懸掛式止水帷幕基坑降水開挖對臨近高鐵橋墩影響

李鵬舉，錢林根，吳強，黃山，陳甦*

(1.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000；2.上海申元巖土工程有限公司，上海 200040；3.蘇州軌道交通市域一號線有限公司，江蘇 昆山 215300；4.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

基坑開挖通常需要降低地下水水位或水頭，以便土方開挖和防止坑底突涌。為控制基坑降水開挖對周邊環(huán)境的影響，基坑四周需要設(shè)置止水帷幕(如三軸攪拌樁、地下連續(xù)墻等)隔斷或減弱坑內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系。根據(jù)含水層埋藏深度與厚度、周邊環(huán)境條件等，止水帷幕可設(shè)置為全封閉和懸掛式兩種[1]。對于懸掛式止帷幕，其設(shè)置深度對控制基坑降水引起的基坑周邊土層和建(構(gòu))筑物變形十分重要。

文獻[2-6]采用三維有限差分法或有限元法建立了滲流場與應(yīng)力場的計算模型，分析了基坑降水對周邊環(huán)境的影響及其規(guī)律；平揚等[7]、陳錦劍等[8]基于比奧固結(jié)理論的有限元法，分析預(yù)測了基坑降水開挖過程中周圍土體的沉降；張志紅等[9]基于地下水滲流連續(xù)性原理，結(jié)合達西定律推導(dǎo)出了止水帷幕在不同插入深度下的圓形基坑涌水量計算公式，并建立了一套兼顧基坑設(shè)計安全性和經(jīng)濟性的基坑控水設(shè)計優(yōu)化方法；文獻[10-15]采用有限元方法對不同止水帷幕深度條件下坑外滲流場的變化規(guī)律進行研究，分析總結(jié)了止水帷幕的埋置深度對基坑及周邊環(huán)境變形的影響；章楊松等[16]應(yīng)用彈塑性有限元方法研究了基坑降水開挖過程中的地面沉降、支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移等，并結(jié)合實際工程分析了不同止水帷幕深度對基坑變形的影響。

目前對于基坑懸掛式止水帷幕的設(shè)置深度，在設(shè)計上并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于基坑降水開挖對鄰近高鐵高架橋的影響問題還有待進一步深入研究。本文以蘇州某地鐵車站為研究對象，針對場地地面以下10～100 m深度范圍內(nèi)均為含水層(勘察鉆探至103 m仍未發(fā)現(xiàn)隔水層)以及臨近高鐵橋墩(距基坑北側(cè)約42.5 m和70 m處分別為京滬高鐵、滬寧高鐵高架區(qū)間)沉降控制嚴格(橋墩最大沉降值≤5 mm)的工程特殊性，對基坑懸掛式止水帷幕條件下降水開挖過程進行了有限元模擬計算，分析了懸掛式止水帷幕深度對臨近高鐵橋墩沉降的影響。

1 工程概況

蘇州某地鐵車站，總建筑面積18 621 m2，外包線總長為193.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬度為35.7 m、開挖深度約17.2～17.3 m，端頭井處結(jié)構(gòu)寬度為40.4 m、開挖深度約18.90～19.25 m。車站基坑采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻(墻厚0.8 m)+內(nèi)支撐(設(shè)置2道砼支撐、2道鋼支撐，端頭井增設(shè)1道換撐)，采用管井降水、地下連續(xù)墻止水。基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 基坑圍護剖面圖Fig.1 Profile of the foundation pit enclosure

車站基坑北端臨近京滬、滬寧高鐵線，高鐵高架橋墩與基坑最近及最遠水平距離分別為42.5和70 m，如圖2所示。由于地面以下10～100 m深度范圍內(nèi)缺失天然的隔水層，豎向隔水帷幕難以做到全封閉，為保證基坑降水引起的臨近高鐵高架橋墩變形在控制的要求范圍內(nèi)(≤5 mm[17])，需對基坑懸掛式止水帷幕深度進行分析研究。

圖2 基坑與高鐵高架橋墩平面位置關(guān)系Fig.2 Relation between the foundation pit and the plane position of the high-speed rail viaduct pier

