某軟土深基坑降水開挖地表沉降及影響因素分析

莊鈴強，吳能森*，余凌鋒，2，許旭堂，陳榕康，3

1.福建農林大學交通與土木工程學院，福建 福州350002；

2.福州三江口建設發展有限責任公司，福建 福州350018；

3.福建省建筑設計研究院有限公司，福建 福州350001

隨著地鐵建設的高速發展，地鐵深基坑工程日益增多。面對軟弱的地質環境，基坑降水開挖施工極易導致基坑外地表沉降，威脅周邊建（構）筑物的安全。因此研究軟土深基坑降水開挖的地表沉降規律，進而尋求有效的沉降控制措施，意義重大。關于數值模擬研究中的土體本構模型，宋二祥等［1-2］對比分析了常見模型在地下結構和基坑開挖數值分析中的適用性，表明修正摩爾-庫倫模型能更好反映應力路徑對土體變形特性的影響。在降水滲流數值模擬研究方面，馮曉臘［3］、裴桂紅［4］、盛建龍［5］、楊果林［6］、周勇［7］、林迪斯［8］、吳昊［9］等先后基于滲流-應力耦合理論進行基坑降水開挖工程模擬研究，模擬計算結果均與現場監測數據比較吻合，而未考慮滲流與應力耦合效應的計算值則差異較大。

為此，以福建濱海地區某地鐵車站深基坑降水開挖為工程背景，擬基于滲流-應力耦合理論和修正摩爾-庫倫本構關系建立深基坑降水數值模型，研究滲流-應力耦合下基坑降水開挖過程中孔壓變化及地表沉降，并分析土體及設計參數對地表沉降的影響。

1 工程概況

某地鐵站深基坑總長度345 m，寬度18.3～35.3 m，開挖深度16 m，采用地下連續墻+內支撐復合圍護結構。基坑工程范圍內自上到下主要巖土層為：1）雜填土，成分以黏性土、碎石及塊石回填為主，不均勻透水性強，揭露層厚1.00～2.00 m；2）淤泥質土1，成分以黏粒和粉粒為主，海積形成為欠固結土，揭露厚度為7.20～36.80 m；3）淤泥質土2，成分以黏粒、粉粒為主，海積形成為欠固結土，揭露厚度為2.50～20.70 m；4）粉質黏土，成分以黏、粉粒為主，沖洪積成因，揭露厚度為0.90～14.60 m；5）強風化花崗巖，巖體極破碎，揭露厚度為0.80～9.10 m。深基坑主體落在淤泥質土內。場地土層富存地下水，穩定水位埋深0.60～2.80 m，場地地下水與鄰近的閩江水具有較密切的水力聯系，水位高低受閩江水影響大。巖土層物理力學參數見表1。

工程按規范開展水位、圍護結構變形和地面沉降監測［10］：1）布置22口坑外水位觀測井，其中16口觀測潛水水位，6口進入碎塊狀強風化巖觀測孔隙承壓水水位；2）沿基坑周邊圍護結構每隔15 m布置1個地連墻測斜監測孔，同時在基坑每邊的中部及關鍵部位布設監測孔；3）在基坑邊緣地面每隔約15 m布置1排地面沉降觀測點，每排3個觀測點，距基坑邊緣依次為2.0，5.0，8.0 m。各監測點布置如圖1所示。

為獲得可靠的滲透系數和排水量等參數，利用現場水位監測井，按規范進行單孔非完整井穩定流抽水試驗，并根據試驗數據計算土層綜合滲透系數k［11］，取k=1 m/d。

表1巖土層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of geo-strata

圖1監測點布置Fig.1 Layout of monitoring points

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS/NX有限元軟件建立計算模型，如圖2所示。其中，土體本構為修正摩爾-庫倫模型，圍護結構采用彈性本構模型。考慮基坑開挖的影響范圍確定本模型的邊界大小為465 m×180 m×60 m［12］。采用板單元建立地連墻，地連墻兼做截水帷幕，通過析取面建立截水帷幕，地連墻與截水帷幕單元點中間用剛性網格連接。

