富水地層基坑群開挖降水及水位變動影響研究

唐 林，崔立根，王經倫，朱利明，邵毅安

(1.江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210003； 2.南京工業大學，江蘇 南京 210009)

1 概述

如今在城市出現了越來越多的基坑群項目，確定基坑群施工對基坑本身和周圍環境產生的影響是至關重要的。陳湘桂[1]從不同開挖順序對不同位置深層位移的影響分析，后開挖基坑對先開挖基坑支護結構變形研究和不同的開挖順序對周邊地表沉降的影響分析3個方面進行研究，得出了相應結論。沈健[2]利用三維數值模擬，分析得出基坑工程群開挖對坑外環境、圍護結構受力分布均存在一定影響，對相鄰基坑之間疊加影響區域采取重點控制措施。凌宏[3]通過對某地鐵站基坑圍護結構水平位移監測數據進行分析，總結出在含水豐富地區，復雜的超大深基坑開挖，具有明顯的時空效應。支撐若不能及時施工，會導致土體的蠕變變形。周冠南[4]通過現場監測數據對逆作法基坑開挖的時空效應進行分析，得出軟土地層基坑施工過程中產生的坑角效應和長邊效應較為突出，地連墻最大水平位移出現在長邊跨中的位置且地連墻變形量主要發生在相應位置的土體開挖前。

綜上所述，相關學者對基坑群的研究多采用的是數值模擬的方法。基坑群開挖是比單個基坑開挖更為復雜的工程，多個基坑施工相互之間產生影響。不同水文、工程地質條件下基坑群開挖的影響也各不相同，在富水環境下相互作用尤為顯著，所以富水地區基坑群施工會使周圍土體產生復雜變形[5]。如今對于富水地層基坑群的研究相對較少，本文以數值模擬為基礎，研究了富水地層基坑群開挖對周圍環境的影響，為類似工程提供參考。

2 工程概況

杭州市蕭山區錢江世紀城民祥路市政道路工程，依次下穿滬昆鐵路、滬昆高鐵(杭深鐵路)橋，下穿采用頂進箱涵形式，分別新建7 m，7.5 m+8 m，7.5 m+8 m，4 m共四組6孔框架，頂進下穿滬昆鐵路。施工中頂進工作坑和U型槽均需進行基坑開挖，一共有7個基坑，由滬昆鐵路西側4個基坑和東側3個基坑組成，滬昆鐵路西側基坑由北到南分別為1號，2號，3號，4號基坑，滬昆鐵路西側基坑分別為5號，6號，7號基坑。

1號基坑坑深4.8 m；2號基坑坑深7.1 m；3號基坑坑深7.1 m；4號基坑坑深2 m；5號基坑坑深4 m；6號基坑坑深4.6 m；7號基坑坑深4.6 m。

1號，2號，3號坑南北東三面均采用φ1 200 mm～φ1 500 mm鉆孔灌注樁+3排φ800 mm高壓旋噴樁，其中鄰近鐵路側選用大直徑灌注樁，西面為φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁+1排φ850 mm高壓旋噴樁。4號坑南北側為拉森Ⅳ形鋼板樁+1排φ800 mm高壓旋噴樁，東西側另增φ1 200 mm鉆孔灌注樁。5號坑采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+拉森Ⅳ形鋼板樁+1排φ700 mm雙軸攪拌樁。6號,7號坑與5號支護形式相似。

項目下穿滬昆高鐵(杭深鐵路)橋梁為32 m簡支梁，相交處鐵路里程為K164+994.3，在5號基坑U型槽處高鐵橋墩距U槽最近距離4.65 m，高鐵橋梁底距地面7.997 m～8.868 m。

滬昆鐵路與民祥路交叉處，線路平面為緩和曲線，該線為雙線電氣化鐵路，線間距在4.25 m～4.33 m，鐵路軌面標高10.04 m～10.07 m，路基填方高度在3 m左右，工作坑距離既有鐵路最近距離約為1.6 m。基坑群與鄰近鐵路及橋梁位置關系圖如圖1所示。

3 地質和水位概況

基坑群位于沖洪積平原區，場區地貌為沖洪積平原，場地土分別為①-0雜填土、①-1黏質粉土、②-1砂質粉土、②-2黏質粉土、②-3淤泥質黏土、③-1粉質黏土，④-1粉砂、④-2圓礫為Ⅴ級圍巖。

