富水軟土地區不同降水開挖工況下深基坑變形研究*

李曙光，吳應明，王洪坤

(中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，地鐵車站向著深、長、大的方向發展，深基坑工程在城市軌道交通建設中更加普遍[1-3]。而在我國南方富水軟土地區進行深基坑作業前，為營造一個干燥的施工環境，現場常采取基坑降水的方式控制地下水的影響。富水軟土地區地鐵車站基坑降水及開挖共同作用下引起的基坑及周圍土層的變形規律和影響因素成為城市軌道交通建設的關鍵。

目前，對于深基坑降水開挖滲流的研究已取得了較多成果。Helm等[4]發現地下水滲流運動會導致土體中應力的變化，進而引起基坑周圍地表沉降。紀佑軍等[5]通過對基坑工程中滲流場、應力場耦合作用下的地下水滲流有限元模擬計算，研究了基坑降水過程中地下水運動情況，得到基坑開挖時周邊土體變形規律和幾種在開挖過程中可能出現的破壞形式。霍潤科等[6]借助現場監測數據，運用PLAXIS有限元軟件，分析得出深基坑開挖進程中土體和支護結構的變形規律。周勇、陳永才等[7-8]研究了基坑開挖降水進程中周邊地下管道的位移，借助ADINA有限元軟件建立三維模型，通過有限元分析和現場監測數據，得到了地下管道的變形規律。張剛等[9]通過對上海某基坑工程降水引起的地表沉降進行現場試驗研究，通過現場監測數據分析得到地下水滲流和地表沉降規律，運用數值模擬方法，計算基坑降水過程中地面沉降情況及沉降影響范圍。

在分析以往案例經驗和科研成果的基礎上，本文以蘇州市軌道交通S1線帆路站深基坑施工項目為例，通過有限元分析軟件MIDAS GTS/NX數值模擬，考慮了一次降水和分步降水兩種開挖工況，重點分析基坑降水開挖過程中地下連續墻變形、基坑周圍地表沉降、支撐軸力的變化規律，為工程的順利施工提供指導。

1 工程概況

蘇州市軌道交通S1線，呈東西走向，全長41.27km。全線共設28座車站，全部為地下車站，線路西起蘇州工業園區陽澄湖半島南側的唯亭站，東至昆山花橋鎮的花橋站，途經蘇州工業園區、滬寧城際鐵路陽澄湖站、昆山主城區、滬寧城際鐵路花橋站、昆山花橋鎮。S1線平均站間距1.502km，最大站間距4.215km，為陽澄湖南站—漁家燈火站，最小站間距0.923km，為祖沖之路站—文化藝術中心站。

S1線帆路站基坑主體長度503m，建筑面積27 616.2m2，因車站基坑體量較大，如對整個基坑工程進行數值模擬過于復雜，也不利于分析研究，故選取具有代表性的5號基坑～軸標準段進行三維數值建模分析。此處基坑深度17.86m，采用地下連續墻加內支撐的圍護方案，共有5層內支撐，第1層內支撐為混凝土支撐，其余為鋼支撐，基坑支撐剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護結構剖面

該基坑屬于蕭紹沖海相沉積平原地貌單元，地表水發育，主要為梅山江支流和鵝池溇，水面高程約3.000m，水深1.5～2.0m；地下水類型主要是第四紀松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水；基坑開挖范圍地層土體復雜，簡化后的土體材料參數如表1所示。

表1 建模土層物理參數

2 不同工況基坑降水數值模擬

2.1 數值模型建立

為有效表達基坑降水開挖過程中坑外地表沉降和圍護結構的變形規律，且不影響計算結果的前提下，對數值模型進行簡化，具體假定如下。

1)在基坑降水開挖過程中，地下水符合達西定律，且各層土x，y，z方向的滲透系數是定值，不隨時間和空間改變。

2)根據施工現場工況，模擬降水工況不考慮降水井的位置和降水速率，采用水頭邊界條件模擬降水。

3)基坑降水開挖過程中不考慮動荷載對土體性質的影響，初始應力場分析只考慮自重。

數值模擬中考慮水頭邊界條件，MIDAS GTS/NX軟件通過節點水頭定義地下水水位，通過設置節點水頭位置，隨著基坑開挖進程即時激活和鈍化節點水頭，實現模擬基坑降水的目的。實際基坑尺寸為30m(長)×22.7m(寬)×17.86m(深)，根據基坑影響分區(見表2)，最終確定數值模型的幾何尺寸為163m(長)×30m(寬)×67m(高)。表2中，H為基坑設計深度(m)，φ為土體內摩擦角(°)；表中0.7H或H·tan(45°-φ/2)取較大值。土體及基坑的幾何模型如圖2所示。

表2 基坑工程影響分區

2.2 兩種不同降水工況

2.2.1一次性降水工況

一次降水工況采用修正-本構模型，在滲流應力耦合狀態下進行計算。基坑在開挖之前進行預降水，將基坑內地下水的水位一次性降到底板以下1m的位置，然后再依次開挖。計算模型共劃分成19 199個節點，24 257個單元，基坑模型網格劃分如圖3所示。