圖2有限元計算模型Fig.2 Finite element calculation model

依據實際施工順序設置模擬工況，如圖3所示。其中，模擬工況設定中工況1為地應力平衡，工況2為地下連續墻施工，后續工況均為先基坑降水再進行開挖與內支撐、圍檁施工。各工況下水位通過設置節點水頭差進行模擬，采用“應力-滲流-邊坡”求解算法對模型施工過程進行應力-滲流耦合分析及穩定分析［8］。

圖3施工工況模擬Fig.3 Construction process simulation

2.2 模型驗證

通過對比實際監測數據與數值模擬結果，驗證有限元模型的準確性。地連墻測斜管監測點QCX13和QCX33的監測數據與其對應位置數值模擬結果的對比見圖4；3個同排地表沉降監測點DBC33-1、DBC33-2和DBC33-3的監測數據與其對應位置數值模擬結果的對比見圖5。

由圖4和圖5可見，地連墻位移和地面沉降的數值模擬與監測結果趨勢一致，數據也較吻合，表明該有限元模型較為合理可靠。地連墻位移計算值總體略小于監測值，而地表沉降的計算值大于監測值，可能是由于默認支撐與地連墻剛接，致使圍護結構體系剛度偏大。

圖4地連墻位移對比：（a）QCX13，（b）QCX33 Fig.4 Comparison of slurry-wall displacement：（a）QCX13，（b）QCX33

2.3 降水開挖過程中孔壓及地表沉降分析

2.3.1 孔壓分析通過有限元分析獲得基坑開挖后的地下水滲流路徑圖（圖6）和5個降水開挖工況的孔隙水壓力變化云圖（圖7）。由圖6可知，基坑內降水開挖后，在止水帷幕作用下基坑周邊水體通過滲流作用往基坑底部匯聚，水體滲流路徑呈明顯的降落漏斗形，與文獻［13］中的現象相似。由圖7可知，隨著坑內水位降低，基坑周邊表層土體的孔隙水壓力逐漸消散，孔壓變化隨深度而減小，鄰近坑底及以下土體的孔壓基本保持不變。坑底的等孔壓線為下凹型弧形曲線，隨工況推進下凹弧度逐漸變大，等孔壓線與水體滲流路徑相吻合。

圖5地表沉降對比：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3Fig.5 Comparison of ground settlement：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3

圖6地下水滲流場Fig.6 Groundwater seepage field

2.3.2 地表沉降分析通過有限元分析獲得基坑降水開挖過程中地表的沉降數據（圖8）。由圖8（a）可知，除第1次降水開挖因數量少且時間短，基坑周邊無明顯地表沉降外，之后各次降水開挖基坑周邊地表沉降曲線均呈“勺形”；隨降水開挖依次遞進，基坑周邊地表沉降及影響范圍隨之擴大，最大沉降點逐漸向遠離基坑方向移動，與基坑的距離大約為降水深度的1.0～0.75倍（遞減），至第5次基坑開挖后，基坑周邊地表最大沉降量為28.63 mm，與基坑邊緣距離約13 m。

分析各次降水開挖之間的最大沉降增量ΔSmax與其降水開挖深度增量ΔH的數量關系，表明ΔSmax～ΔH呈正相關性，且ΔSmax/ΔH隨ΔH增大而增大。分析第2次～第5次降水開挖之間的沉降與孔壓二者增量比的關系，顯示地表沉降的增量比與孔壓的負增量比接近，如圖8（b）所示，說明該基坑圍護結構剛度大，基坑周邊地表沉降主要是因降水致土層孔壓消散的結果。

2.4 土體及設計參數對地表沉降的影響

圖7各工況孔隙水壓力云圖：（a）工況3，（b）工況4，（c）工況5，（d）工況6，（e）工況7Fig.7 Pore water pressure nephograms under various working conditions：（a）condition 3，（b）condition 4，（c）condition 5，（d）condition 6，（e）condition 7

