富水區深基坑降水對臨近建筑物的影響分析

宋紅紅

(中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

隨著沿海地區城市地下隧道建設及高層建筑的建設，富水區深基坑的開挖日漸增多。由于城市規劃用地緊張，往往需要在鄰近建筑物周邊進行施工，這就對施工提出了很高的要求。特別是在高地下水位的軟土地區，在深基坑開挖時必須進行排水疏干，甚至需要對地下承壓水層進行減壓排水以防止基坑突涌等事故的發生。但與此同時，地下水位的降低使土中有效應力增加，土體的固結沉降會引起周圍地表固結沉降，造成鄰近建筑的不均勻沉降乃致產生傾斜與開裂，附近地下管線及既有隧道也會產生變形乃致影響結構安全。由此，對富水區深基坑降水支護開挖全過程的流固耦合分析不僅能夠展現施工全過程對周邊環境的影響，也能揭示地下水滲流場隨時間的變化情況，能夠讓工程人員全面地預測工程中可能出現的問題并事先提出相應對策。

目前，國內外學者針對深基坑開挖對鄰近建筑物的影響較多，但對于高地下水位的軟土地區降水開挖流固耦合分析還很少。馮懷平[1]等依托地鐵車站深基坑工程分析了地下連續墻變形和周圍地面沉降隨時間的變化規律，與實測數據對比證明考慮流固耦合更符合實際情況。樊祜傳[2]基于分層總和法提出結合地層應力歷史估算基坑降水引起建筑沉降的方法。目前研究[3-5]較少涉及富水區軟土基坑施工對極近建筑的影響(最小距離小于基坑深度)。本文以具體工程為研究對象，利用ABAQUS數值模擬軟件進行流固耦合分析，研究周圍環境隨施工變化情況，并和監測結果進行對比，用于提出建議并調整施工方案。

1 工程概述

1.1 工程概況

蘇州國際快速物流通道二期工程——春申湖路快速化改造工程施工5標主線全長4.47 km，道路以隧道形式向東沿林家港河布線，在湖濱路東進入陽澄西湖，并在園區黃金水岸廣場登陸接地。隧道整體采用圍堰明挖法，其中入湖段將原林家港河進行疏干改道，明挖基坑施工建立在舊河道地層之上。入湖段長約1 380 m，基坑寬度32～40 m，深度18.75～24.63 m，屬于大斷面、大跨度的疊加城市地下明挖隧道工程。局部工程鳥瞰圖見圖1。入湖段從相城區教育組團間穿過，周邊建筑物主要有蘇州大學宿舍樓、相城中專宿舍樓、保險干校宿舍樓，周邊管道有雨水管道及自來水管道等。其中保險干校宿舍樓為二層磚混結構淺基礎建筑，離基坑最小距離為10 m，為緊鄰基坑建筑，對基坑施工十分敏感。具體位置關系見圖2。

圖1 湖區段工程實況

圖2 基坑及建筑位置關系

1.2 水文地質條件

本工程場地原為林家港河河道，作為施工場地具有工程性能差、地下水位高的特點。根據勘察成果，沿線場地地表下70.3 m深度范圍內地基土構成除填土外，其余為第四系濱海、第四系河泛、河床相沉積物，一般由粘性土、粉(砂)土組成，土層分布見圖3。

圖3 圍護結構剖面圖(單位：m)

工程所在場地地下水分為松散淺層孔隙潛水和松散巖類孔隙(微)承壓水。基坑東側直接接入陽澄西湖，潛水層接受湖區補給，水位較高且變化較大。勘察期間測得的標高 0.48～2.09 m，變化幅度為 1～2 m。微承壓水主要賦存于 ③-3、④-2粉土、粉砂層中，微承壓水頭標高在 1.23～1.34 m。承壓水主要賦存于⑥-3、⑦-2層粉土、粉砂層中。據區域水文地質資料，⑦-2層承壓水標高在-2.0 m 左右，水位變化一般在1 m 左右。

