深基坑注水与水下开挖设计计算方法

邹志炎，刘盛林，张逸博，傅旭东; ZOU Zhiyan; LIU Shenglin; ZHANG Yibo; FU Xudong

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深基坑注水与水下开挖设计计算方法 PDF

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傅旭东 ¹
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1. 武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072； 2. 中交二公局第一工程有限公司，武汉 430055

中图分类号： TU473.2

最近更新：2025-07-16

DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2023.072

摘要

注水与水下开挖是一种新型基坑开挖方法，用于解决基坑地下水与江河水有稳定联系时传统的坑外降水与坑内排水方法无法实施的问题。提出深基坑注水与水下开挖的设计计算方法，结合钢板桩围堰深基坑工程，制定注水与水下开挖方案，建立数值模型研究深基坑先降水形成旱地工作条件开挖、再注水进行水下开挖、水下浇筑封底混凝土后再降水时所对应的支护结构受力与变形规律，并对注水高度进行优化。结果表明：先降水形成旱地工作条件时最大降水深度取决于坑底土体抗流砂、管涌的稳定性，开挖深度从2 m增加至7 m时，支护结构水平位移增加了53.6%，坑底塑性隆起量的最大值逐渐增大至59.0 mm；再注水进行水下开挖时，增加注水高度能有效减小坑底土体的隆起变形及支护桩的水平位移，临界注水高度为9 m，注水高度超过该临界值后，其抑制坑底和支护桩变形的效果会减弱。封底混凝土厚度取决于其抗浮稳定性和强度，钢板桩嵌固深度取决于水下浇筑混凝土后再降水工况下支护结构的整体稳定性。

关键词

深基坑; 钢板桩; 注水高度; 水下开挖; 数值模拟

随着中国高速铁路网、高速公路网的不断完善，跨江越湖的桥梁越来越多，在岸边陆地修建桥墩的明挖基础工程也逐渐增多。这些工程常采用降水开挖法、水下开挖法两种方法。降水开挖法能提供旱地工作条件，设置内支撑保证支护结构的稳定性，但当基坑地下水与江水或河水有稳定的水力联系时，坑外降水与坑内排水的难度极大，甚至难以实现，且基坑开挖到一定深度时坑内水位小于坑外水位较多，坑底容易发生管涌和流砂，地面也会发生沉降^[

1-6]。水下开挖法中坑内水位与坑外水位一般相差不大，保证了坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性，但在开挖过程中无法设置内支撑，浇筑封底混凝土再降水后，支护结构的稳定性难以达到规范要求。这两种传统的深基坑开挖方法均难以同时保证支护结构的稳定性和坑底地基土抗流砂、管涌稳定性。为解决这一问题，近年来探索了基坑注水与水下开挖这一基坑开挖新方法，为深基坑地下水问题的处理开辟了新途径^{[参考文献 7-8}7-8]。

基坑注水与水下开挖方法首先需要插打钢板桩，修建钢板桩围护结构，再进行基坑开挖。在基坑开挖深度较小时，通过坑内降水保证旱地施工条件；当基坑继续开挖至一定深度时，停止降水并向坑内注水，进行水下挖土；当开挖至设计深度后，水下浇筑封底混凝土；在封底混凝土达到设计强度后，再进行抽水，以形成旱地施工条件，进行明挖基础及桥墩的建设。该方法结合了降水开挖法能设置内支撑、造价低以及水下开挖能保证坑底地基土抗流砂、管涌稳定性的优点，解决了降水开挖降水困难、坑底容易发生管涌流砂和水下开挖支护结构失稳的问题，在岸边陆地明挖基础工程中具有良好的应用前景。

此方法中，钢板桩的嵌固深度t、封底混凝土厚度x和最大降水深度h'与注水高度H这4个指标决定了坑底地基土体抗流砂、管涌稳定性以及支护结构的稳定性，需要对其进一步研究。钢板桩的嵌固深度t不仅会影响支护结构的整体稳定性、受力与变形，还会影响坑底地基土的渗透变形。因此，t需满足整体稳定性和抗隆起稳定性要求^[

9]。汪新立^{[参考文献 10

百度学术}10]认为，对于多层支撑结构，可以采用等值梁法计算t；多层支撑支护体系中若支护结构具有足够的刚度，则只需要满足抗隆起要求。封底混凝土厚度及其与桩壁的粘结强度将影响封底混凝土的抗浮稳定性和强度。董广文^{[参考文献 11