圖9土體及設計參數對地表沉降的影響：（a）滲透系數，（b）降水深度，（c）各降水深度下最大沉降，（d）降水速率，（e）回灌措施Fig.9 Effects of soil and design parameters on ground settlement：（a）permeability coefficients，（b）precipitation depths，（c）maximum settlement under various precipitation depths，（d）precipitation rates，（e）recharge measures

2.4.1 土體滲透系數對地表沉降的影響通過改變模型中土層的滲透系數，研究土體滲透系數變化對基坑周邊地表沉降的影響，結果如圖9（a）所示。由圖9（a）可知，在第5次降水開挖后，以土層滲透系數k為0.01 m/d為基準，當k分別增大為0.05，0.1，1.0，10 m/d時，距基坑10 m處的地表沉降量分別約增大20%，46%，93%，133%，可見基坑外地表沉降受滲透系數影響較大，而且地表沉降的有效影響范圍也隨滲透系數的增大而增大。

2.4.2 降水深度對地表沉降影響通過改變模型中的最終降水深度，研究基坑降水深度對基坑周邊地表沉降的影響，結果如圖9（b，c）所示。由圖9（b，c）可知，基坑周邊地表沉降隨基坑最終降水深度的增大而增大，基坑最終降水深度與地表最大沉降量近乎呈線性關系，降水深度每增加1 m，相應地表最大沉降量約增加2 mm；當降水深度達到20 m及以上時，基坑周邊地表的最大沉降量將超過規范要求的30 mm限值［14］。

2.4.3 降水速率對地表沉降的影響通過建立不同降水歷時的數值模型，研究不同降水速率對基坑周邊地表沉降的影響，結果如圖9（d）所示。由圖9（d）可知，降水歷時大于10 d時，基坑周邊地表沉降符合規范要求；反之，基坑周邊地表最大沉降不滿足規范要求。當降水歷時為20 d與30 d時，二者的沉降曲線基本重合，說明土體在20 d前基本完成初期固結，即降水歷時在10～20 d之間取值較合理。

2.4.4 回灌對地表沉降影響在實際工程中，通過設置止水帷幕無法完全截斷基坑內外的水力聯系，基坑內降水開挖，依然會使基坑外水頭降低，從而導致基坑外地表發生沉降。為有效控制基坑外地表沉降，通常在基坑外設置回灌井來控制坑外水位與地表沉降［15-16］。

模擬在地表沉降最大點附近進行回灌，研究回灌措施對坑外地表沉降的影響，結果如圖9（e）所示。由圖9（e）可知，采取回灌措施后基坑周邊地表的最大沉降計算值為21.13 mm，比無回灌措施時的28.63 mm減小26.2%，表明采取回灌措施對控制地表沉降有明顯效果。

3 結論

通過對軟土層中深基坑降水開挖過程中，水體滲流路徑、孔壓變化、地表沉降的數值模擬研究，以及土體滲透系數及降水深度、降水速率等設計參數對地表沉降的影響分析，得到以下結論：

1）基坑降水開挖后，地下水滲流路徑呈明顯的降落漏斗形；基坑周圍土層的孔壓消散變化隨深度而減小，坑底的等孔壓線為下凹型弧形曲線，其下凹弧度隨降水逐漸變大。

2）降水開挖引起的基坑周邊地表沉降曲線均呈“勺形”；隨著降水開挖深度的增加，地表沉降曲線的最大沉降點逐漸向遠離基坑方向移動，最大沉降點與基坑的距離大約為降水深度的1.00～0.75倍；單位降水開挖深度引起的地表最大沉降增量隨降水開挖深度增量的增大而增大，建議控制每次降水開挖深度的增量不宜過大。

3）基坑外地表沉降受滲透系數影響較大，沉降大小及其有效影響范圍隨滲透系數的增大而增大；基坑周邊地表沉降隨基坑降水深度的增大而增大，基坑最終降水深度與地表最大沉降量近似呈線性關系，降水深度每增加1 m，相應地表最大沉降量約增加2 mm；過快降水會導致基坑周邊地表發生較大沉降。建議在實際工程中結合原位抽水試驗，謹慎設計降水深度與降水時間，對降水開挖深度大的基坑可考慮采取回灌措施緩解基坑周邊地表沉降。