超深富水基坑開挖工程突涌以及變形分析

高京生，程 樂，宗二凱，易德新

(1.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司,浙江 寧波 315000;2.寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司,浙江 寧波 315000;3.寧波市軌道交通集團有限公司,浙江 寧波 315000; 4.寧波市市域鐵路投資發展有限公司,浙江 寧波 315000)

0 引言

隨著城市化進程的加速和土地資源利用的必然趨勢,超深基坑已經成為建設高層建筑等工程的一種必要手段[1]。尤其是在一些城市中心區建設高層建筑時,常常需要建造數十甚至上百米深的超深基坑。在實際建造過程中,由于開挖深度較大,因此需要考慮地下水以及基坑周圍環境的問題。針對基坑開挖問題,已有大量學者進行了研究[2]。在二元結構地層中賦存豐富的承壓水的特定條件下,蘇滔[3]系統研究軟土二元結構深基坑降低承壓水技術和應用;駱冠勇等[4]專注于探索承壓水減壓對土壤內應力和地表沉降的影響,并且在假設一維豎向固結的前提下,推導了減壓引起的沉降固結度計算公式。楊毅秋[5]通過對工程實例的分析總結出微承壓水對工程的危害,并借助PLAXIS有限元程序來分析承壓水滲流條件下基坑工程的變形與穩定。為解決基坑支護和土體變形問題中承壓水帶來的難題,紀政[6]通過分析基坑變形形式與地下水理論,并模擬計算了承壓水條件下支護結構的內力與土層變形。孫玉永等[7]通過數值模擬與理論分析,探討三種承壓水基坑突涌模式,并明確判定了基坑發生突涌的方法。王衛東等[8]首次在蘇州地區采用超深TRD工法等厚度水泥土攪拌墻,并建立三維數值模型來模擬基坑開挖過程,經分析表明基坑開挖和降水均符合隧道要求。張飛等[9]對比了軟土深基坑彈塑性數值模型與現有理論分析方法,驗證了數值方法的合理性,此外還探討了支護結構與坑底的變形規律。趙燕容等[10](2023)研究了廣州新白云國際機場基坑降水工程,提出了基于抗突涌穩定性安全系數控制的基坑降水最優化模型;林必明[11](2023)等研究了上海市區基坑工程突涌發生的原因,介紹了具體的應對治理措施。

在寧波地區目前對于地鐵深基坑的研究還不夠充分,因此有必要深入探究該地區承壓水的特性,以了解當地深基坑開挖對突發涌水及周邊環境的影響。這樣做可以為未來工程建設提供實踐指導。基于此,筆者以寧波市軌道交通7號線明海大道站為例,采用PLAXIS 2D有限元軟件建立基坑開挖模型,分析承壓水基坑突涌穩定性,研究承壓水條件下深基坑突涌水穩定性以及對周圍環境的變形控制效果。

1 工程概況

明海大道站地處寧波市鎮海區,為寧波市軌道交通7號線第24個站,車站設置于鎮海大道上,呈東西向布置于規劃路與鎮海大道路口。鎮海大道紅線寬60 m,現狀為雙向八車道,車流量較大,兩側各有一條5 m 左右的人行道。規劃路紅線寬67 m。車站為地下2層島式車站,為單柱雙跨(局部雙柱三跨)結構。該基坑深度為16.700 m,寬度為20 m。場地整平地面標高為3.300 m,地下連續墻深入地下43 m,墻厚0.8 m?；游宓纼戎卧O置情況如表1所示,基坑開挖工序如表2所示。

根據工程性質和現場地質條件,場地地基土分析如下:①1a雜填土,①2黏土,③1b粉砂,③2粉質黏土,⑥2t砂質粉土,⑧1粉砂,⑧2粉質黏土。

根據本次鉆探揭露地層情況,并結合區域水文地質資料分析,本場地勘探范圍內埋藏分布有淺部孔隙承壓水和深部孔隙承壓水,其中深部孔隙承壓水為第Ⅰ含水層組,其又分為Ⅰ1和Ⅰ2承壓水。

表1 基坑內支撐設置方式

表2 基坑開挖主要施工工序

1)淺層孔隙承壓水主要賦存于③1b粉砂層中。根據區域地質資料及本次承壓水頭觀測孔水頭觀測情況,其水位埋深一般在1.50 m～2.00 m左右,標高在0.8 m左右,滲透系數介于2.66×10-3cm/s～3.56×10-3cm/s左右,屬中等透水,水量相對較小,單井出水量在34 m3/d～87 m3/d左右,補給和排泄均不暢,為封存式地下水,水質為咸水,地下水流速小。