圖3 一次性降水工況模型網格劃分

2.2.2分步降水工況

與一次降水工況相同，分步降水數值模型中同樣采用修正莫爾-庫倫本構模型，在滲流應力耦合條件下進行計算，相應的材料參數、材料屬性不改變，修改水頭邊界條件，進行6次降水、6次開挖。6次降水的深度分別為-2，-6，-9.6，-12.76，-15.76，-18.86m，6次開挖深度分別為-1，-4，-8.6，-11.76，-14.76，-17.86m。分步降水開挖節點水頭邊界條件模型如圖4所示。

圖4 分步降水開挖水頭邊界模型

3 有限元計算結果對比分析

3.1 一次性降水對圍護墻體變形影響分析

基坑一共有5道內支撐，包括1道鋼筋混凝土支撐和4道鋼支撐，內支撐軸力隨著基坑開挖的進程在不斷的變化波動并逐漸趨于穩定，而數值模擬基坑開挖時內支撐是一次性激活受力，消除了現場施工中內支撐施工的時空效應，數值模擬中只能得到每次開挖工況下所對應內支撐的支撐軸力，通過單元結果提取功能，提取各開挖工況下5道內支撐軸力，繪制成變化曲線如圖5所示。

圖5 內支撐軸力變化曲線

由圖5可知：第1道混凝土支撐安裝完成時支撐軸力是580kN，隨著基坑開挖的進程，到第2道鋼支撐安裝完成前，第1道混凝土支撐軸力迅速增大到2 785kN，而在第2道鋼支撐安裝完成之后混凝土軸力減小至1 145kN，這是由于在第2道鋼支撐安裝之前第1道混凝土支撐為主要受力結構，當第2道鋼支撐安裝之后，分擔了混凝土支撐承受的側向水土壓力，所以混凝土軸力減小，后續的開挖中規律相同。

而混凝土支撐在第2道鋼支撐施工完成后就開始減小，到開挖工況4時減小成負值，可能由于隨著基坑的開挖，地下連續墻的變形增大使得墻體頂部受到拉力所致。其余4道鋼支撐軸力在增大到一定值后就趨于穩定，第2～5道鋼支撐軸力最大值為1 204，1 276，843，975kN，5道支撐在開挖期間均未超過軸力設計控制值，但現場施工中仍要密切關注混凝土支撐內力變化所帶來的影響。

3.2 不同降水工況圍護墻體變形分析

兩種工況開挖至-1m和-17.86m時地下連續墻變形位移曲線如圖6所示。

圖6 兩種工況地下連續墻水平位移

由圖6可知：一次性降水開挖工況的墻體位移最大值為44.63mm，分步降水開挖工況的墻體位移最大值為38.81mm，減小5.82mm，約降低13.04%，說明在基坑降水方案中，分步降水開挖對基坑圍護結構變形影響相對較小。

一次性降水開挖工況下第1次開挖后的地下連續墻位移最大值是11.99mm，約占最終開挖完成后最大位移值的26.86%，開挖完成后的最大值是44.63mm；分步降水開挖工況下第1次開挖后的地下連續墻位移最大值是7.84mm，約占最終開挖完成后最大位移值的20.2%，開挖完成后的最大值是38.81mm。說明一次性降水及分步降水對基坑開挖后圍護結構變形均有很大的影響，因此在現場施工中應引起重視，條件允許的情況下盡可能采用分步降水開挖方案。

3.3 不同降水工況對地表沉降影響分析

兩種工況開挖至-1m和-17.86m時周圍地表沉降曲線如圖7所示。

圖7 兩種工況周圍地表沉降曲線

從圖7可以得出，分步降水開挖工況下模擬值均小于一次性降水開挖工況下的地表沉降值，地表最大沉降點出現在距基坑邊緣5～15m。一次性降水開挖工況地表沉降最大值為33.45mm，分步降水開挖工況地表沉降最大值為28.04mm，減小5.41mm，約降低16.2%。

一次性降水開挖工況中第1次開挖后的地表變形最大值是11.52mm，約占最終開挖完成后最大位移變形值的34.5%，開挖完成后的最大值是33.45mm；分步降水開挖工況中第1次開挖后的地表變形最大值是8.84mm，約占最終開挖完成后最大位移變形值的31.5%，開挖完成后的最大值為28.04mm。

總體而言，降水開挖對基坑周圍地表沉降影響同地下連續墻變形類似，一次性降水開挖工況下對基坑變形的影響要遠大于分步降水開挖工況。因此，在現場施工中應重視降水方案設置的合理性，加強在降水過程中對基坑的監測工作，且在條件允許的情況下盡量采用分步降水開挖方案，減小降水對基坑的影響，保證現場施工安全。

4 現場監測

4.1 地下連續墻位移分析

車站共設置了51個地下連續墻深層水平位移的測斜監測點(ZQT)和34個土體深層水平位移的測斜監測點(TST)，選取墻體西側測點ZQT19，TST11，提取各監測點的實測數據，繪制監測孔不同深度位置的地下連續墻和土體深層位移隨基坑開挖深度的變化關系曲線，如圖8所示。

