隔水帷幕對(duì)深基坑降水開(kāi)挖變形控制的影響

陳凌銅，朱丹，楊超，曾怡婷，徐長(zhǎng)節(jié),5

(1. 杭州市水務(wù)集團(tuán)有限公司，杭州 310009；2. 杭州市錢(qián)江新城建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，杭州 310020； 3. 杭州市市政設(shè)施監(jiān)管中心，杭州 310003；4. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058； 5. 華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，深基坑工程與既有建(構(gòu))筑物鄰近的情況越發(fā)常見(jiàn)，基坑變形控制要求更加嚴(yán)格，工程降水對(duì)周邊環(huán)境的影響也越來(lái)越得到重視，因此，基坑及周邊環(huán)境變形控制研究在深基坑降水及開(kāi)挖工程中具有重要意義。

徐長(zhǎng)節(jié)等[1]運(yùn)用PLAXIS就某基坑施工對(duì)鄰近隧道的影響及變性控制方法進(jìn)行了數(shù)值研究。陳志偉等[2]通過(guò)模擬分析了緊鄰既有地鐵隧道的深基坑開(kāi)挖和降水的滲流場(chǎng)及變形。張治國(guó)等[3]研究了基坑降水及加固等施工措施對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻水平側(cè)移、坑外地層以及隧道變形的影響規(guī)律。謝康和等[4]和施成華等[5]推導(dǎo)了考慮滲流作用的基坑降水地表沉降計(jì)算公式。周念清等[6-7]模擬降水期間基坑內(nèi)外地下水位分布，并研究了地連墻深度對(duì)地表沉降的控制作用。張軍等[8]模擬了地連墻墻體厚度不同時(shí)的受力和變形特點(diǎn)。Zeng等[9-10]基于工程實(shí)測(cè)及有限元模擬研究了開(kāi)挖前群井預(yù)降水問(wèn)題，分析了基坑寬度、降水深度等因素對(duì)支護(hù)墻及周邊環(huán)境變形的影響規(guī)律。Goh等[11]通過(guò)有限元分析研究了地下水下降作用下影響地基沉降性能的關(guān)鍵參數(shù)，并開(kāi)發(fā)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)最大地面沉降。周勇等[12]和李大勇等[13]對(duì)深基坑降水開(kāi)挖下鄰近地下管線的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。何紹衡等[14]建立三維流固耦合模型分析開(kāi)挖前預(yù)降水深度、止水帷幕深度對(duì)基坑變形性狀的影響。

對(duì)于存在鄰近管線的基坑降水開(kāi)挖這一復(fù)雜情況，往往采用隔斷式基坑降水，隔水帷幕深入不透水層隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，但如果地下含水層深厚，由于造價(jià)和技術(shù)的限制隔水帷幕很難隔斷含水層，此時(shí)將采用懸掛式隔水帷幕。懸掛式隔水帷幕降水需要考慮坑外水位及地下水滲流作用，現(xiàn)有相關(guān)研究仍有待完善。筆者基于鄰近既有超大直徑污水管線的杭州沿江大道地下綜合管廊深基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出隔斷式基坑降水開(kāi)挖施工優(yōu)化方案，并進(jìn)一步模擬分析了穩(wěn)態(tài)滲流情況下不同隔水帷幕深度的基坑和管線變形規(guī)律，可為相似工程的變形控制提供參考。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

杭州沿江大道地下綜合管廊深基坑工程開(kāi)挖長(zhǎng)度約3 650 m，一般段基坑開(kāi)挖寬度10.3～10.7 m，開(kāi)挖深度5.0～16 m，基坑等級(jí)為一級(jí)。如圖1所示，基坑附近有2根型號(hào)D2400的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土污水管，需嚴(yán)格控制變形。污水管線埋深6.4～9 m，與基坑邊緣凈距約4.0 m。

場(chǎng)地地處錢(qián)塘江沖海積平原，場(chǎng)地地面標(biāo)高一般6.50～12.50 m，地下水位平均標(biāo)高為4.93 m?；由婕巴翆右噪s填土、粉土、粉砂層為主，土體具有高壓縮性且部分土層缺失，滲透性好，含水層厚度為20.0～26.4 m。隔水帷幕進(jìn)入下部不透水層，采用隔斷式基坑降水方法，以減小基坑外地下水，降低對(duì)周邊環(huán)境變形影響。