1.3 支護及降水方案

為研究施工對鄰近建筑物影響，選取距離基坑最近建筑，即保險干校宿舍樓進行研究。此斷面基坑寬度38.6 m，底部深20 m，圍護結構型式采用地下連續墻與兩道混凝土支撐加3道鋼支撐。北側地面標高-1 m，地下連續墻厚度1 m，深43.5 m；南側地面標高+3 m，地下連續墻厚度1.2 m，深47.5 m，分幅寬度平均為6 m。地下連續墻兼做止水帷幕，且已穿透⑥-1黏土不透水層，為落底式止水帷幕，相比懸掛式止水帷幕能夠更有效地減少降水對坑外土體的影響。圍護結構橫剖面如圖3所示。

一、三道撐選用鋼筋混凝土支撐，C30混凝土；第二、四、五道為鋼支撐，分別為?609 mm鋼管與?800 mm鋼管，壁厚均為16 mm。每道鋼筋混凝土支撐處設置冠梁、圈梁和兩根臨時支撐立柱，利用隧道主體結構鉆孔灌注樁作為基礎，采用型鋼格構柱，型鋼立柱在穿越頂、底板的范圍內需設置止水片。

深基坑施工時，必須采取有效措施嚴格控制好地下水，以防對基坑工程本身及對周圍環境造成不利影響。由于潛水層及微承壓水層埋深較淺，已被開挖基坑揭穿，故通過在坑內布設若干疏干井與輕型井點對土層進行封閉式降水疏干處理，并要求在基坑開挖前 20 d提前預抽水，且確保井點降水水位在開挖面以下1 m。針對⑥-3及⑦-2層承壓水，基于抽水試驗及基坑底板穩定性驗算，此區段承壓水位需降低13.5 m方能滿足處于抗突涌穩定狀態。

2 監測方案及結果

為保證基坑施工安全及保護周邊環境，整個施工過程中持續對地表、建筑沉降及地下連續墻側移等變形進行密切關注。鄰近基坑各建筑均在邊線均勻布設10個沉降監測點，而沿基坑縱向每20 m左右布設一個沉降監測斷面，每個斷面5個沉降點。圖2所示保險干校為兩層筏板基礎框架結構，走向基本與基坑方向平行，最近角點距離小于10 m，最遠角點相距17 m。圖4為保險干校宿舍樓各測點沉降隨開挖變化情況。

由圖4可知，建筑靠近基坑長邊沉降最大值為50.19 mm,遠離基坑邊沉降最大值僅為35.65 mm，且靠近基坑邊沉降總體遠大于遠離基坑邊沉降。這呈現了建筑將產生向基坑內傾斜趨勢，威脅基坑安全。又由于建筑并非完全與基坑平行，則同一長邊處距離基坑越近沉降越大。分析各點沉降隨時間變化情況可知，在第三層開挖前沉降穩定增大，但在第四層開挖階段沉降突然增大，約占總沉降的40%。綜上所述，應對建筑最靠近基坑的橫斷面，即5、6測點所在斷面進行建模分析，且特別關注第四層開挖階段沉降變化情況。

圖4 建筑沉降隨開挖變化情況

3 開挖降水數值模擬

選用ABAQUS有限元分析軟件建立深基坑及臨近建筑的二維數值模型，模擬開挖支護降水全施工過程對周邊環境的影響。由于隧道徑向長度遠超基坑剖面尺寸，可視為平面應變問題求解[6]，故建立二維模型。

3.1 基本假定

(1)假設地下水分布穩定，土體正常飽和，滲流符合達西定律，穩定靜水位根據區域水文地質資料取-1 m。

(2)施工開始前假設土體及建筑已正常固結沉降完畢。模型邊界外地下水可進行補給。地下連續墻滲透系數為0。

3.2 本構模型

計算全程考慮滲流固結，由于考慮流固耦合時降水影響范圍遠大于開挖影響范圍，綜合空間效應與非完整井假設[7]，最終將模型水平尺寸取為基坑深度的10倍，幾何尺寸為238.6 m(x)×93.0 m(y)，共計8 546個單元，9 188個節點。建筑每層加上相應荷載[8]，基坑附近地表也附加施工荷載。具體數值模型如圖5所示。

