

图2 进水箱涵基坑剖面示意

粗格栅进水泵房及顶管工作井均采用沉井方法进行施工，其结构高度分别为18.2 m与15.8 m，混凝土封底厚度分别为3.50 m和3.63 m，如图3所示。

图3 进水泵房及顶管工作井剖面示意

2 有限元参数及数值模拟

2.1 有限元参数

本文采用MIDAS/GTS软件对进水箱涵基坑开挖施工进行数值模拟，并假定基坑所在位置土层厚度均匀。

土体为弹塑性体，采用修正摩尔-库仑本构及实体单元模拟，根据常熟某污水处理厂的岩土工程勘察报告，工程所在的地质条件及土层参数如表1所示。

表1 土层参数

由于本工程围护采用SMW工法桩，在模拟中根据相关公式将工法桩等刚度代换为具有一定厚度的地下连续墙参与计算，且不考虑SMW工法桩中加固土的共同作用。

经计算，本工程所采用的SMW工法桩可等刚度代换为厚0.52 m的地下连续墙。

钢支撑、混凝土圈梁及钢围檩为弹性体，通过弹性本构及梁单元进行模拟；SMW工法桩等刚度代换为地下连续墙，同样为弹性体，与进水泵房、顶管工作井的井壁结构及内部结构均一起通过弹性本构及板单元进行模拟；进水泵房、顶管工作井的混凝土封底采用弹性本构及实体单元模拟。其各自的物理力学参数取值如表2所示。

表2 力学参数取值

2.2 建立的有限元模型

依据以往的基坑开挖建模经验，为了消除“边界效应”对计算精度的影响，建模时平面方向（即x、y方向）由进水泵房及顶管工作井边缘向两侧分别延伸40 m，高度方向（即z方向）取SMW工法桩双倍深度以上。建立的模型长（x方向）125.55 m、宽（y方向）105.90 m、深度方向（z方向）为56 m。模型节点总数为56 122个，单元总数为83 131个。最终建立的模型如图4所示。

图4 有限元模型示意

2.3 开挖过程模拟

模拟进水箱涵基坑开挖时，根据GTS程序提供的“激活”与“钝化”及“改变属性”的变换功能进行处理，通过分步骤激活单元、钝化单元及改变同一单元的材料属性来模拟既有结构的施工、基坑围护结构的施工、基坑开挖的过程。模拟分析中的施工过程严格遵照实际的开挖施工步骤进行，其与实际施工步骤的对应关系见表3。

表3 模拟施工步骤

当利用既有结构作为围护体系的一部分进行基坑开挖时，在水平和竖直方向上，既有结构都会产生附加位移，进而导致附加应力的产生，既有结构的安全会受到严重影响。因此在设计和施工中，应根据模拟分析结果，对基坑开挖施工过程中产生较大变形及位移的重点环节加强监测，并且在必要的时候采用合理的加固措施。

3 数值模拟结果及分析

3.1 基坑开挖引起的自身围护侧向位移

在深基坑的施工过程中，对自身围护侧向水平位移的影响，是施工和设计均需要重点关注的对象。基坑开挖至底部后，基坑自身围护的侧向水平位移如图5所示。

图5 基坑围护侧向水平位移云图

就基坑围护的侧向水平位移的量值而言，最大水平位移值为13.1 mm，出现在基坑南侧围护处，深度为11.1 m，即坑底开挖面以上1 m的位置。北侧围护相对最大水平位移值相对较小，为9.4 mm，深度为12.17 m，即坑底开挖面处。出现以上现象的原因推测为南北侧基坑围护的长度不一致，南侧由于长度较长，承受了较大的侧向水土压力，因此位移值相对北侧较大；又由于坑底开挖面处于③层淤泥质黏土软弱土层中，开挖这层土会在开挖面附近产生较大的变形，南侧围护由于较大的水土压力产生了最大侧向位移上移的现象。因此，在③层土中进行深基坑开挖时，应注意对围护变形的控制，这对于减小基坑开挖时的风险有着重要意义。

3.2 基坑开挖引起的既有结构的位移

基坑开挖至底部后，进水泵房及顶管工作井的侧向水平位移如图6所示。

图6 既有结构侧向水平位移云图

进水泵房的最大侧向位移出现在南侧顶部，其数值为7.1 mm，向基坑方向位移。从位移云图可以看出，进水泵房产生了顶部整体向基坑方向位移的现象。顶管工作井的最大侧向位移出现在东侧顶部，具体为顶管井与基坑围护相连的位置，最大侧向位移数值为6.7 mm，同样是向基坑方向位移。

基坑开挖至底部后，进水泵房及顶管工作井的竖向位移如图7所示。

图7 既有结构竖向位移云图

进水泵房的最大竖向位移出现在东侧下部，其数值为14.9 mm。从位移云图可以看出，进水泵房靠近基坑的一侧产生了向上隆起的现象。顶管工作井的最大竖向位移出现在西侧底部，最大竖向位移数值为21.5 mm，且靠近基坑的一侧同样在开挖面附近出现了向上隆起的现象，最大数值为19.2 mm。可以看出，顶管工作井受到基坑开挖的影响较大，主要影响为隆起，应在施工中加以重点监测。

3.3 基坑开挖引起的坑底土体竖向位移

由于本工程未在钢支撑下埋设立柱，开挖过程中易产生坑底隆起，因此，对坑底未开挖土体的位移控制也是施工的重点之一。基坑开挖至底部后，坑底土体的竖向位移如图8所示。

图8 坑底土体竖向位移

坑底土体产生了隆起位移，最大点出现在南侧靠近围护的位置，其隆起的数值为111.4 mm，远远超过了设计允许的隆起范围。且坑底土为整体隆起，其隆起数值均在10 cm上下浮动，可见在开挖中易发生风险。

3.4 坑底加固后基坑开挖引起的坑底土体竖向位移

基坑开挖面下方的土体为⑤1层砂质粉土层，属于较为软弱的土层，且具有一定的压缩性，为了减小基坑开挖后坑底土体产生较大隆起，考虑对坑底的土层进行高压旋喷桩满堂加固，加固深度为4 m。加固土的力学参数取值对于加固效果影响较大，根据加固方案既经济又有效的要求，一般认为注浆加固后加固土的压缩模量提高为原状土的1.5～2.0倍最合适。

由于上一节坑底隆起的计算结果较大，因此取加固土的压缩模量为原状土的2倍。加固土的力学参数具体如表4所示。

表4 加固土的力学参数

坑底加固后基坑开挖引起的坑底隆起如图9所示。

图9 坑底加固后坑底土体竖向位移

坑底加固后再进行基坑开挖，开挖到坑底后坑底隆起的最大值为27.3 mm。根据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》的规定，一级基坑的坑底回弹限值为25～35 mm，经过加固以后满足规范的要求。

4 结语

通过上述有限元模拟分析，可以得出以下结论：

1）基坑开挖时，自身围护最大水平位移出现在开挖面附近；当存在较为软弱的土层时，最大水平位移的位置会随开挖逐步上移。

2）利用既有地下结构作为组合围护的一部分，在基坑开挖中可以起到较好的效果。基坑开挖对紧邻既有地下结构造成的影响主要为竖向隆起，且最大点的位置在地下结构的底部附近，应在施工中加以重点关注。水平位移则相对竖向位移较小。

3）基坑开挖过程中容易引起开挖面底部土体的隆起位移，应采取满堂水泥土加固等措施以控制变形，在施工中应重点监测。

4）总体来说，基坑开挖施工对顶管工作井的影响大于进水泵房，施工时应对顶管工作井的位移和变形加以密切观测。