悬挂式止水帷幕深基坑分级降水开挖变形特性

2021-05-06李又云杨立新贺隆贵李昊阳

科学技术与工程 2021年5期

李又云，杨立新，刘伟，王欢，贺隆贵，李昊阳

(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064； 2.中交路桥建设有限公司华南分公司，中山 528400)

佛山市位于广东省中部，地处珠江三角洲腹地，该地区水网密布，地下水丰富且发育有深厚的透水层。在地铁深基坑的隔水设计中，考虑到施工难度以及经济性因素，往往采用悬挂式止水帷幕。但由于悬挂式止水帷幕未能将透水层全部隔断，坑外地下水可绕流到止水帷幕底端通过透水层进入坑内，所以悬挂式止水帷幕对基坑变形的影响远大于全止水帷幕。根据大量工程实测资料，对于采用悬挂式止水帷幕的基坑，由降水开挖所引起的周边地表沉降变形不容忽视，很可能对工程中所关注的管线和周边建筑物的安全使用产生影响。因此有必要对悬挂式止水帷幕基坑变形特性展开研究。

目前许多学者对基坑变形特征的研究主要针对全止水帷幕基坑[1-8]，悬挂式止水帷幕研究成果较少[9-13]。关于悬挂式止水帷幕基坑的变形问题，郑刚等[9]认为悬挂式止水帷幕深基坑降水后容易发生较大的变形，建议在降水前应在坑外设置足够数量的承压含水层回灌井。张兴胜等[10]对上海某悬挂式地下连续墙深基坑渗流侵蚀进行了研究，提出悬挂式地下连续墙深基坑渗流侵蚀会引起地面的附加沉降。安建永等[11]发现悬挂式止水帷幕基坑周边地表沉降受涌砂、涌水影响较大，采取基坑内砂袋反压、桩间注浆、轻型井点降水、分段开挖、快速封底的综合处理措施可有效解决这一问题。李方明等[12]基于江漫滩地区地铁深基坑的变形实测资料，总结了悬挂式帷幕基坑变形规律。目前深基坑施工往往采用分层、分段开挖并及时架设支撑的方式以减少基坑无支撑暴露时间，达到控制基坑变形、减小对周围环境的影响的目的。

上述研究很少考虑基坑分级降水开挖的实际工况，缺乏对基坑变形规律性的分析。因此现依托佛山地铁某深基坑工程项目，探讨悬挂式止水帷幕深基坑在分级降水开挖过程中围护结构和周边地表变形特点和规律，并结合不利工况，采用回灌的方法对基坑周边沉降变形进行控制。旨在为今后本地区类似工程的设计、施工和监测提供经验依据。

1 工程概况

1.1 基坑概况及支护设计

该基坑呈狭长型，东西长266 m，南北宽19.9 m，标准段开挖深度为25.3 m，采用厚度为0.8 m、深31.76 m的地下连续墙加内支撑的围护方式。基坑支撑布设图如图 1 所示，支撑共设置 4道，第一道为钢筋混凝土支撑，第二道、第三道、第四道均为钢支撑，钢支撑壁厚(t)为16 mm。

1.2 工程地质概况

拟建场地位于佛山市区，属于剥蚀残丘与冲积平原交接地带。场内勘察孔深度范围内的地基土属第四系沉积物，主要为淤泥质土、粉性土和砂土。

图1 基坑支撑布设图Fig.1 Layout of foundation pit support

其中淤泥质土具有高含水量、易触变性、高压缩性、自稳能力差等特征，在开挖后容易产生坍塌。勘察深度范围内场地地下水主要有两种类型，一是第四系地层中的潜水，由于受上下相对隔水层的阻隔，具有承压性，二是基岩裂隙水，主要赋存于强/中、风化带中，局部具有微承压性。基坑的地质条件如表1所示。

2 现场实测分析

为便于分析基坑的整个变形过程，将基坑开挖过程分为以下5种工况:工况一:第一层开挖至2.6 m，并施加第一道钢筋混凝土支撑。工况二:第二层开挖至7.15 m，并施加第二道钢支撑。工况三:第三层开挖至14.15 m，并施加第三道钢支撑。工况四:第四层开挖至19.15 m，并施加第四层支撑。工况五:开挖到底板位置至25.3 m完毕。图2为地连墙侧向变形与地表沉降变形监测布置图。

