富水砂土地區(qū)基坑預(yù)降水深度對基坑變形的影響研究

徐堅 楊坤

（北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，重慶 400050）

0 引言

通常，臨江、河地區(qū)的潛水層和承壓含水層中地下水與河水有著良好的水力聯(lián)系，受河水水位波動的影響，具有動態(tài)變化的特點，復(fù)雜的滲流環(huán)境極有可能引發(fā)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞、管涌、失穩(wěn)等工程事故[1-3]。而砂土地層又是發(fā)生流砂、管涌等滲透破壞的高發(fā)地層，在此類地層中實施深基坑工程，需格外關(guān)注由基坑降水引起的地下水運(yùn)移與基坑變形情況。張斌[4]對比幾種常用的基坑降水措施，并基于工程實例詳細(xì)介紹其降水方案。周庭國[5]采用室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，探討典型富水砂土地層中基坑開挖降水導(dǎo)致的地層變形規(guī)律。陶東軍[6]基于長江流域某富水砂土環(huán)境中深基坑工程，分析降水過程中基坑微承壓水-潛水交換特征。李曉虎等[7]研究高富水砂層中基坑開挖施工風(fēng)險，并提出相應(yīng)控制技術(shù)。

為了確保基坑開挖不受地下水的影響，一些特殊地質(zhì)條件下的基坑在開挖前需采取預(yù)降水措施。基坑在預(yù)降水階段往往會產(chǎn)生較大的變形。本文依托典型富水砂土地區(qū)中進(jìn)行的深基坑工程，采用數(shù)值模擬手段，考慮地下水運(yùn)移-基坑土體-圍護(hù)結(jié)構(gòu)三者相互作用，準(zhǔn)確評價基坑預(yù)降水對基坑變形的影響，對富水砂土地區(qū)中深基坑預(yù)降水施工具有重要的工程指導(dǎo)意義，相關(guān)研究結(jié)論可為同類型工程提供一定參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

廣州新白云國際機(jī)場第二高速公路機(jī)場北隧道全長3012m，包括長2512m的暗埋段與兩端明挖出口段。隧道緊鄰流溪河，沿線主要控制點有李溪村、大沙河、機(jī)場排洪渠和機(jī)場規(guī)劃區(qū)，采用明挖暗埋的方式進(jìn)行施工。本文依托其中某一典型工程段，該段基坑長240m，寬40.6m，深12.12～14.17m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察鉆探、地質(zhì)調(diào)繪等資料，場區(qū)內(nèi)出露的地層從上到下依次為：素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗礫砂、圓礫、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等。其中，基坑深度范圍內(nèi)大部分為粉質(zhì)黏土層與粉細(xì)砂層，基底同樣位于粉細(xì)砂層，透水性較強(qiáng)。

隧址區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，河網(wǎng)發(fā)達(dá)，隧道緊鄰流溪河，有多條灌溉渠流經(jīng)，地表水豐富。地下水以地表潛水與基巖裂隙水為主，潛水主要位于砂土層中，水位較穩(wěn)定，埋深較淺，勘察期間測得地下穩(wěn)定水位埋深在2.1～2.7m。基巖裂隙水主要賦存于區(qū)內(nèi)碎屑巖巖層的層間裂隙、風(fēng)化裂隙中，其賦存條件受裂隙發(fā)育程度及裂隙充填情況等因素影響，主要靠上層的孔隙潛水下滲補(bǔ)給，其流通性及水量大小受裂隙發(fā)育程度影響，分布不均勻。

1.3 基坑支護(hù)及降水方案

研究區(qū)段采用地下連續(xù)墻+三道水平支撐的方案進(jìn)行支護(hù)（見圖1）。其中，地下連續(xù)墻厚1m，兼做止水帷幕，第一道水平支撐為混凝土支撐，斷面尺寸600mm×800mm，第二、三道為Φ609×16鋼支撐，預(yù)加200kN軸力。各道支撐豎向間距為4m，第一道支撐水平間距12m，第二、三道支撐水平間距4m。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

地下連續(xù)墻深入基底6～8m，一方面提供較好的支護(hù)效果，另一方面兼做落底式止水帷幕。基坑降水采用管井降水、先降后挖的預(yù)降水方式進(jìn)行。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型的建立

采用大型有限元軟件Midas GTS NX建立基坑降水開挖數(shù)值計算模型（見圖2）。基坑尺寸為240m×40m×15m（長×寬×高），為消除邊界效應(yīng)，通常需要從基坑邊緣向外延伸一定長度，大約為基坑開挖深度的3～5倍，故沿基坑長和寬方向分別向外延伸70m和80m。將實際地層合理簡化為三層土層：粉質(zhì)黏土層（6m）、粉細(xì)砂層（24m）與中風(fēng)化灰?guī)r（30m）。模型中降水井布置與實際工程保持一致，見圖2（b）。地連墻深入基底8m，底部位于粉細(xì)砂層中。基坑內(nèi)設(shè)置格構(gòu)柱水平支撐，底部設(shè)置長20m抗拔樁。

