懸掛式止水帷幕基坑降水開挖對(duì)臨近高鐵橋墩影響

李鵬舉，錢林根，吳強(qiáng)，黃山，陳甦*

(1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)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(hào)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(duì)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(duì)于懸掛式止帷幕，其設(shè)置深度對(duì)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(xiàn)[2-6]采用三維有限差分法或有限元法建立了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算模型，分析了基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響及其規(guī)律；平揚(yáng)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(cè)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(dá)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(jì)算公式，并建立了一套兼顧基坑設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性的基坑控水設(shè)計(jì)優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[10-15]采用有限元方法對(duì)不同止水帷幕深度條件下坑外滲流場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，分析總結(jié)了止水帷幕的埋置深度對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移等，并結(jié)合實(shí)際工程分析了不同止水帷幕深度對(duì)基坑變形的影響。

目前對(duì)于基坑懸掛式止水帷幕的設(shè)置深度，在設(shè)計(jì)上并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于基坑降水開挖對(duì)鄰近高鐵高架橋的影響問題還有待進(jìn)一步深入研究。本文以蘇州某地鐵車站為研究對(duì)象，針對(duì)場(chǎng)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(yán)格(橋墩最大沉降值≤5 mm)的工程特殊性，對(duì)基坑懸掛式止水帷幕條件下降水開挖過程進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，分析了懸掛式止水帷幕深度對(duì)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(zhǎng)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(hù)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?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)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(yuǎn)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(duì)基坑懸掛式止水帷幕深度進(jìn)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(jì)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(kù)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(jì)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(jì)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(yàn)初步計(jì)算了基坑降水的影響范圍。通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，在抽水井水位降深28.51 m時(shí)，降水半徑為158 m，即計(jì)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(zhǎng)度分別為600、440和120 m?？紤]到模型尺寸較大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，最終選擇模型的1/4作為實(shí)際計(jì)算模型，如圖3所示，劃分單元總數(shù)量為333 447個(gè)。

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(dòng)設(shè)置約束”選項(xiàng)對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行自動(dòng)約束，即對(duì)除頂面以外的五個(gè)界面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)對(duì)稱面，因而需在對(duì)稱面上額外約束另外兩個(gè)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(diǎn)水頭的方式建立滲流邊界條件，即對(duì)在坑內(nèi)水位降深處的所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)水頭來實(shí)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(shí)出現(xiàn)時(shí)，由于其剛度和強(qiáng)度性質(zhì)差異均較大，為了使計(jì)算剛度匹配，應(yīng)針對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)土體單元的方式實(shí)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(jìn)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(jì)算與應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行耦合以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 三維數(shù)值模擬計(jì)算分析

本文首先對(duì)全封閉止水帷幕(工程實(shí)際情況，MJS工法樁水平隔水層+豎向地連墻)進(jìn)行模擬，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)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(jìn)行模擬計(jì)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(shí)際深度。

3.1 基坑降水開挖對(duì)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(shí)，地表沉降(基坑長(zhǎng)邊1/2處地表沉降斷面，如圖5所示，后同)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖中正值代表隆起、負(fù)值代表沉降。圖7為基坑開挖至坑底(模擬施工步序(5))時(shí)豎向位移云圖。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig.5 Layout plan of monitoring site

圖6 全封閉止水帷幕時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)的地表沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，且與沉降計(jì)算值差異較為明顯，原因可能是實(shí)際工程中坑邊常有吊車等大型機(jī)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(duì)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(shí)(模擬施工步序⑤)，地表沉降、高鐵橋墩最大沉降計(jì)算結(jié)果如圖8、表3所示；圖9為地連墻深度為91 m時(shí)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(shí)不同懸掛式止水帷幕深度時(shí)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(shí)橋墩最大計(jì)算沉降

圖9 止水帷幕深度為91 m時(shí)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(shì)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(shí)，在距坑邊37.7 m(約為2倍端頭井挖深)處地表沉降計(jì)算值為10.99 mm，說明此時(shí)基坑降水開挖對(duì)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(duì)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(shí)，地表和高鐵高架橋墩最大計(jì)算沉降分別為74.44、4.18 mm；當(dāng)?shù)剡B墻深度為41 m時(shí)，地表和高鐵高架橋墩最大計(jì)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(zhǎng)了地下水滲流路徑，只有當(dāng)?shù)剡B墻深度超過91 m時(shí)，降水開挖對(duì)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(duì)不同懸掛式止水帷幕深度條件下基坑降水開挖進(jìn)行模擬，分析了止水帷幕深度對(duì)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(jìn)行而逐漸增大。計(jì)算與實(shí)測(cè)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(yàn)證了模擬計(jì)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(duì)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(dá)到一定深度，仍然可以將基坑降水開挖對(duì)高鐵高架橋墩的變形控制在相應(yīng)的要求之內(nèi)。