基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用鉆孔灌注樁結(jié)合三軸水泥攪拌樁止水，本文模擬研究斷面選取φ1 000 mm鉆孔灌注樁圍護(hù)段，基坑支護(hù)橫剖面如圖1所示。冠梁頂標(biāo)高8.3 m，地下水位標(biāo)高5.4 m，基坑開(kāi)挖深度為9 m，寬度為10.7 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 @1 200鉆孔樁，圍護(hù)樁長(zhǎng)26 m，三軸水泥攪拌樁隔水帷幕深入⑥1層不透水層超過(guò)2 m。內(nèi)支撐采用1道800 mm×800 mm @8 000鋼筋混凝土支撐，結(jié)合2道φ609×16 @4 000鋼管支撐，第2、3道鋼支撐分別施加1 000、800 kN預(yù)應(yīng)力。基坑坑底兩側(cè)3 m裙邊進(jìn)行三軸水泥攪拌樁土體加固，加固深度為3 m，坑底加固與圍護(hù)樁間隙采用高壓旋噴樁注漿。兩根既有污水管線位于基坑以南，走向與基坑基本平行，外徑2.76 m，厚度0.18 m，管線中心埋深約6.5 m，管道中心距為3.5 m，管道與基坑凈距4.0 m。坑內(nèi)降水采用φ800 mm管井，管井間距10～15 m，之字型交錯(cuò)布置，施工期間地下水位控制在基坑底以下0.5 m。

圖1 基坑支護(hù)橫剖面圖Fig.1 Profile of retaining structure of foundation

1.2 有限元模型尺寸及參數(shù)

工程屬狹長(zhǎng)型基坑，基坑縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度平行于管線方向，且大于9倍的開(kāi)挖深度，基坑-管線相互作用達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)[15]，可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，故采用PLAXIS 2D建模分析計(jì)算，土體模型選取HSS模型(小應(yīng)變土體硬化模型)。HSS模型考慮了土體在加載→卸載→再加載應(yīng)力路徑下剛度的不同，以及小應(yīng)變狀態(tài)下的剛度變化，適用于敏感環(huán)境下土體開(kāi)挖及擋墻變形控制、隧道建設(shè)等問(wèn)題的分析研究[16]。為減小邊界條件對(duì)模擬的影響，模型水平邊界至基坑邊緣距離取5倍基坑開(kāi)挖深度，且該距離超過(guò)基坑降水影響半徑，模型深度取5倍開(kāi)挖深度，所以，模型尺寸為120 m×50 m，模型示意圖如圖2所示。模型采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，即頂面自由，側(cè)面設(shè)置水平約束，底面設(shè)置固定約束。水力邊界設(shè)置為底部閉合，左右邊界設(shè)置為滲流邊界。

圖2 模型示意圖Fig.2 Finite element model

表1 模型土層參數(shù)表Table 1 Soil parameters of model

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及管線參數(shù)Table 2 Parameters of foundation pit retaining structure and pipeline

表3 支撐參數(shù)Table 3 Parameters of foundation pit support

模擬工況如表4所示，模擬步驟通過(guò)激活相應(yīng)結(jié)構(gòu)或者凍結(jié)相關(guān)土層實(shí)現(xiàn)。模擬不考慮由管線施工產(chǎn)生的變形，故生成既有管線后需進(jìn)行位移清零，HSS模型重置位移為零后，會(huì)重置模型中土體的應(yīng)變歷史張量，這將使得當(dāng)前計(jì)算階段重新計(jì)算應(yīng)變。降水模擬可通過(guò)設(shè)置水頭實(shí)現(xiàn)，地下水位控制在開(kāi)挖面以下0.5 m。算例隔水帷幕深入不透水層超過(guò)2 m，完全切斷坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。通過(guò)將坑底1 m以上的土體設(shè)為干類(lèi)組，并將坑底1 m以下土體水頭設(shè)為-9.5 m，并將坑底不透水層⑥1的水位設(shè)置為內(nèi)插，以實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)降水。由于工程案例不涉及地下水滲流，孔壓計(jì)算類(lèi)型選用潛水位。

表4 模擬施工工況Table 4 Construction steps of excavation simulation

續(xù)表4

2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性和參數(shù)取值的合理性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，圖3所示為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的模擬值與實(shí)測(cè)值，模擬得到的曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合，且變形形式相同；14 m以下深度監(jiān)測(cè)值略小于模擬值，但二者差距小于2 mm，且此處非危險(xiǎn)截面，故誤差影響可忽略。此外，模擬得到的管線1、2變形如圖4所示，管線1、2豎向位移增量分別為4.41、3.71 mm，管線1、2沉降監(jiān)測(cè)的平均值分別為4.02、3.60 mm，誤差均在10%以?xún)?nèi)。此誤差在合理范圍內(nèi)，可驗(yàn)證模型的合理性。

圖3 墻體水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Results comparison of retaining structure between numerical simulation and field