2)Ⅰ1層孔隙承壓水主要賦存于⑥2t層黏質粉土中。⑥2t層黏質粉土其頂板標高-42.52 m～-38.11 m,揭示層厚1.00 m～7.00 m,含水層透水性較好,根據詳勘抽水試驗成果,其測壓水位埋深在2.15 m,標高為0.4 m,期間水頭變化幅度較小,其平均滲透系數介于1.23×10-3cm/s～1.50×10-3cm/s之間,單井出水量34 m3/d～62 m3/d。

3)第Ⅰ2層孔隙承壓水賦存于⑧1及⑧3a層粉砂中。根據區域水文資料及金華路站詳勘抽水試驗成果,滲透系數約1.95×10-3cm/s～2.52×10-3cm/s,屬強透水,水量較豐富,單井開采量1 500 m3/d～1 800 m3/d,系市區地下水主要開采層之一,水溫為19.5 ℃～20 ℃,靜止水位埋深一般為2.70 m左右,高程-0.39左右。

2 基坑開挖有限元模型

該工程基坑寬度為20 m。根據圣維南原理,基坑開挖影響區域為開挖尺寸的3倍～5倍,故確定模型尺寸為140 m×180 m(長×高)。采用PLAXIS 2D軟件建立二維數值計算模型,通過模擬獲得深基坑開挖過程中的變形結果。土層采用小應變土體硬化本構模型[12-13](Hardening Soil with Small-Strain Stiffness,簡稱為HSS模型)。土層參數由地質勘察報告和經驗公式計算得出,表3列出了具體數據,小應變參數γ0.7統一取1×10-3。表4記錄了地下連續墻和支撐材料的參數及模擬單元,土層與結構的界面強度折損參數按經驗值取Rinter=0.67。為獲得更準確的計算結果,劃分為三角形網格,基坑內部粗糙系數設置為0.5,其余部分設置為1,采用超細的單元分布,共計5 798個單元和47 819個節點。數值計算網格劃分詳見圖1。

表3 HSS模型計算參數

表4 墻體及支撐材料參數

3 模型預測

3.1 基坑抗突涌驗算

深基坑設計開挖面以下一定深度內埋藏有承壓含水層時,必須進行基坑底板引起突涌的安全計算。要保證基坑的穩定,則基坑最終開挖面到下部承壓含水層頂板間土的重量應大于承壓含水層的頂托力[14]。

∑h×γs≥Fs×γw×H。

其中,h為承壓含水層頂板與基坑最終開挖面之間的距離;H為承壓水總水頭;γs為承壓含水層頂板以上土層的加權重度,kN/m3;γw為水的重度,取10 kN/m3;Fs為基坑抗突涌安全系數,本文中取1.10[15]。

地連墻底部位于⑥2粉質黏土中,已將③-1b層隔斷,因此無需考慮該承壓水層,只需考慮潛水和⑥2t砂質粉土層以及⑧1粉砂層承壓水的影響?；涌雇挥糠€定性驗算見表5。

表5 基坑抗突涌穩定性驗算

結合該基坑抗突涌水驗算成果,模型模擬預測了基坑降水運行期間坑內外承壓水穩定孔壓,如圖2所示。根據計算結果,⑥2t砂質粉土層以及⑧1粉砂層均符合突涌水的安全驗算,說明該工程無需進行降承壓水處理。

3.2 基坑外地表沉降

基坑開挖完成后地層總位移以及豎直方向上的位移云圖如圖3和圖4所示,根據數值模擬計算,基坑外地面沉降量如圖5所示。根據變化曲線可得,基坑周邊地表沉降的變化規律均為先變大后變小,隨著基坑施工工序的開展,該變化則更明顯。開挖土層較淺的時候,隨著離基坑的距離的增加,沉降的位移區別并不明顯。當基坑開挖越來越深時,土層的沉降變化隨著離開基坑的距離更為明顯,沉降會迅速達到最大值。施工過程中沉降的最大值35.15 mm均出現在距離基坑20 m的位置。

由圖5可以看出,開挖富水條件下的超深基坑,距離基坑外60 m處地表沉降依然有10 mm左右。根據本工程的設計標準基坑標準段的基坑設計等級與環境保護等級分別為一級和二級,地面最大沉降量要小于0.2%H,代入基坑開挖深度16.7 m,計算得33.4 mm,數值模擬計算結果略大于該容許值,考慮與PLAXIS 2D建模過程中省略了冠梁存在較大關聯。

根據王衛東等[16]的研究結論,最大地表沉降值介于0.1%H～0.8%H之間,最大地表沉降一般發生距離地下連續墻0.3%H～1.0%H,本工程最大地表沉降發生距離地下連續墻1.2H范圍,與上海軟土地區基坑開挖地表沉降規律略有不一致。