該地區平原地貌，常年流量平穩，洪水期流量大，流速不大。地下水為松散巖類孔隙水，可劃分為第四系孔隙潛水和第四系孔隙承壓水兩類，地下水位埋深較淺，水位埋深0.4 m～1.30 m，其富水性和透水性具有各向異性，受沉積層理影響，一般透水性水平向大于垂直向，水位受季節影響明顯，水位動態變化較大，地下水位年變化幅度1.0 m～2.0 m左右，豐水期水位接近地表。

4 數值模擬

4.1 有限元模型的建立

使用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件建立模型，模型示意圖如圖2所示。

3D單元中，土層采用修正摩爾庫侖模型，計算參數選取見表1，橋墩和承臺采用彈性模型，使用C35混凝土材料，鐵路路基采用老路基參數[6]；2D單元地連墻采用彈性模型，使用C30混凝土材料；1D單元中，冠梁、混凝土支撐和高鐵橋梁樁基均采用彈性模型，使用C35混凝土材料[7]。

該模型中四周施加位移約束，為在計算模型中考慮樁土耦合作用，土體與橋梁樁基的接觸面添加了界面單元，地連墻和土體之間添加止水帷幕和剛性連接[8-9]。土層初始地下水位設置在地下0.85 m處。

表1 場地土層參數

4.2 施工工況模擬

富水地層模擬工況與實際工況相對應，施工工況通過單元的激活和鈍化來模擬，基坑開挖前先降水至開挖面下1 m，基坑開挖均一次性開挖至坑底。具體施工工況如下：初始滲流場分析→初始應力場分析→橋梁、鐵路和既有U型槽施工→基坑圍護結構和止水帷幕依次施工→1號基坑降水及開挖→3號基坑降水及開挖→2號基坑降水及開挖→5號基坑降水及開挖→7號基坑降水及開挖→6號基坑降水及開挖→4號基坑降水及開挖。無水地層不設置降水工況。

5 計算結果分析

5.1 基坑群開挖變形分析

為了研究富水地層基坑群開挖的影響，本項目主要對比了單一基坑和基坑群在無水條件下和在富水條件下開挖鄰近橋梁墩柱的沉降、鐵路路基的沉降和周邊地表沉降。實際施工工況先開挖1號基坑，故富水地層和無水地層一號基坑(開挖深度H1為4.8 m)開挖完成時，到1號基坑0.5倍，1倍，1.5倍，2倍，2.5倍，3倍，4倍，5倍H1距離時候，地表沉降如表2所示。

表2 1號基坑開挖完成1號基坑周邊地表沉降 mm

富水地層和無水地層，基坑群開挖完成時，到基坑深度最大的3號基坑(開挖深度Hmax為7.1 m)0.5倍，1倍，1.5倍，2倍，2.5倍，3倍，4倍，5倍Hmax距離時候，地表沉降如表3所示。

表3 基坑群開挖完成3號基坑周邊地表沉降 mm

單一基坑及基坑群開挖周邊地表沉降見圖3，圖4。

考慮到模型中模擬結果的相似性，橋梁結果標記點均選取在橋墩上方靠近鐵路路基一側上，由北向南依次為橋墩141號，142號，143號，144號，145號；路基與6號基坑、7號基坑之間均有既有U型槽，開挖6號基坑和7號基坑對路基的影響較小，故只分析路基頂面西邊線沉降值。基坑群開挖涉鄰近橋梁墩柱沉降和路基頂面西邊線沉降如圖5～圖7所示。