表1 各土层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

图2 地连墙与地表沉降监测布置图Fig.2 Layout of diaphragm wall and surface settlement monitoring

2.1 地连墙侧向位移

针对基坑地连墙的侧向位移，选取CX1、CX2两个典型的测斜点进行分析。图3为地下连续墙水平位移实测曲线，规定土体向坑内移动为正，向坑外移动为负。

围护结构侧向变形总体呈“两头变形小，中间段变形大”的形态。随着开挖深度的增加，地连墙侧向位移不断增大且最大侧向位移点呈下移趋势。在工况一到工况二阶段(开挖深度2.16～7.15 m)，围护结构水平位移较小，变形基本朝着坑内发展。当开挖至工况三时，地连墙顶部开始朝着坑外变形，这表明开挖至工况三时，第一道钢支撑承受了较大的拉应力，因此建议第一道支撑应设计为能承受一定拉力且具有较高刚度、强度的钢筋混凝土支撑。当开挖至工况三(开挖深度14.15 m)时，地连墙侧向变形量相较于工况二(开挖深度7.15 m)有显著增加。这主要是因为在该阶段开挖深度较大，地连墙无支撑暴露的时间过长，因此建议开挖完后应及时施做支撑，以减少围护结构的无支撑暴露时间，尽早形成约束变形的整体结构体系。工况三到工况五阶段(开挖深度14.15～25.3 m)时，地连墙顶部朝着坑外的变形量逐渐增大，但增加速率呈减小趋势。地连墙中部朝着坑内的变形量基本不变，可见随着支撑的逐渐施加，地连墙抵抗变形的能力逐渐增强。

图3 地连墙侧向位移实测曲线Fig.3 Measured lateral displacement curve of diaphragm wall

北京、深圳等地的深基坑支护技术规程对地连墙侧向变形限值做了明确规定，其规定的侧向位移值控制值分别为0.2%He(He为基坑最大开挖深度)、0.2%He与较小值30 mm，CX1、CX2测点地连墙最大侧向位移均在此范围内，因此采用分级降水开挖可以对悬挂式止水帷幕基坑地连墙侧向变形进行有效控制。

图4为监测的地连墙侧向位移达到最大值的深度Hm与开挖深度he的关系。从图4可知，地下连续墙最大水平变形所在位置均位于(he-1.8，he+2.35)，大部分位于Hm=he附近，即位于开挖面附近。

图4 最大侧向位移发生位置与开挖深度的关系Fig.4 The relationship between the location of the maximum lateral displacement and the excavation depth

图5 基坑周边地表沉降实测曲线Fig.5 Measured curve of ground settlement around foundation pit

2.2 坑外地表沉降

针对该基坑的坑外地表沉降，选取典型的地表沉降横断面DBC-07、09、11进行分析。DBC-11断面的坑外地表沉降变形随工况变化情况如图5所示。

在分级降水开挖的各个阶段，随着与基坑距离的增加，基坑周围地表沉降先增大后减小，表现出“凹槽”形，在工况三到工况五阶段，这一特性尤为明显。地表沉降呈凹槽型的主要原因为：佛山地区软土层下为较厚的砂土层，地连墙底部位于刚度较大的砂土层中，因此地连墙竖向位移变化较小，靠近地连墙的土体由于受到其支撑作用，因而地下连续墙顶端与地表交界处的地表沉降不大，最大地表沉降发生于距地连墙后一定距离处，表现出“凹槽”形。

随着基坑开挖工况深度的增加，地表沉降量不断增大且增加速率呈增大趋势。当开挖至工况三时，坑外地表沉降量已经有突变的趋势，随后坑外地表沉降量迅速增加，针对这一现象，在施工过程中应当予以重视。这表明开挖深度较大时，基坑降水开挖对地表沉降的影响效应存在迅速增强的现象，在工况三到工况五阶段，应注意对坑外地表沉降的监测。

3 数值模拟模型建立

对于软土地区的基坑开挖，当基坑边缘至模型边界的距离大于5he，基坑底部至模型边缘的距离大于3he时，边界条件对计算的影响可以忽略不计。因此模型尺寸为：长230 m、宽140 m、高100 m。采用3D-solid单元模拟土体和地连墙，采用2D-beam模拟钢筋混凝土支撑与钢管支撑，采用3D-shell单元模拟降水井与回灌井。为了减少对基坑周围环境的影响，采用分级降水开挖施工，共分为五级。每级开挖施工前将地下水降至开挖面以下1 m。数值模型采用“生死单元”和流固耦合分析模块，模拟基坑分级降水开挖过程。每级开挖前预先进行坑内降水，然后“杀死”各层需要开挖的土体单元，“激活”相应的预应力锚杆单元。有限元模型如图6所示。