圖5 數值模型

土體采用Mohr-Coulomb本構模型，視為理想彈塑性材料，采用8節點平面應變CPE8RP孔壓單元，各土層物理力學指標見表1，土層彈性模量統一取為壓縮模量的8倍[9]。地下連續墻與立柱視為線彈性材料，采用8節點平面應變CPE8R單元，橫撐采用B21單元，線彈性材料物理參數取值見表2。實際分析中根據等效剛度法調整相應尺寸[10]，同時使用“升溫法”施加鋼支撐預應力[11]，具體見式(1)。

表1 土層物理力學參數

表2 支護結構參數

(1)

式中：F為內支撐預加軸力(N)；A為內支撐截面面積(m2)；E為鋼支撐彈性模量(Pa)；α為內支撐鋼管的熱膨脹系數，取為10-5/℃；Δt為內支撐預加軸力所對應升溫度數(℃)。具體數值計算見表3。

表3 鋼支撐預應力設置

3.3 邊界條件

正式開挖前應先進行地應力平衡并建立孔隙水滲流場。模型兩側設置水平位移邊界條件，底部設置水平、豎直邊界條件。地下水潛水與承壓水孔隙水壓力初始設置沿深度線性分布，潛水在-1 m深度處設置自由透水面，⑥-3與⑦-2層承壓水水位為-2 m，底部不透水。兩側將穩定后的孔隙水壓力固定，模擬外界水流補給。在各開挖工序前設置坑內開挖面下1 m處孔隙水壓力為0模擬基坑潛水疏干，在第三次開挖前使承壓水水頭降低13.5 m以模擬基坑減壓降水，通過生死單元法模擬基坑土體開挖[12]。根據現場施工實際時間設置分析步時長，以分析基坑變形隨時間變化。

4 計算結果分析

4.1 滲流與孔壓分析

圖6與圖7分別為開挖完成時孔隙水壓力云圖與地下水滲流路徑圖，可見坑內水頭有效降低的同時坑外水頭未出現明顯下降，由此能有效減小坑外地表沉降。隔水帷幕兩側滲流多為豎向滲流，且坑外相對隔水層以上滲流較小，遠離隔水帷幕區域滲流多為水平向補給滲流，圖中較大水平滲流主要是由于⑦-2層粉土滲透系數較大所致。同時滲流路徑繞過了隔水帷幕底部向坑內流動，呈現出了明顯的降落漏斗?？拥椎牡瓤讐呵€也隨開挖降水逐漸出現下凹弧度，與滲流情況相符。

圖6 孔隙水壓力云圖(單位：kPa) 圖7 地下水滲流場(單位：m/d)

4.2 地下連續墻側向變形

圖8是南側地下連續墻經過數值模擬計算得出的側向位移模擬值與現場各開挖步實際監測值。圖9是不同開挖深度下墻身側向位移模擬值。通過數據對比可得：

圖8 開挖過程中地下連續墻側移模擬值與實測值對比

圖9 不同開挖深度下墻身側向位移模擬值

(1)針對地下連續墻側向位移模擬值曲線，可見在施工初期階段曲線較為平滑，且頂端與底部向坑內的側向位移較小，開挖面處較大，呈“凸”字形狀。但隨著開挖深度逐漸增加，-12.0 m至-20.0 m處側移速率明顯減緩，基本控制在一定范圍之中，且在-16.5 m及-20.0 m處顯示出回縮的趨勢，此深度范圍正與基坑橫支撐布置深度吻合。在開挖末期，基坑底部附近地下連續墻出現了較大側向位移，最大側向位移位于坑底以下0.5 m左右，最大側移值δm=42 mm大于實測值34.96 mm。此時，側向位移曲線不再光滑，而變成了淺層隨深度增大、中層變化不明顯、深層呈紡錘形的三段式曲線。

(2)通過地下連續墻側向位移實測值分析，可見地下連續墻最大側向位移值及最大側向位移深度都在不斷地增大，最大側向位移由-17.0 m深度處的19.53 mm(開挖至-13.0 m)，-19.0 m深度處的28.1 mm(開挖至-16.5 m)最終發展至-21.5 m(開挖至-21 m)深度處的34.96 mm，小于控制值0.18%he=36.00 mm(he為基坑開挖深度)，這是由于深層土體沒有有效支護結構支撐所引起的。對比模擬值也展現同樣的變化規律，最大側移深度由最開始的-15.0 m深度逐漸增大至-21.5 m，與實測數據吻合。可以看出，采用數值模擬方法可以得到基坑圍護結構隨施工變形的趨勢，能夠作為分析基坑性狀一種有效手段。