百度学术}11]、崔清强^{[参考文献 12

百度学术}12]、Yang等^{[参考文献 13

百度学术}13]分别采用理论计算、模型试验、数值模拟的手段，提出了封底混凝土厚度的计算方法。Chen等^{[参考文献 14

百度学术}14]通过理论计算提出了一种考虑封底混凝土与支护结构粘结力强度的封底混凝土厚度计算方法，并认为封底混凝土与支护结构的粘结力需要依据不同的支护结构材料折减。降水深度是指降水后坑外水位与坑内水位的水位差。最大降水深度h'是指当基坑进行降水开挖、形成旱地施工条件时，坑底土满足渗透变形稳定性所对应的最大降水深度。达到该深度后，若基坑继续向下开挖，需向坑内注水及水下挖土，以避免发生管涌、流砂。注水高度H是指注水后坑内注水水位与最大降水水位的水位差，注水水位可用Δh来确定，Δh定义为坑外水位与坑内注水水位的水位差。李博^{[参考文献 15

百度学术}15]研究了开挖至坑底，坑内水位分别小于、等于、大于坑外水位时基坑支护结构的变形，结果表明，坑内水位越高，支护结构的变形越小，即使坑内水位高于坑外水位，支护结构的变形仍在减小。

上述研究主要结合实际工程对降水开挖方法中嵌固深度、水下封底混凝土厚度、基坑支护结构变形的计算方法进行了分析，但没有对基坑注水与水下开挖工法的设计计算方法进行系统研究。针对上述研究中的不足，笔者对基坑注水与水下开挖方法中钢板桩嵌固深度t、封底混凝土厚度x、最大降水深度h'与注水高度H这4个指标进行研究，并将相关成果成功运用于潜江汉江大桥主墩深基坑锁扣钢板桩围护结构的施工中；通过建立基坑降水分步开挖、注水水下开挖的有限元计算模型，研究基坑支护结构的受力与变形规律，并对注水高度进行优化。

1 基坑注水与水下开挖方案设计计算

1.1 基坑注水与水下开挖参数的确定

基坑注水与水下开挖法主要适用于在岸边陆地修建深基坑时基坑地下水与江水或河水有稳定的水力联系且土层为砂土的情况。设计计算时需保证支护结构的整体稳定性，坑底地基土的抗隆起、抗流砂、管涌稳定性以及封底混凝土的抗浮稳定性。其中，支护结构整体稳定性取决于钢板桩的嵌固深度t；坑底地基土的抗隆起稳定性取决于钢板桩的嵌固深度t、土层的物理力学特性及注水高度H；坑底地基土的抗流砂、管涌稳定性取决于最大降水深度h'和注水高度；封底混凝土的抗浮稳定性取决于封底混凝土的厚度x。综上，在基坑注水与水下开挖时，钢板桩的嵌固深度t、封底混凝土厚度x、最大降水深度h'与注水高度H四个参数的确定对支护结构的稳定性和施工安全性至关重要。

1.1.1 嵌固深度t

基坑注水与水下开挖时，为确定钢板桩的嵌固深度t，需要考虑以下两种工况。

工况1：坑内注水后水下挖土至开挖设计面处，此时坑内注水对钢板桩的变形有抑制作用，但开挖深度达到最大，为坑底地基土抗隆起稳定性的最不利条件，如图1所示。

图1 钢板桩嵌固深度设计计算

Fig. 1 Design of steel sheet pile embedded depth

工况2：混凝土封底后坑内抽水，此时封底混凝土形成强度，保证了坑底地基土抗隆起稳定性，但抽水后坑内注水对钢板桩变形的抑制作用消失，导致钢板桩的受力与变形增加，支护结构整体稳定性下降，为支护结构稳定性的最不利条件。

由此可知，满足基底抗隆起稳定性所需的嵌固深度t₁取决于工况1，满足钢板桩整体稳定性所需的嵌固深度t₂取决于工况2，可选取两种工况中最大的t值作为钢板桩所需的嵌固深度t。