圖2 基坑數(shù)值計算模型和降水井布置平面圖

模型四周設(shè)置法向位移約束，底部設(shè)置三個方向的約束，頂部不設(shè)置約束。

2.2 參數(shù)的確定

巖土體采用修正摩爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表1。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過程

根據(jù)前人研究以及理論分析可知，預(yù)降水深度對坑外地表沉降影響較大。因此，對降水深度設(shè)置3m、6m、9m、12m及15m這5個梯度。

完成模型初始滲流場和初始應(yīng)力場分析后，進(jìn)行基坑預(yù)降水施工。采用節(jié)點降水井來實現(xiàn)基坑預(yù)降水過程，通過設(shè)置滲流邊界函數(shù)使水位降低到所需位置。基坑預(yù)降水的數(shù)值模擬過程如表3所示。

表3 數(shù)值模擬施工步驟

3 基坑變形規(guī)律

3.1 地表沉降規(guī)律

不同預(yù)降水深度下坑外地表沉降模擬結(jié)果云圖如圖3所示。由圖3可以看到，預(yù)降水導(dǎo)致基坑內(nèi)部土體發(fā)生沉降，且隨著預(yù)降水深度增大沉降不斷增大，地連墻很好地阻隔了坑外土體沉降，但仍有繞滲現(xiàn)象出現(xiàn)，且隨著預(yù)降水深度增大，坑外土體由于繞滲產(chǎn)生的沉降范圍增大。

圖3 不同預(yù)降水深度下坑外地表沉降云圖

不同預(yù)降水深度下坑外地表沉降對比曲線如圖4所示。由圖4可知，預(yù)降水深度不同對地表沉降趨勢影響不大。距離基坑0.7～1倍開挖深度內(nèi)沉降最大，3.5倍開挖深度以外沉降逐漸放緩并趨于0。此外，總體上，地表沉降值隨著預(yù)降水深度的增大而增大。降水3m時，由于降水發(fā)生在粉質(zhì)黏土層，其滲透系數(shù)較小，坑外地表沉降曲線較為平緩，且整體沉降較小，降水6～15m發(fā)生在粉細(xì)砂層，滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致土體沉降受降水作用明顯，整體沉降較大。

圖4 不同預(yù)降水深度下坑外地表沉降對比

3.2 地連墻側(cè)移規(guī)律

圖5為不同預(yù)降水深度下地連墻側(cè)移曲線，負(fù)值表示地連墻向基坑內(nèi)移動。

圖5 不同預(yù)降水深度下地連墻水平位移

總體上，地連墻側(cè)移呈現(xiàn)頂部向內(nèi)傾倒的趨勢，頂部側(cè)移量較大，沿深度向下側(cè)移量逐漸減小，約15m以下為主側(cè)移較小，基本處于2mm以內(nèi)的水平。隨著預(yù)降水深度增大，地連墻側(cè)移量呈增大趨勢，主要是由于預(yù)降水導(dǎo)致基坑土體有效應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致地連墻側(cè)移增大，但增大趨勢逐漸放緩。此外，與地表沉降相同，由于預(yù)降水深度3m時降水位于粉質(zhì)黏土層中，導(dǎo)致地表沉降較小的同時，地連墻側(cè)移也較小，當(dāng)降水深度增大到6m時，地連墻側(cè)移顯著增大，此時進(jìn)一步增大降水深度，地連墻側(cè)移增大幅度均較小。

4 結(jié)束語

本文依托實際工程，建立三維數(shù)值計算模型，探討富水砂土地區(qū)由于深基坑預(yù)降水引發(fā)的基坑變形規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）基坑預(yù)降水主要影響坑內(nèi)土體沉降，距離地連墻越遠(yuǎn)土體沉降越小，最大值出現(xiàn)在距離基坑0.7～1倍開挖深度以內(nèi)，在距離基坑3.5倍開挖深度以外沉降逐漸平緩且趨于0；總體上，地表沉降值隨著預(yù)降水深度的增大而增大；粉質(zhì)黏土層中的預(yù)降水導(dǎo)致坑外地下水位下降幅度較小，最終沉降偏小；粉細(xì)砂層中的預(yù)降水產(chǎn)生的坑外地表沉降變化規(guī)律與粉質(zhì)黏土層中的情況較為接近。

（2）預(yù)降水深度對地連墻側(cè)移趨勢影響不大，均為頂部側(cè)移大，往深度方向越來越小；隨預(yù)降水深度的增大，地連墻水平位移也逐漸增大；當(dāng)預(yù)降水位于弱透水層時，由降水導(dǎo)致的側(cè)移較小，當(dāng)預(yù)降水位于強(qiáng)透水層時，側(cè)移情況顯著增大；隨預(yù)降水深度的增大，地連墻側(cè)移增量逐漸減小。