圖4 管線位移

3 隔斷式基坑降水方案優(yōu)化

由于隔水帷幕深入不透水層，切斷了基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，隔斷式基坑僅需疏干坑內(nèi)地下水即可。為了優(yōu)化隔斷式基坑降水方案，調(diào)整本工程施工工況進(jìn)行模擬，對(duì)比3種施工方案對(duì)工程的影響，分別為如表4所示的原方案：分級(jí)降水開(kāi)挖；方案1：先進(jìn)行一次性坑內(nèi)降水，再逐級(jí)開(kāi)挖；方案2：先加第一道支撐，再進(jìn)行一次性降水，最后逐級(jí)開(kāi)挖。

圖5、圖6所示為各方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降，3個(gè)方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降形式相同，變形峰值所在位置相同；方案1圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降均大于原方案，方案1圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移峰值比原方案大15.7%，地表沉降峰值比原方案大23.1%；方案2圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降均與原方案幾乎一致。此外，方案1、2管線總位移分別為原方案的1.3倍和1倍?？梢?jiàn)隔斷式基坑降水方案的差異對(duì)周邊沉降控制及管線變形仍然具有較大影響，在降水作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于坑內(nèi)外的水頭差受到側(cè)向水壓力，發(fā)生側(cè)移，降水前先加支撐可由支撐和土體共同承擔(dān)側(cè)向水壓力，減小開(kāi)挖前降水的影響。故隔斷式基坑降水可考慮先加第一道支撐，隨后一次性疏干坑內(nèi)地下水，再進(jìn)行開(kāi)挖的施工方案，既可以減小降水對(duì)基坑變形控制的不利影響，又能簡(jiǎn)化施工過(guò)程，節(jié)省工期，節(jié)約造價(jià)。

圖6 各方案地表沉降Fig.6 Surface settlement of each

圖5 各方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Fig.5 Horizontal displacement of retaining structure

4 參數(shù)分析

為研究隔水帷幕深度對(duì)基坑降水開(kāi)挖變形控制的影響，分別設(shè)置隔水帷幕深度為10、12、14、16、18 m，分析地下水滲流場(chǎng)，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、地表沉降、鄰近管線變形響應(yīng)規(guī)律。由于隔水帷幕未切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，降水及開(kāi)挖階段的孔壓計(jì)算類(lèi)型選用穩(wěn)定滲流分析，通過(guò)設(shè)定坑內(nèi)外水頭設(shè)置基坑降水水力邊界條件；通過(guò)激活不同深度擋墻界面在滲流分析中的活性，實(shí)現(xiàn)不同深度隔水帷幕的設(shè)置。

4.1 不同深度隔水帷幕穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)分析

圖7所示為不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)，由圖可見(jiàn)流速最快處為坑角，水流在隔水帷幕底部會(huì)出現(xiàn)繞流，在管線處也可以觀察到饒流現(xiàn)象，流速越大，繞流現(xiàn)象越明顯?？拥姿宦裆顬?.5 m，10 m深度隔水帷幕對(duì)坑底降水的坑外補(bǔ)給阻攔作用較小，坑外淺層地下水水平流向基坑，深層地下水斜向上流向基坑；當(dāng)隔水帷幕深度增大，坑壁外側(cè)地下水流向沿隔水帷幕向下，到了隔水帷幕以下區(qū)域，地下水流向基本水平。

圖7 不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)滲流場(chǎng)Fig.7 Seepage field corresponding to different depths

4.2 不同深度隔水帷幕對(duì)工程變形影響分析

圖8所示為不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)的基坑右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，隔水帷幕深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分布形式?jīng)]有影響，但對(duì)變形的大小影響較大。隔水帷幕插入深度越深，對(duì)應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形越大，10～18 m隔水帷幕對(duì)應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形峰值分別為隔斷式隔水帷幕的70.3%、73.9%、77.4%、81.3%、85.8%，可見(jiàn)，隨著隔水帷幕深度加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形峰值基本呈等差增長(zhǎng)。隔水帷幕設(shè)置越深，坑外水頭變化越小，坑內(nèi)外水頭差越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的側(cè)向水壓力越大，且在穩(wěn)態(tài)滲流下圍護(hù)結(jié)構(gòu)還受到向坑內(nèi)的滲流力；同時(shí)，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)滲流場(chǎng)向下，土體受到向下的滲流力，重力增大，主動(dòng)土壓力增大，坑內(nèi)受到向上的滲流力，重力減小，被動(dòng)土壓力減小，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形更為不利。不同隔水帷幕深度對(duì)應(yīng)的坑內(nèi)外水頭差如圖9所示，將12～18 m深度隔水帷幕進(jìn)行線性擬合得到圖9中的表格，R2大于0.99，可見(jiàn)，坑內(nèi)外水頭差隨隔水帷幕加深呈線性減小。但當(dāng)深度大于18 m后，水頭差迅速增大，這是由于20 m以下為不透水層，當(dāng)隔水帷幕接近隔水底板時(shí)，此線性規(guī)律將不再適用。