1）嵌固深度t₁

基于规范^[

16]中坑底土的抗隆起稳定性验算方法，提出嵌固深度t₁的计算式，见式（1）~式（6）。

\frac{σ_{1} N_{q} + c N_{c}}{σ_{2}} \geq K

（1）

其中

N_{c} = (N_{q} - 1) / t a n φ

（2）

N_{q} = t a n^{2} (45 ° + φ / 2) e^{π t a n φ}

（3）

式中：K为抗隆起安全系数，安全等级为一级、二级、三级时，K分别不应小于1.8、1.6、1.4；c为土体黏聚力；φ为土体内摩擦角；N_c、N_q为承载力系数；e为自然常数；σ₁为坑内钢板桩底面高程处的土压力，可由式（4）计算；σ₂为坑外钢板桩底面高程处的土压力，可由式（5）计算。

σ_{1} = γ_{3}' t_{1} + γ_{0} (h - h_{w} - Δ h)

（4）

σ_{2} = γ_{1} h_{w} + γ_{2} (h + t_{1} - h_{w}) + q

（5）

式中：γ₃'为坑内开挖面以下土的浮重度，kN/m³；γ₀为水的重度，kN/m³；h_w为坑外水位的深度，m；h为基坑设计深度，m；γ₁为坑外水面以上土的天然重度，kN/m³；γ₂为坑外水面以下土的浮重度，kN/m³；q为地面均布荷载，kPa；Δh为坑外水位与坑内注水水位的水位差，m。

将式（4）、式（5）代入式（1），可得嵌固深度t₁需要满足的式（6）。

\frac{γ_{3}' t_{1} N_{q} + γ_{0} (h - h_{w} - Δ h) N_{q} + c N_{c}}{γ_{1} h_{w} + γ_{2} (h + t_{1} - h_{w}) + q} \geq K

（6）

2）嵌固深度t₂

混凝土封底后坑内抽水时，钢板桩嵌固深度的设计计算方法与常规降水开挖设计计算方法一致，考虑内支撑作用，计算时将其看作多跨梁，直接采用等值梁法进行计算，见式（7）。

t_{2} = 1.2 (u + t_{0})

（7）

式中：u为基坑底部至土压力零点的距离，m；t₀为土压力零点至弯矩零点的距离，m。

1.1.2 混凝土厚度x

基坑底部采用混凝土封底并抽干水后，封底混凝土底面将受到因水头差而产生的向上浮力，封底混凝土可能被水浮起，或者向上挠曲而折裂，因此，需要有足够的厚度来保证其旱地工作的安全。

作用在封底混凝土底面的浮力主要由封底混凝土的自重及封底混凝土与钢板桩的粘结力来平衡。为平衡浮力，封底混凝土的厚度需要满足式（8）~式（11）。

k = \frac{G + f}{F}

（8）

F=γ₀hs₁

（9）

f=μxC

（10）

G = γ_{4} x s_{1}

（11）

式中：k为抗浮安全系数，不小于1.1；G为封底混凝土的自重，kN；f为封底混凝土与钢板桩围堰的粘结力，kN；F为封底混凝土底面受到的浮力；s₁为封底混凝土的底面积，m²；C为围堰的周长；μ为单位面积混凝土与钢板桩的粘结力，kPa，水下浇筑混凝土取380 kPa^[

11]；γ₄为混凝土的重度，kN/m³。

1.1.3 最大降水深度h'

由于难以在水下设置内支撑结构，因此，需首先在坑内降水与分步开挖，以保证各道内支撑设置的旱地工作条件。

分步降水开挖过程中，一般将坑内水位降至分步开挖面以下0.5 m，最大的降水开挖深度h'取决于坑底土抗流砂、管涌的稳定性。降水开挖时基坑渗流是二维的，但可根据最不利情况，近似按沿板桩壁的一维渗流来计算坑底土抗流砂、管涌的稳定性，如图2所示。

图2 最大降水深度h′的设计计算

Fig. 2 Design of maximum dewatering depth h′

沿钢板桩壁的渗流渗透路径最短，且忽略沿钢板桩壁底部的水平渗透路径，渗透路径由式（12）计算。

L = L_{1} + L_{2}

（12）

式中：L为最短渗流路径流线总长度，m；L₁为坑外水位到钢板桩底面的距离，m；L₂为坑内水位到钢板桩底面的距离，m。

为保证坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性，最大降水深度h'需要满足式（13）~式（15）。