由表2,表3,圖3,圖5～圖7的計算結果可以看出：

1)富水地層基坑開挖對周邊地表及構筑物的影響均比無水地層大，這是由于富水地層開挖基坑需先進行坑內降水，降水會導致水位下降，土體孔隙水壓力降低，有效應力增加，使土層受力發生壓縮變形。2)無水地層單一基坑開挖完成時，在周邊地表2倍開挖深度內變形較大，大于2倍開挖深度處地表沉降趨于穩定；富水地層單一基坑開挖完成時，在周邊地表4倍開挖深度內變形較大，大于4倍開挖深度處地表沉降趨于穩定；無水地層基坑群開挖完成時，在基坑開挖深度最大的基坑周邊地表2.5倍開挖深度內變形較大，大于2.5倍開挖深度處地表沉降趨于穩定；富水地層基坑群開挖完成時，在基坑開挖深度最大的基坑周邊地表5倍開挖深度內變形較大，大于5倍開挖深度處地表沉降趨于穩定。3)141號墩和142號墩距離5號基坑分別為4.65 m和4.73 m，故在兩種地層條件下均受基坑群開挖影響最大。在富水地層和無水地層條件下基坑群開挖對143號墩的沉降影響最小，這是由于143號墩位于既有U型槽之間，既有U型槽的圍護結構對143號墩有良好的保護作用。由于無水地層基坑群開挖144號墩距離最近7號基坑8 m，只在7號基坑開挖影響范圍(2倍開挖深度)內，且它們之間有既有U型槽，所以基坑群開挖對其影響較小； 145號墩距離最近的7號基坑21 m，不在任何基坑開挖影響范圍內。但是在富水地層，由于基坑群開挖影響范圍擴大至5倍基坑開挖深度，144號墩和145號墩受到開挖深度最大的2號基坑和3號基坑的影響，導致144號墩和145號墩沉降增大。4)兩種地層條件下，鐵路路基西邊線基坑開挖范圍內會出現沉降峰值，由于1號基坑和2號基坑共用一段圍護結構，基坑距離很近，同時2號基坑開挖對鄰近鐵路路基西邊線沉降影響較大，導致1號基坑開挖范圍內的沉降沒有出現峰值。在富水地層下會使基坑群開挖對鐵路路基的影響放大，富水地層峰值差(最大峰值-最小峰值)是無水地層的2.2倍左右。

5.2 水位對基坑圍護結構變形影響分析

5.2.1 水位變動實測值

該工程鄰近錢塘江，坑外水位受到錢塘江影響產生變動。基坑群工程開挖中，基坑采用四周封閉，落地式止水帷幕，施工方對于圍護結構坑外水位進行了監測。開挖之前監測初始值，開挖中頻率1 d 12次，2 h一次，根據施工方提供的數據，各個基坑水位監測點數據幾乎相同，選取3號基坑監測點號SW9進行分析，水位實測數據如圖8所示。

5.2.2 基坑圍護結構分析

根據實測數據，基坑2 h之內坑位最大水位變動為0.51 m。通過數值模擬分析，由于基坑圍護結構在坑外水位變動的情況下變形趨勢相似，故分析1號基坑圍護結構的變形，在坑外水位變動的情況下1號基坑圍護結構變形如圖9，圖10所示(水平位移“-”表示從基坑外向基坑內)。

由圖9,圖10的計算結果可以看出：短時間內的坑外水位變動會導致基坑圍護結構變形，2 h坑外水位降了0.5 m，圍護結構的沉降主要體現在圍護結構下降了0.3 mm左右，圍護結構的水平位移主要體現在圍護結構整體向坑內位移了0.3 mm左右。

6 結論

本文借助杭州市蕭山區錢江世紀城民祥路基坑群開挖降水過程的數值模擬，研究富水地層基坑群開挖降水情況下，周邊地表、橋梁墩柱和鐵路路基的變形規律，從坑外水位變動分析基坑圍護結構的變形情況，獲得如下結論：1)富水地層基坑開挖對周邊地表及鄰近構筑物的影響均比無水地層大。無水地層條件下單個基坑開挖的影響范圍約為2H，富水地層條件下的影響范圍約為4H；無水地層條件下基坑群開挖的影響范圍約為2.5Hmax，富水地層條件下的影響范圍約為5Hmax(Hmax為基坑群中深度最大的基坑)。2)富水地層基坑群開挖鄰近橋梁墩柱時，影響范圍與正常情況相比變大，需要對更多的橋梁墩柱進行評估及監測，同時橋梁墩柱產生較大的沉降，實際施工時可采用地基加固等方式減小橋梁變形，同時需增加對橋梁墩柱的監測頻率。3)相比于無水地層，在富水地層條件下會使基坑群開挖對鐵路路基的影響放大，富水地層的路基沉降峰值差(最大峰值-最小峰值)是無水地層的2.2倍左右。4)短時間內坑外水位變動會使基坑圍護結構產生少量變形，在水位會產生變動的地層需要對基坑圍護結構采取相應的措施。