3.3 地下連續墻變形

基坑圍護結構變形是施工質量的重要指標之一。在PLAXIS 2D中,分階段進行施工計算,并得到各個施工工況下地下連續墻的水平變形見圖6。在不同的施工階段中,地下連續墻的最大變形位置發生了變化。同時,地下連續墻的水平變形呈現出“弓”形特征,即墻頂和墻底兩端變形較小,而中間變形較大。這種特征與Zhang等[17]的研究結果相符。在軟黏土中采用小應變硬化土模型本構進行有限元模擬,得到了圍護墻體形成“肚鼓形”的類似結論。

根據圖7可知地下連續墻的最大水平位移值為49.8 mm,根據本工程的設計標準,圍護墻最大水平位移為0.3%H,計算可得圍護墻最大水平位移為50.1 mm,說明該工程的圍護墻水平位移滿足要求。

3.4 基坑底隆起位移及穩定性驗算

隨著基坑開挖進程,土壤平衡的應力場被破壞,卸載后基坑底部土體應力狀態改變,產生回彈變形。本基坑工程基坑底部隆起位移如圖8所示?；拥撞柯∑鹞灰谱畲蟮奈恢梦挥诨又虚g,最大隆起位移為56 mm。

不同階段基坑內土體的隆起變形如圖9所示,對比不同階段的基坑底土體隆起程度,結合基坑開挖深度,每個階段的基坑開挖情況如表6所示。

表6 各個階段的基坑開挖情況

從不同階段的增長率可以看出,隨著基坑開挖施工進程,基坑底隆起位移不斷增加,變形的增長率呈現下降的趨勢,階段七的變形增長率下降明顯,這是因為該階段開挖到基坑底部,澆筑200 mm厚C30早強混凝土墊層,將坑底變形控制在合適范圍內。

基坑抗隆起驗算是基坑工程設計的關鍵內容,關系到基坑支護、周邊環境的安全以及基坑的變形。采用同時考慮c,φ的計算方法進行抗隆起穩定性驗算。

其中,γ1為地表至地連墻底部土層的加權天然重度;γ2為坑底至地連墻底部土層的加權天然重度;Nq,Nc均為地基極限承載力系數;D為地下連續墻入土深度;H為基坑深度;q為地面荷載;c為地連墻底部黏聚力;φ為地連墻體底的內摩擦角。

根據普朗特爾公式可以得到地基極限承載力的計算系數為:

經計算,Ks=9.96,遠大于本工程車站基坑穩定性設計標準1.8,符合要求。

4 地下連續墻深度參數研究

為研究地下連續墻深度對基坑抗突涌穩定性以及環境變形控制的影響,建立若干不同地下連續墻施工深度的計算模型。

4.1 地下連續墻水平位移變化

對比地下連續墻總埋深為43 m～53 m條件下的地下連續墻的水平變形,如圖10所示。從圖10中可以發現地下連續墻在總埋深從43 m增加至53 m時,地下連續墻的最大水平位移發生了極不明顯的變化,并且地連墻深度的增加對最大值點位置的影響也并不明顯。

4.2 基坑底土體隆起變形變化

對比地下連續墻總埋深為43 m～53 m條件下的基坑底的隆起變形,如圖11所示,從圖11中可以發現地下連續墻在總埋深從43 m增加至53 m時,基坑底土體隆起變形呈現出不斷變小的趨勢。地連墻埋深與坑底隆起最大位移情況如表7所示。

從降低率可以看出在一定范圍內,增加地下連續墻的深度對坑底隆起位移并無明顯作用。基坑隆起位移最大值均在基坑中間。

表7 地連墻埋深與坑底隆起最大位移情況表

5 結論

突涌水以及地表沉降特性會嚴重影響超深富水基坑開挖工程質量。本文通過計算基坑開挖過程中的抗突涌水系數、穩定性系數,以及基坑外地表沉降與地下連續墻水平變形,并進行了參數研究。研究結果如下:

1)運用數值模擬手段,采用HSS本構模型,模擬超深富水基坑開挖工程。經計算,地連墻水平變形值、坑底隆起變形小于容許值,表明該工程設計已能滿足安全性考慮。

2)該模型能較好地分析基坑開挖過程中的變形規律。地連墻水平變形呈現出“弓”形特征;坑底隆起變形中間大兩邊小,變形增長率隨基坑開挖施工進程而下降;坑外地表沉降最大值發生在距離基坑20 m的位置,隨著基坑壁距離的增長,呈現出先變大后變小的特點。三者的變形規律符合現場實際與工程經驗。

3)采用基坑底板引起突涌的安全計算以及同時考慮c,φ的計算方法,經理論分析及驗算,基坑抗突涌與坑底穩定性均滿足需求,說明現有施工方案已能保證該工程的安全,無需進行降承壓水處理。

4)本文對地下連續墻的深度進行了參數研究,結果表明:基坑變形對地下連續墻入土深度并不敏感。因此,在寧波地區進行深基坑工程時,不建議采取增加地下連續墻深度的方式來控制變形。