\frac{i_{c r, f}}{i} \geq K_{f}

（13）

i = h' / L

（14）

i_{c r, f} = \frac{G_{s} - 1}{1 + e}

（15）

式中：K_f为抗流砂管涌稳定性安全系数，规范中一般取2.0；i为坑底土的渗流水力坡度；h'为最大降水高度；i_cr，f为坑底土的渗流水力坡度。G_s为坑底土的颗粒比重；e为坑底土体的天然孔隙比。

1.1.4 注水高度

达到最大降水开挖深度后，若继续向下开挖，必须向坑内注水并进行水下挖土，则可以一次性水下挖土至坑底设计高程。注水后，坑内水位面可由Δh确定，如图3所示。注水高度H与Δh关系为

H = h - h_{w} - Δ h

（16）

其中，Δh需要满足式（17）~式（19）。

\frac{i_{c r, f}}{i} \geq K_{f}

（17）

i = Δ h / L

（18）

i_{c r, f} = \frac{G_{s} - 1}{1 + e}

（19）

图3 注水高度H的设计计算

Fig. 3 Design of water injection height H

1.2 基坑注水与水下开挖设计流程

基坑注水与水下开挖方法的施工流程分为插打钢板桩形成钢板桩围堰、降水形成旱地工作条件开挖、注水进行水下开挖、水下浇筑封底混凝土后再降水等4个步骤，如图4所示。

图4 基坑注水与水下开挖施工流程

Fig. 4 Construction process for deep foundation pit water injection and underwater excavation

根据基坑注水与水下开挖施工流程及其参数确定方法，提出基坑注水与水下开挖的设计流程：

1）根据式（6）、式（7）计算出钢板桩的嵌固深度t₁和t₂，取其中的最大值作为钢板桩的嵌固深度t，并根据基坑设计深度h确定钢板桩的总长度。

2）根据式（14）计算坑内降水开挖时的最大降水深度h'，并根据支撑道数确定分步开挖步数；分步开挖时，水位一般要降至开挖面以下0.5 m，以形成旱地工作条件，并设置对应的内支撑。

3）坑内降水达到最大降水深度h'后，需向坑内注水至设计的注水水位（可由Δh确定）后，进行水下一次性挖土至基坑底设计位置。

4）水下浇筑封底混凝土，待其达到设计强度后再进行抽水，以形成旱地施工条件，进行明挖基础及桥墩的建造。

2 基坑注水与水下开挖实际工程案例

潜江汉江大桥主墩锁扣钢板桩围堰深基坑工程采用坑内注水与水下开挖施工方法，制定并实施了如下施工方案。

2.1 项目简介

潜江汉江大桥由主桥、跨堤桥和引桥组成，全长2 460 m，其中主桥为双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥。主桥28#主墩钢板桩围堰深基坑长28 m、宽28 m，设计开挖深度为15 m，采用钢板桩支护。基坑位于河岸，基坑地下水与江水或河水有稳定的水力联系，采用传统施工方法进行坑外降水与坑内排水难度极大。

依据工程勘察报告，主桥28#主墩土层物理力学参数如表1所示。依据近5年水位变化统计，枯水期设计洪水位在27 m左右，因此本深基坑工程的施工水位取27 m。

表1 28#主墩土层物理力学参数

Table 1 Ssoil parameters of 28# main pier

土层	底面标高/m	重度γ/（kN/m³）	弹性模量E/MPa	泊松比μ	黏聚力c/kPa	内摩擦角φ/(°)
粉砂	20.54	19.0	40	0.34	0	14
粉质黏土	11.74	19.0	45	0.33	30	12
粉细砂1	5.84	19.0	45	0.30	0	17
粉细砂2	-4.86	19.5	50	0.29	0	35
圆砾	-32.76	21.0	200	0.25	0	45
粉细砂3	-61.36	20.0	55	0.26	0	44

2.2 施工设计方案

28#主墩承台锁扣钢板桩围堰顶标高31.0 m，底标高0.0 m。围堰内设置3道内支撑，内支撑标高分别为28.0、25.0、23.0 m，基坑开挖深度为15 m，钢板桩的嵌固深度为14 m，封底混凝土厚为2.5 m。设计的28#主墩围堰及内支撑结构如图5所示。