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)及模型

(1)土體及結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

為了更加準(zhǔn)確地模擬土體的力學(xué)性能和變形特征，本文將采用修正摩爾庫倫本構(gòu)(HS)模擬土體材料，其他結(jié)構(gòu)單元材料統(tǒng)一采用彈性本構(gòu)。數(shù)值模擬過程中涉及到的相關(guān)計算參數(shù)詳見表1～2。

表1 土體基本物理性能參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)單元計算參數(shù)

為了消除地下水邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，本文根據(jù)單井抽水試驗初步計算了基坑降水的影響范圍。通過現(xiàn)場抽水試驗結(jié)果可知，在抽水井水位降深28.51 m時，降水半徑為158 m，即計算模型的平面尺寸均不應(yīng)小于316 m。最終確定模型尺寸在X、Y、Z方向的長度分別為600、440和120 m。考慮到模型尺寸較大，為了簡化計算，最終選擇模型的1/4作為實際計算模型，如圖3所示，劃分單元總數(shù)量為333 447個。

圖3 三維數(shù)值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

模型的位移邊界按照軟件中“自動設(shè)置約束”選項對整個模型進行自動約束，即對除頂面以外的五個界面所有節(jié)點進行法向位移的約束。由于本模型截取了原模型的1/4，具有兩個對稱面，因而需在對稱面上額外約束另外兩個方向的扭轉(zhuǎn)，位移約束情況如圖4所示。

圖4 模型位移約束Fig.4 Displacement constraints of the model

2.2 邊界條件及荷載條件

模型中通過設(shè)置節(jié)點水頭的方式建立滲流邊界條件，即對在坑內(nèi)水位降深處的所有節(jié)點設(shè)置水頭值。在模擬施工步驟過程中，可通過激活、鈍化坑內(nèi)外不同節(jié)點水頭來實現(xiàn)坑內(nèi)水位的下降，以此來模擬基坑的降水過程。

當(dāng)兩種性質(zhì)差異較大的材料同時出現(xiàn)時，由于其剛度和強度性質(zhì)差異均較大，為了使計算剛度匹配，應(yīng)針對不同情況設(shè)置合理的界面單元。采用MIDAS有限元軟件中“屬性助手”在地連墻板單元處設(shè)置界面單元，其中虛擬厚度設(shè)置為0.1，剛度折減系數(shù)設(shè)置為0.65[18]，類似地對高鐵樁基、立柱樁以及格構(gòu)柱也設(shè)置界面單元。

為反映實際荷載情況，模型中以單位面積壓力的形式條形分布于基坑周圍，超載大小設(shè)置為20 kPa，同樣將10 kPa的單位面積壓力作用在高鐵高架橋墩上表面，即高鐵橋墩超載。

2.3 模擬施工步序

本次模擬是通過鈍化對應(yīng)土體單元的方式實現(xiàn)土方開挖過程。模擬施工步序主要為：(1)土方開挖至第一道支撐下；(2)架設(shè)第一道支撐、土方開挖至第二道支撐下；(3)架設(shè)第二道支撐、土方開挖至第三道支撐下；(4)架設(shè)第三道支撐、土方開挖至第四道支撐下；(5)架設(shè)第四道支撐、土方開挖至坑底。

其中，每一次土方開挖之前都需要進行降水，且每一次降水完成之后需要設(shè)置應(yīng)力空階段，因此需將滲流計算與應(yīng)力計算進行耦合以保證計算的準(zhǔn)確性。

3 三維數(shù)值模擬計算分析

本文首先對全封閉止水帷幕(工程實際情況，MJS工法樁水平隔水層+豎向地連墻)進行模擬，并將計算值與實測值進行對比分析以驗證模擬的可靠性。最后在不設(shè)置水平隔水層的條件下調(diào)整地連墻深度，并分別進行模擬計算分析，地連墻深度分別取為41、51、61、71、81、91 m，其中41 m為實際深度。

3.1 基坑降水開挖對地表沉降的影響

在全封閉止水帷幕條件下基坑開挖至不同深度(各模擬施工步序)時，地表沉降(基坑長邊1/2處地表沉降斷面，如圖5所示，后同)計算與實測結(jié)果如圖6所示，圖中正值代表隆起、負值代表沉降。圖7為基坑開挖至坑底(模擬施工步序(5))時豎向位移云圖。

