基坑開(kāi)挖降水對(duì)周邊環(huán)境的應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)分析

姚 棟

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津分院，天津 300071）

隨著城市軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，地鐵基坑深度不斷增加，由于地鐵站位一般設(shè)置在城市商業(yè)、居住等重點(diǎn)區(qū)域，周邊建筑林立，加之地下管線排布錯(cuò)綜復(fù)雜，所以地鐵基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響尤為敏感。基坑開(kāi)挖及降水過(guò)程中控制好周邊地表、建筑及地下管線變形成為研究重點(diǎn)。目前開(kāi)展的研究一般僅針對(duì)單個(gè)基坑進(jìn)行，通過(guò)有限元模擬基坑開(kāi)挖降水，對(duì)基坑周邊的建筑物或地下管線安全性開(kāi)展評(píng)價(jià)，探討不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)或地層物理力學(xué)參數(shù)對(duì)地層固結(jié)的影響[1～5]。但對(duì)基坑僅進(jìn)行開(kāi)挖與降水+開(kāi)挖兩種不同工況下的對(duì)比分析較少且對(duì)于不同地質(zhì)條件下的兩處基坑在開(kāi)挖降水過(guò)程中的應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)的對(duì)比分析尤為少見(jiàn)。本文對(duì)同一地區(qū)開(kāi)挖深度范圍內(nèi)地層差別較大且地下水位深淺不一的兩處基坑工程進(jìn)行對(duì)比分析，選擇更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式及地下水處理方案。

1 基坑開(kāi)挖降水方案

1.1 工程概況

A、B 兩座地鐵車站。A 站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬22.6 m、開(kāi)挖深度為20 m，鄰近基坑處有1 棟6 層居民樓且基坑兩側(cè)地下存在3根DN300 mm自來(lái)水管；B站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9 m、開(kāi)挖深度約為21 m，開(kāi)挖影響范圍內(nèi)無(wú)地面建筑物，基坑北側(cè)地下存在1 根DN500 mm 污水管、1 根DN500 mm 雨水管及1 根DN400 mm 自來(lái)水管，南側(cè)地下存在1 根DN900 mm 雨水管、1 根DN800 mm自來(lái)水管及1根DN400 mm污水管。

兩車站地下水均為孔隙潛水，無(wú)承壓水。其中A站含水層主要為碎石，地下潛水埋深約為15.3 m；B 站含水層主要為黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土及角礫，地下潛水埋深約為7.4 m。見(jiàn)表1和表2。

表1 A站基坑范圍內(nèi)主要地層土性參數(shù)

表2 B站基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要地層土性參數(shù)

1.2 地下水處理措施

目前基坑設(shè)計(jì)中常用的地下水處理措施有兩種：一是基坑周邊設(shè)置止水帷幕，形成圍閉空間，隔絕（截?cái)嗍街顾∧唬┗蛳魅酰☉覓焓街顾∧唬┛觾?nèi)外的水力聯(lián)系，同時(shí)在坑內(nèi)設(shè)置降水井抽水，降低坑內(nèi)水位；二是坑外設(shè)置降水井進(jìn)行區(qū)域性降水[6]。第一種優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地下水及周邊環(huán)境擾動(dòng)相對(duì)較小，可更有效節(jié)約和保護(hù)地下水資源；缺點(diǎn)是需另行設(shè)置或與圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)置止水帷幕，增加工期及投資；第二種剛好相反。為節(jié)省工期并降低投資，對(duì)2 座車站基坑外降水的可行性進(jìn)行分析。

2 基坑開(kāi)挖降水應(yīng)力-滲流耦合分析

2.1 有限元模型建立

采用Midas GTS NX 軟件進(jìn)行建模。人工側(cè)向邊界及底邊界取至3～5 倍基坑開(kāi)挖深度；土體本構(gòu)模型采用模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫(kù)倫模型，平面應(yīng)變單元；圍護(hù)樁、鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、建筑物及管線采用彈性模型中的結(jié)構(gòu)模型；建筑物采用平面應(yīng)變單元模擬；其余單元采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

兩基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用直徑1 m、間距1.5 m 鉆孔灌注樁，基坑自上而下設(shè)置1根0.8 m×1 m混凝土支撐及3 道φ800 mm、壁厚16 mm 鋼支撐。采用滲流邊界中的節(jié)點(diǎn)水頭模擬總水位及降水井，降水井設(shè)置在圍護(hù)樁外側(cè)2 m 位置，伸入坑底面以下6 m。模型兩側(cè)邊界及底邊界均采用位移約束條件。見(jiàn)圖1。