图5 主墩围堰及内支撑设置

Fig. 5 Cofferdam and inner support set of main pier

针对实际工程地质水文情况，设计深基坑水下开挖施工方案，对28#主墩承台水下基坑进行注水与水下开挖，具体施工方案如下：

1）插打钢板桩

将31 m长的钢板桩打入土层，形成钢板桩围堰，钢板桩顶部距离地面2 m。

2）降水开挖

完成钢板桩插打后，将坑内水位降低至标高26 m，再将基坑开挖至标高27.0 m，并在标高28.0 m位置安装第1道围檩及内支撑。

将坑内水位降低至标高23 m，再将基坑继续开挖至标高24.0 m，并在标高25.0 m位置安装第2道围檩及内支撑。

将坑内水位降低至标高21 m，基坑继续开挖至标高22.0 m，并在标高23.0 m位置安装第3道围檩及内支撑。

3）注水与水下开挖

向坑内注水，使坑内水位面高程为27.0 m，并将基坑一次性开挖至标高14.0 m。

4）水下浇筑混凝土后再降水

浇筑封底混凝土，待封底混凝土硬化后，抽空基坑内积水，然后开始28#主墩承台施工。

基坑开挖流程如图6所示。

图6 基坑开挖流程

Fig. 6 Foundation excavation process

2.3 稳定性计算

1）嵌固深度计算

当基坑水下挖土至水下开挖面，尚未浇筑封底混凝土时，需验算嵌固深度是否满足整体稳定性和基坑底部抗隆起稳定性。

a）整体稳定性验算

采用等值梁法验算基坑开挖15 m时钢板桩的稳定性，可得u=0、t₀=11.65 m、t₂=13.98 m，本方案钢板桩嵌入深度t=14 m，满足要求。

b）基坑底部抗隆起稳定性验算

锁扣钢板桩底部土层的黏聚力为0，内摩擦角为35°，γ₀=10 kN/m²，γ₁=19 kN/m²，γ₂=9 kN/m²，γ₃'=9.5 kN/m²，t₁=14 m，计算得到承载力系数N_q=33.2、N_c=46.0。由此可得其底部抗隆起稳定性系数

\frac{γ_{3}' t_{1} N_{q} + γ_{0} (h - h_{w} - Δ h) N_{q} + c N_{c}}{γ_{1} h_{w} + γ_{2} (h + t_{1} - h_{w}) + q} = 14.16 > 1.8

由此可知，锁扣钢板桩底部抗隆起安全系数满足要求。

2）最大降水深度h'与注水高度的验算

施工过程中最大降水深度h'=6 m，取土体G_s为1.9，e为0.6，可得到降水至标高21 m时的坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性系数。

i_{c r, f} = \frac{G_{s} - 1}{1 + e} = 0.562 5

i = h' / L = 0.125

\frac{i_{c r, f}}{i} = \frac{0.562 5}{0.125} = 4.5 > 2

由此可知，降水深度满足坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性要求。由于注水高度为13 m，坑内水位与坑外水位相平，不存在水头差，因此，坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性也符合要求。

3）封底混凝土厚度的验算

围堰长28 m，宽28 m，封底混凝土厚度为2.5 m，依据上述公式，验算封底混凝土的抗浮安全系数。

G = γ_{4} x s_{1} = 24 \times 2.5 \times 28 \times 28 = 47 040 k N

F = γ_{0} g h s_{1} = 10 \times 15 \times 28 \times 28 = 117 600 k N

f = μ x C = 380 \times 2.5 \times 28 \times 4 = 106 400 k N

k = \frac{G + f}{F} = 1.3 > 1.1

可见，混凝土的厚度满足抗浮稳定性要求。

3 钢板桩内力与变形及注水高度优化

依托潜江汉江大桥主墩锁扣钢板桩围堰深基础工程，利用数值模拟方法研究基坑注水与水下开挖方法中支护结构的水平位移、弯矩和坑底隆起的变形规律，并对注水高度进行优化。

3.1 数值模型与本构关系

1）数值模型

钢板桩围堰长28 m、宽28 m，设计开挖深度为15 m。结合已有工程经验，基坑开挖对周围土体的影响深度约为基坑深度的2~4倍，影响宽度约为基坑深度的3~4倍。在数值模型中，土体宽度取250 m，深度取60 m。数值模拟模型如图7所示。

图7 数值模拟模型

Fig. 7 Numerical simulation model

2）本构关系

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，模型参数如表1所示，支护结构采用弹性本构模型，结构材料参数如表2所示，在支护结构与两侧土体间设置线界面单元，使结构与土体间可以传递应力和变形。线界面单元用摩尔摩擦非线性界面模型，依据经验和类似工程参数，取法向刚度模量K_n=7 177.5 MPa，切向刚度K_t=652.5 MPa；依据表1中土层的物理力学参数，选取各土层的厚度、黏聚力、摩擦角参数。