圖8 ZQT19墻體水平位移曲線(左)和TST11土體水平位移曲線(右)

通過圖8可以看出，地下連續墻體水平位移呈“勺”形曲線，墻體水平位移沿著墻體深度方向先增大，達到峰值點后逐漸減小最后趨于穩定。隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移最大值不斷增加，同時向下移動，ZQT19處開挖的位移最大值為8.87，17.91，31.88，42.59，47.28，53.13mm，土體深層累計水平位移最大值57.03mm，超過了紅色預警值，土體最大水平位移的位置和墻體一致，并且在不同開挖工況下土體深層水平位移均大于地下連續墻的位移，原因可能是土體性質較軟，易壓縮，在地下水位下降并且基坑開挖的情況下，土體中應力重新分布，擠壓土體使得土體向基坑一側移動，引起土體深處水平位移增大。

4.2 周圍地表沉降分析

車站共設置了226個地表豎向位移監測點，監測點數量比較多，現選取墻體東側測點DBC31，提取各監測點的實測數據進行分析。為了全面反映地表豎向位移的變化規律，5個測點位置不等距，且距基坑邊緣由近及遠分別為2，5，15，30，50m。整理所選監測點的數據，可得到每個監測點處地表累計沉降值隨基坑降水開挖工況的變化關系和基坑不同開挖時期不同位置監測點處地表累計沉降值與距基坑邊緣距離的關系，如圖9所示。

由地表沉降變化曲線可得監測點沿著遠離基坑方向沉降值先迅速增加后減小最后趨于穩定，距基坑邊緣較近和較遠處土體累計沉降值小，距基坑5～15m的范圍內土體累計沉降值最大，說明不同開挖深度下土體最大沉降值不在墻體的邊緣處，而是在距墻體有一定距離的位置。由地表沉降時程曲線可得，在基坑開挖初期，地表沉降量較小，變形主要在基坑邊緣處，隨著基坑開挖深度的增加，地表累計沉降值逐漸增加，地表沉降量最大值出現在距離基坑邊緣5m處，最大累計沉降值為28.01mm，滿足規范設計要求的不超過0.2%H(35.72mm)。

4.3 支撐軸力分析

車站共設置了32組軸力監測點，選取監測點ZCL24，ZCL24-1是第1道混凝土支撐軸力監測點，ZCL24-(2～5)是第2～5道鋼支撐軸力監測點，提取監測數據進行分析，支撐軸力時程曲線和地下連續墻頂水平位移時程曲線如圖10所示。

圖10 ZCL24支撐軸力時程曲線和地下連續墻頂水平位移時程曲線

由圖10可知：在基坑開挖初期，第1道混凝土支撐軸力較小，隨著基坑開挖的進行，軸力迅速增大，當開挖至第2道鋼支撐位置時，軸力達到峰值3 441.4kN，隨著第2道鋼支撐的架設，混凝土支撐軸力逐漸減小，隨著基坑繼續開挖和鋼支撐架設，第1道混凝土支撐軸力持續減小，開挖至距基坑底部4～5m左右時，混凝土支撐軸力變為負值，最小值為-1 188kN，且逐漸穩定在300～600kN范圍內。驗證了深基坑支護第1道支撐用混凝土材料而不用鋼支撐，防止鋼支撐由于受到拉力節點破壞而掉落，從而發生事故。其余4道鋼支撐軸力隨著基坑開挖深度的增加呈現出先增大后趨于穩定的規律，第2～5道鋼支撐的最大支撐軸力分別是1 551，2 062，776，1 130kN，均在控制范圍內。

5 結語

1)地下連續墻的變形隨深度增加逐漸增大，后逐漸減小直至趨于穩定，變形呈中間大、兩頭小的“勺”形曲線。隨著基坑開挖，墻體最大水平位移值不斷增大，最大位移由墻體中上部向中下部移動，每一開挖工況下的最大位移均在開挖面附近。

2)基坑周圍地表沉降分布形態符合沉降槽曲線，基坑降水開挖影響范圍符合設計要求。隨著基坑降水開挖的進程地表沉降最大值在各開挖工況下逐漸增大，僅在小范圍波動，沉降值均在基坑設計控制范圍內。

3)分步降水開挖工況下地下連續墻水平位移最大值下降13.04%，周圍地表沉降最大值下降16.2%，均較一次性降水小。表明分步降水開挖對基坑變形的影響較小，在現場施工中盡量采用分步降水開挖方案。

4)通過對施工現場地下連續墻變形、基坑周圍地表沉降、支撐軸力的監測數據進行分析，地下連續墻深層水平位移最大值為53.13mm，基坑周圍地表沉降最大值為38.39mm，第1～5道內支撐軸力最大值分別為3 441.4，1 551，2 062，776，1 130kN，其變化規律同數值模擬結果具有較好的吻合度，驗證了數值模擬的準確性。