圖5 監(jiān)測點布置平面圖Fig.5 Layout plan of monitoring site

圖6 全封閉止水帷幕時各施工步序的地表沉降Fig.6 Surface settlement of each construction step sequence with a completely enclosed waterproof curtain

圖7 模擬施工步序⑤時豎向位移云圖Fig.7 Vertical displacement cloud image of simulated construction step sequence ⑤

由圖6、7可知，基坑降水開挖的地表斷面沉降曲線為凹槽型，地表沉降隨著降水開挖的進行而逐漸增大。在全封閉止水帷幕條件下，降水開挖至坑底時的地表沉降計算與實測最大值分別為63.21、65.53 mm，且分別發(fā)生在距坑邊7.2 m(約為0.38倍端頭井挖深)和10 m(約為0.53倍端頭井挖深)處，兩者變化規(guī)律總體相似。

由圖6可知，在距離坑邊超過20 m處位置，地表沉降實測值出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，且與沉降計算值差異較為明顯，原因可能是實際工程中坑邊常有吊車等大型機械作業(yè)，土體在施工超載作用下不斷向兩側(cè)發(fā)生擠壓，因此出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象。

3.2 懸掛式止水帷幕深度對周邊環(huán)境的影響

在懸掛式止水帷幕條件下，不同地連墻深度、基坑開挖至坑底時(模擬施工步序⑤)，地表沉降、高鐵橋墩最大沉降計算結(jié)果如圖8、表3所示；圖9為地連墻深度為91 m時最后一步降水階段地下水流速云圖。

圖8 模擬施工步序⑤時不同懸掛式止水帷幕深度時地表沉降Fig.8 Surface settlement of simulated construction step sequence ⑤ at different depths of the waterproof curtain

表3 不同懸掛式止水帷幕深度時橋墩最大計算沉降

圖9 止水帷幕深度為91 m時的地下水流速矢量圖Fig.9 Vector diagram of the groundwater velocity when the waterproof curtain depth is 91 m

由圖8～9和表3可知：

(1)懸掛式止水帷幕條件下，隨著地連墻深度的逐漸增加，地表沉降整體減小，且減小的趨勢逐漸加快；當(dāng)?shù)剡B墻深度為91 m、降水開挖深度至坑底時，在距坑邊37.7 m(約為2倍端頭井挖深)處地表沉降計算值為10.99 mm，說明此時基坑降水開挖對2倍坑深外的周邊環(huán)境影響已較小。

(2)懸掛式止水帷幕條件下，地連墻深度對周邊地表及高鐵高架橋墩沉降影響較大，當(dāng)?shù)剡B墻深度為91 m時，地表和高鐵高架橋墩最大計算沉降分別為74.44、4.18 mm；當(dāng)?shù)剡B墻深度為41 m時，地表和高鐵高架橋墩最大計算沉降分別178.66、31.88 mm。

(3)在基坑降水開挖的過程中，地連墻墻底處地下水流速較大且集中，滲流作用較為明顯。地連墻深度的增加逐漸延長了地下水滲流路徑，只有當(dāng)?shù)剡B墻深度超過91 m時，降水開挖對高鐵高架橋墩的變形影響才能滿足相關(guān)規(guī)范[17]的要求(≤5 mm)。

4 結(jié)論

本文以蘇州某地鐵深基坑為依托工程，采用有限元分析軟件對不同懸掛式止水帷幕深度條件下基坑降水開挖進行模擬，分析了止水帷幕深度對地表沉降及臨近高鐵高架橋墩的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)基坑降水開挖引起的地面沉降曲線均為凹槽型，在采用全封閉止水的條件下，地表沉降隨基坑降水開挖的進行而逐漸增大。計算與實測的沉降最大值誤差較小，且變形規(guī)律大致相同，一定程度上驗證了模擬計算的可靠性。

(2)在采用懸掛式止水帷幕的條件下，隨著止水帷幕深度的增加，地下水繞過止水帷幕滲流入基坑的路徑逐漸增大，地表及高鐵高架橋墩沉降逐漸減小。因此，增加地連墻深度能夠有效地降低基坑降水開挖對周邊環(huán)境的影響。

(3)懸掛式止水帷幕盡管不能完全隔斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，但只要其達到一定深度，仍然可以將基坑降水開挖對高鐵高架橋墩的變形控制在相應(yīng)的要求之內(nèi)。