表2 支护结构材料参数

Table 2 Material parameters of support structure

结构	重度γ/（kN/m³）	弹性模量E/MPa	泊松比μ	截面尺寸/m
围护桩	78.5	206 000	0.3	D=1.02
内支撑	78.5	206 000	0.3	D=0.82
封底混凝土	24.0	28 000	0.2	x=2.5

3）荷载与边界条件

在降水开挖阶段，将基坑内水位设置在开挖面1 m以下，在水下开挖阶段，考虑坑内水会对支护结构侧壁产生水压力，除设置坑底水头之外，还需将坑内水对支护结构的作用等效为三角形荷载，施加在支护结构上。基坑左右两侧边界条件为水平向约束u_x=0，底部边界条件为水平向约束u_x=0、竖向约束u_y=0。施工时起重机引起的地面超载为40 kPa。

4）封底混凝土的处理

封底混凝土的浇筑可以通过替换土体网格参数来实现。

5）工况与分析步

先给模型施加初始渗流场，然后平衡地应力，激活支护桩和地面超载，最后进行基坑注水与水下开挖的数值计算。数值计算包括3种工况及5个开挖步：坑内降水与开挖、坑内注水与水下开挖、浇筑封底混凝土并抽水，如表3所示。其中，D为围护桩或内支撑的直径；x为封底混凝土厚度。

表3 分步开挖与支护工况

Table 3 The conditions of step-by-step excavation and support

工况	阶段名称	具体操作
降水开挖	①降水开挖2 m	激活第1次降水水头，钝化第1层开挖土体，激活第1道撑
	②降水开挖5 m	激活第2次降水水头，钝化第2层开挖土体，激活第2道撑
	③降水开挖7 m	激活第3次降水水头，钝化第3层开挖土体，激活第3道撑
注水与水下开挖	④注水与水下开挖	激活坑内水头，钝化坑底设计面以上所有土体
水下浇筑混凝土后再降水	⑤浇筑混凝土与抽水	激活封底混凝土，钝化坑内水头

3.2 支护结构的内力与变形及坑底隆起

3.2.1 降水开挖

基坑进行了3次降水开挖，分别开挖至2、5、7 m。在这一过程中，支护桩结构的变形和坑底隆起如图8~图10所示。可见，在降水开挖阶段，随着基坑开挖深度的增加，支护桩向坑内的水平变形逐渐增大，当开挖至7 m时，桩顶水平位移达到10.3 mm，小于规范要求的40 mm。

图8 支护桩水平位移

Fig. 8 Horizontal displacement of the supporting pile

图9 坑底隆起变形

Fig. 9 Uplift deformation of pit bottom

图10 支护桩弯矩

Fig. 10 Bending moment of the supporting pile

随着开挖深度的增加，在8.5~17.26 m段钢板桩的弯矩方向发生了改变，这是由于该段支护桩处于黏土层，随着开挖深度的增加，基坑内上部土体被挖出，支护桩所受的内部土压力逐渐小于外侧土压力，从而改变了弯矩的方向。

在降水开挖阶段，坑底出现塑性隆起，隆起量两边大、中间小，随着开挖深度的增加，隆起量逐渐增大，最大为59.0 mm，小于规范要求的较大值60 mm（周边没有建筑物）。可以看出，若继续降水开挖，基底地基土隆起变形将超过规范要求，开挖至该深度时需停止降水开挖，向基坑内注水后再开挖。

3.2.2 注水与水下开挖

在开挖7 m后基坑停止降水，向基坑内注水至标高为27 m后，水下挖土至设计标高14 m位置。在这一过程中，支护桩结构的变形和坑底隆起如图11~图13所示。

图11 支护桩水平位移

Fig. 11 Horizontal displacement of the supporting pile

图12 坑底隆起变形

Fig. 12 Uplift deformation of pit bottom

图13 支护桩弯矩

Fig. 13 Bending moment of supporting pile

水下开挖完成后，水下开挖支护桩的水平位移随埋深的变化曲线整体趋势与降水开挖完成后（开挖7 m时）一致，但两者在数值上有明显区别，采用水下开挖时支护桩的水平位移明显降低，其最大值为6.9 mm，而采用降水开挖时支护桩的水平位移最大值为10.4 mm，比前者约大50.7%，水下开挖和降水开挖7 m工况下支护桩最大弯矩出现的位置相同，都在埋深6 m即第3道内支撑处，前者弯矩最大值为198.18 kN‧m，后者弯矩最大值为290.26 kN‧m。