圖1 基坑二維數(shù)值模型

2.2 施工條件及各建構(gòu)筑物變形控制值確定

第一階段激活各土層、管線、建筑物及總水位，進(jìn)行初始滲流場(chǎng)分析；第二階段激活整體邊界及自重作用，進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)分析，位移清零；第三階段模擬施作圍護(hù)樁，之后各階段依次開(kāi)挖土層至各道支撐下1 m 并施作對(duì)應(yīng)支撐且需在開(kāi)挖至地下水位地層的工況之前添加降水井啟動(dòng)工況，激活降水井，對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)模擬，將地下水位降至坑底以下，最終開(kāi)挖至坑底。另外定義了一組施工，除第一階段不再進(jìn)行初始滲流場(chǎng)分析及取消降水施工階段外，其余工況與前一施工各工況一致。各建構(gòu)筑物的變形控制值見(jiàn)表3。

表3 各建筑物變形控制值

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)兩種工況進(jìn)行分析，最終得到基坑開(kāi)挖施工和基坑降水+開(kāi)挖施工兩種變形結(jié)果。模型水平向變形較小，不作為地表及周邊建（構(gòu)）筑物變形控制項(xiàng)；變形較大的豎向結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 A站豎向位移

圖3 B站豎向位移

兩基坑在不同施工過(guò)程中建筑物及管線變形結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 A站在不同施工階段下建筑物及管線變形

表5 B站在不同施工階段下管線變形對(duì)比

從表4 和表5 可以看出：坑外降水對(duì)A 站基坑地表建筑、地下管線變形影響有限，可滿足變形控制要求；但對(duì)B 站基坑周邊管線變形影響較大，基坑開(kāi)挖及坑外降水的耦合效應(yīng)導(dǎo)致基坑周邊地表及管線沉降遠(yuǎn)超控制值，可能發(fā)生地下管線破裂、接口脫開(kāi)等風(fēng)險(xiǎn)，故不應(yīng)采用坑外降水方案。

B站基坑地下水位較高，坑外降水風(fēng)險(xiǎn)較大，考慮采用止水方案處理地下水。同樣建立二維有限元模型，在圍護(hù)樁處增設(shè)不透水的界面單元用來(lái)模擬止水帷幕，在坑內(nèi)設(shè)置2 排降水井，伸入坑底面以下6 m。見(jiàn)圖4。

圖4 B站基坑止水+坑內(nèi)降水方案

B 站基坑在止水+坑內(nèi)降水施工過(guò)程中管線變形結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 B站止水+坑內(nèi)降水方案管線變形mm

止水方案對(duì)B 站基坑周邊管線沉降影響有限，采用止水+坑內(nèi)降水方案可滿足地下管線變形控制要求，故B站采用止水+坑內(nèi)降水方案處理地下水。

3 沉降監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

兩處基坑均已開(kāi)始施工，其中A 站采用坑外降水方案，而B 站采用止水+坑內(nèi)降水方案。施工期間，對(duì)基坑周邊地表、建筑物及管線沉降、地下水位等進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)。見(jiàn)表7和表8。

表7 A站沉降數(shù)據(jù)mm

表8 B站沉降數(shù)據(jù)mm

有限元模擬計(jì)算的地下管線等線性結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果雖略大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，但總體誤差處于可接受范圍；而建筑物實(shí)際發(fā)生的沉降量遠(yuǎn)小于有限元計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明二維有限元模型由于無(wú)法考慮建筑物等空間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響，與實(shí)際變形偏差較大，建議在處理該種問(wèn)題時(shí)，采用三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

4 結(jié)論

1）通過(guò)有限元軟件對(duì)基坑開(kāi)挖降水過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力-滲流單向耦合分析，可以有效預(yù)測(cè)基坑在降水及開(kāi)挖過(guò)程中地表及地下管線的變形量，對(duì)設(shè)計(jì)及施工具有指導(dǎo)意義。在開(kāi)展基坑工程設(shè)計(jì)工作之前，應(yīng)對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地下管線的影響進(jìn)行分析評(píng)估，結(jié)合分析結(jié)果選擇安全、經(jīng)濟(jì)、有效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2）基坑降水引起的滲流問(wèn)題對(duì)基坑周邊環(huán)境有一定影響，若含水層為承載力較差的粉土或黏性土且地下水位較高時(shí)，即使基坑周邊環(huán)境比較簡(jiǎn)單，也應(yīng)慎重選擇坑外降水方案，降水引起的滲流問(wèn)題將導(dǎo)致地面及基坑周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生較大變形，容易對(duì)基坑產(chǎn)生次生風(fēng)險(xiǎn)。相反，若含水層為承載力較強(qiáng)的碎石、卵石等地層時(shí)，由于地層骨架效應(yīng)較好，降水引起的地層變形有限，可優(yōu)先考慮坑外降水方案，降低工程投資的同時(shí)亦可提高施工效率。

3）若對(duì)鄰近基坑的地面建筑等空間結(jié)構(gòu)開(kāi)展安全預(yù)評(píng)估，由于二維有限元模型無(wú)法考慮建筑物等空間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響，易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，建議采用三維有限元模型進(jìn)行模擬分析。