圖9 不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)坑內(nèi)外水頭差Fig.9 Water head difference between inside and outside of pit corresponding to different depths of waterproof

圖8 不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Fig.8 Horizontal displacement of retaining structure corresponding to different depths of waterproof

圖10所示為不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)基坑右側(cè)的坑外地表沉降，由圖可見(jiàn)，隔水帷幕插入深度越大，地表沉降越小，沉降分布形式及峰值所在位置與隔斷式基坑相同。10、18 m隔水帷幕的地表沉降峰值分別比隔斷式基坑大86.7%、52.1%，這是由于隔水帷幕深度越大，坑外水位變化越小，由降水引起的附加應(yīng)力越小，土體沉降越小。雖然坑外地表沉降隨著隔水帷幕加深得到有效控制，但在沉降控制要求嚴(yán)格的區(qū)域施工，還是選用隔斷式隔水帷幕為優(yōu)。

圖10 不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)地表沉降Fig.10 Surface settlement corresponding to different

圖11所示為各項(xiàng)位移相對(duì)值隨隔水帷幕深度變化，w為不同深度隔水帷幕對(duì)應(yīng)的位移，w0為隔斷式隔水帷幕對(duì)應(yīng)的位移，可見(jiàn)，各項(xiàng)位移隨隔水帷幕深度變化趨勢(shì)基本呈線性，線性擬合見(jiàn)表5。各曲線的線性相關(guān)數(shù)接近于±1，說(shuō)明各項(xiàng)位移與隔水帷幕深度相關(guān)性很強(qiáng)，管線豎向位移和地表沉降與隔水帷幕深度呈負(fù)相關(guān)，其余兩項(xiàng)位移與隔水帷幕深度呈正相關(guān)；管線水平位移、地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移擬合方程的R2均大于0.97，且調(diào)整后R2與R2差距小于0.01，說(shuō)明線性擬合度非常高；管線豎向位移的調(diào)整后R2也接近0.9，線性擬合度較好，但低于其他3條繪圖的擬合度，這是由于管線豎向位移與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及地表沉降均有著密切聯(lián)系，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降與隔水帷幕深度之間的相關(guān)性相反，所以導(dǎo)致管線豎向位移的線性擬合度稍差。管線水平位移的斜率只有0.004 48，管線豎向位移斜率為水平位移的10倍，可見(jiàn)隔水帷幕深度對(duì)管線水平位移的影響可以忽略，對(duì)管線豎向位移影響較大，這是因?yàn)楣芫€豎向位移與所受豎向附加應(yīng)力有直接關(guān)系，隔水帷幕深度對(duì)坑外水位影響較大，從而影響附加應(yīng)力，而管線水平方向主要受滲透力影響，滲透力較小，往往可忽略。

圖11 各項(xiàng)位移相對(duì)值隨隔水帷幕深度變化Fig.11 The relative values of the displacements corresponding to different depths of waterproof

表5 各項(xiàng)位移相對(duì)值線性擬合結(jié)果Table 5 Linear fitting results of relative displacement

5 結(jié)論與建議

基于工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出隔斷式基坑降水開(kāi)挖施工優(yōu)化方案，并進(jìn)一步改變隔水帷幕深度進(jìn)行系列模擬，分析了滲流場(chǎng)分布及坑內(nèi)外水頭差變化規(guī)律，并得到隔水帷幕對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行模擬研究，土體模型采用HSS模型，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好，有限元計(jì)算模型和參數(shù)選取合理，可為相關(guān)工程數(shù)值分析提供參考借鑒。

2)隔斷式基坑降水可采用先施工第一道支撐，再一次性降水到坑底的施工方案，該方案既可以有效控制降水對(duì)基坑及周邊建構(gòu)筑物變形的影響，又可以簡(jiǎn)化施工工序，節(jié)省工時(shí)，節(jié)約造價(jià)。

3)采用懸掛式隔水帷幕隔水時(shí)，當(dāng)隔水帷幕遠(yuǎn)離不透水層時(shí)，隨著隔水帷幕深度加深，坑內(nèi)外水頭差線性增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移線性增大，鄰近管線豎向位移、坑外地表沉降線性減??；切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系對(duì)控制坑外地表沉降及鄰近管線變形均有著顯著優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制更為不利。