水下开挖阶段的坑底隆起曲线与降水开挖阶段存在明显不同，坑底出现弹性隆起，其隆起量中间大、两边小，最大为47.7 mm，比前者降低约19.2%，小于规范要求的较大值60 mm。由此可知，采用水下开挖方法可以减小支护桩的变形，明显减小坑底隆起变形，对保证围护结构的安全有利。

3.2.3 水下浇筑混凝土后再降水

封底混凝土浇筑完毕后抽干基坑内的水，得到水下开挖施工完毕的位移云图，如图14、图15所示。

图14 基坑水平位移

Fig. 14 Horizontal displacement of foundation pit

图15 基坑竖向位移

Fig. 15 Vertical displacement of foundation pit

基坑开挖后，基坑外侧承受超载处土体的水平位移如图14中红色与蓝色部分所示，其值分别为11.5、-11.5 mm，大小相同，方向均朝向坑内。基坑外侧承受超载处土体发生沉降，沉降量为18 mm，如图15中蓝色部分。基坑坑底出现了弹性隆起，坑底中部隆起最高，最大隆起量为47.7 mm，小于规范要求的60 mm，如图15中的红色部分，呈中部大、两侧小的对称特征。从模拟结果来看，基坑的变形基本符合基坑开挖后的变形特征^[

17]。

3.3 坑内注水高度的优化

坑内注水高度是水下开挖方法的关键性技术指标。本工程基坑注水水位与坑外水位相同，即注水高度H=13 m。虽然保证了施工安全，但注水高度增加会加大水下施工难度，因此有必要对坑内注水高度进行优化，分别取注水高度H为7、9、11、13 m四种情况进行研究，对应的Δh分别为6、4、2、0 m。

不同注水高度下支护桩的水平位移曲线如图16所示，注水高度H由7 m变为13 m的过程中，支护桩的水平位移逐渐减小；H为7、9、11、13 m时，支护桩最大水平位移分别为19.3、12.1、8.9、6.9 mm，表明注水高度的升高对支护桩水平位移的限制作用较为明显。本工程中，注水高度H高于9 m时，继续增加注水高度对于支护桩的水平位移和桩身弯矩的减小作用逐渐减弱，表明注水高度存在一个临界值，超过这一临界值后，其作用效果会减弱，本工程可取H=9 m（对应的Δh为4 m）。

图16 不同注水高度下支护桩水平位移

Fig. 16 Horizontal displacement of supporting piles with different water injection heights

4 结论

1）降水水上开挖时，最大降水深度取决于坑底地基土抗流砂、管涌的稳定性；基坑分步开挖深度从2 m增加至7 m时，支护结构水平位移增加了53.6%，坑底塑性隆起量的最大值逐渐增大至59.0 mm，坑底隆起量两边大、中间小。

2）注水与水下开挖时，增加注水高度能有效减少支护桩的水平位移；存在一个临界注水高度，当注水高度超过该临界值后，其抑制支护桩变形的效果会减弱，对于本研究中的深基坑工程，该临界值为9 m（对应的坑外水位与注水水位的水头差Δh为4 m）。

3）相比降水水上开挖，注水与水下开挖的支护结构最大水平位移约减小了33.7%，坑底最大隆起约降低了19.2%，表明注水与水下开挖能有效减小支护结构的水平变形，有利于支护结构的稳定性。

4）封底混凝土的厚度取决于封底混凝土的抗浮稳定性和强度。这是由于封底混凝土底面的浮力主要由封底混凝土的自重和封底混凝土与支护结构的粘结力来平衡，增加封底混凝土的厚度不仅能增大封底混凝土的自重，还能增大封底混凝土与支护结构的粘结强度。

5）在中国首次采用该方法进行施工，工程时间紧迫，受汉江洪水位影响较大，未对支护结构的受力与变形等进行监测。但该工程成功实施的经验对类似工程具有参考价值，今后可通过现场足尺试验对其进行验证。

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