4.3 基坑外地表及建筑沉降

基坑周邊淺基礎建筑物較多，其中距離基坑最近處為10 m。圖10為基坑施工完成后豎向位移云圖，圖11為坑外地表沉降情況，可見降水開挖對鄰近建筑物沉降影響較大，越靠近建筑地表沉降越大。地表最大沉降處一直位于建筑基礎下，且靠近基坑處建筑角點沉降大于遠離基坑角點，這造成了建筑向基坑方向傾斜的趨勢。建筑之外地表沉降隨距離變大逐漸減小，但影響范圍隨基坑施工逐漸擴大，這主要是由于降水過程對地下近處遠處滲流場都有影響，遠處地下水水平向補給引起土體有效應力增大，從而使遠處地表土體產生沉降。

圖10 施工完成后地層沉降云圖(單位：m)

圖11 降水開挖對地表沉降影響

由圖11可知，基坑外地表最大沉降處離基坑19 m，位于建筑基礎下，大小為50.0 mm，超過地表沉降控制值28.5 mm。為保證建筑安全，及時強化基坑支護，并對建筑進行跟蹤加密監測，經建筑單位允許繼續施工。根據實測值，建筑靠近基坑角點最終沉降值為-50.52 mm，另一側角點最終沉降值為-36.33 mm，造成了建筑的不均勻沉降，差異沉降法計算求得最大局部傾斜值為0.835‰。

為考慮建筑基礎不同邊線長度對沉降的影響，將各邊線實測差異沉降值除以其長度得到各邊線實測傾斜率如圖12所示?？梢娊ㄖ怪庇诨舆吘€側傾斜率遠大于平行側，且距離基坑更近側向基坑內傾斜更大，最終傾斜率為0.855‰，與模擬值吻合，但小于規范規定的2‰。對于軟土層地基，過大的沉降量與沉降速率引起的不均勻沉降可能會導致建筑物開裂或地下管道彎折，所以有必要在施工時嚴密監測沉降情況。對比《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)，平均沉降量與傾斜量均小于變形允許值。

圖12 實測建筑各邊傾斜率

通過有限元模擬及實測數據的聯合分析地下連續墻的豎向位移，認為北側地下連續墻自開挖起始終處于回彈狀態，最大回彈量為8 mm。而緊貼墻體的土體卻隨開挖逐漸沉降，表現出與墻體錯開位移的趨勢。地下連續墻豎向位移主要是由于坑內土體開挖的卸荷效應所導致的回彈，靠近地下連續墻的土體也受到墻體的摩擦阻力限制，沉降的幅度不如建筑基礎處大，從而形成勺型地表曲線。因此，在分析墻體周圍的地表土體位移時，應當將墻體與土體通過摩擦模型進行面與面接觸而非綁定，才能夠更好地模擬結果。

5 結論

(1)落底式隔水帷幕打穿到承壓水層下部，強迫地下水繞流，延長滲流路徑。且由于上隔水層阻水效果好，滲流主要發生在上隔水層以下，所以對基坑外水頭影響較小。由此，基坑內封閉式降水能夠有效減小降水開挖對周邊環境的影響。但同時承壓水降壓會產生基坑內外水位差，導致地下連續墻深處受到向坑內的壓力，使地下連續墻水平位移向坑內方向增大。

(2)地下連續墻最終側向位移為三段式曲線，上部隨深度增大，中部受橫支撐限制變形較小，開挖面以下沒有有效支撐、呈紡錘形曲線。最大側向位移位置隨基坑開挖逐漸下移，并始終處于開挖面以下，最終位于坑底下0.5 m左右。

(3)地表沉降隨基坑開挖深度增大而增大，沉降最大值位于建筑基礎下，地表沉降曲線呈勺型分布。由于基坑開挖影響，建筑垂直于基坑邊線側向坑內沉降更大，不均勻沉降易造成建筑開裂。本工程最終傾斜率為0.855‰，小于規范允許值。