研究中建模时所做的假定如下：

(1)各土层为均质、各向同性的理想弹塑体。

(2)不考虑基坑周围地面堆载、超载的影响。

(3)为了使计算简便，基坑的底面为平整面，不考虑基坑斜坡。

(4)降水前土体在自重作用下的固结已经完成。

图6 数值模拟模型Fig.6 Numerical simulation model

(5)地下连续墙体与基坑周围土体为没有空隙，即完全紧密接触；接触面仅仅只有压力作用，不考虑拉力，即只允许相互产生滑移。

4 基坑变形数值模拟分析

4.1 数值模拟计算值与实测值对比

ABAQUS有限元软件的渗流应力耦合模块可以基于土体总孔压变化，采用有效应力法进行流固耦合分析。图 7 为ABAQUS软件计算的地表沉降与地表实测沉降曲线对比图。从图7可以看出，基坑周边地表沉降曲线形态均为“凹槽”形。计算的悬挂式止水帷幕基坑地表沉降曲线与实测曲线较为吻合。

图7 地表沉降数值计算结果与实测值对比Fig.7 Comparison between numerical calculation results and measured values of surface settlement

4.2 沉降原因分析

悬挂式止水帷幕基坑坑外地表沉降是由土体开挖[13]和坑内降水[9]二者耦合作用引起的。但在基坑降水开挖过程中，很难通过实测区分降水及开挖引起的地表沉降变形。为了探究地表沉降与开挖和降水的关系，采用ABAQUS 建立考虑分级降水开挖全过程的三维流固耦合模型，分别计算降水与开挖后的沉降量，计算结果如图8所示。

由图8可以看出，随着开挖的不断进行，在每个阶段由开挖土层引起的地表沉降有减小的趋势，由降水导致的坑外地表沉降呈增大趋势。开挖深度在0～14.05 m时(工况一到工况三阶段)，引起坑外地表沉降主要因素是软土层的开挖扰动，开挖深度在14.05～25.3 m时(工况三至工况五阶段)，引起坑外地表沉降的主要因素是基坑降水。当开挖至14.05 m时(工况三阶段)，由降水引起的地表沉降迅速增加。因此建议在开挖深度较小时，应注意开挖扰动对基坑周边沉降的影响，当开挖深度较大时，应采取回灌措施补给地下水，以减小因基坑降水所造成的沉降量。

由于坑内降水对全止水帷幕基坑的影响可忽略不计，因此根据图8计算结果，可知悬挂式止水帷幕基坑的地表沉降量要远大于全止水帷幕基坑。悬挂式止水帷幕基坑由降水产生的地表沉降变形占总沉降量的66%，由此可见，悬挂式止水帷幕深基坑由基坑降水引起的地表沉降量可占总沉降量的一半以上，由降水引起的地表沉降变形不可忽视。

4.3 地表沉降变化规律

为了进一步分析地表沉降变化规律，采用ABAQUS有限元软件计算出基坑的整个地表沉降曲线，如图9所示。

图9 地表沉降变形曲线Fig.9 Surface settlement and deformation curve

由图9可以看出：基坑降水开挖后，基坑周边地表沉降曲线呈“凹槽”形，这与监测数据反映出来的规律一致。随着基坑的开挖，“凹槽”形态愈发明显。这主要是因为随着坑内水位的不断降低，坑内坑外出现较大的水头差，坑外地下水的绕流现象更为严重，通过地连墙底部的透水层进入坑内，导致坑外地下水位下降较大，坑外地表沉降明显增加，因此曲线的“凹槽”形态更为显著。

随着基坑降水深度与开挖深度的增加，基坑周围地表沉降变形呈增大趋势且增加幅度在基坑开挖较深更为明显。工况一到工况三阶段，地表沉降变形较小，占总沉降量的26.8%，工况三到工况五阶段地表沉降变形较大，占总沉降量的73.2%。当开挖至工况三时，坑外地表沉降已经有突变的趋势，开挖至工况四时，基坑周边地表沉降显著增大，最大沉降量由工况三阶段的6.13 mm增加至12.64 mm。针对这一现象，在施工过程中应当予以重视。这表明降水深度较大时，降水对坑外地表沉降的影响效应存在迅速增强的现象。因此当开挖至一定深度时，尤其应注意坑外地下水位的变化，一旦发现水位降低，应马上对坑外地下水进行回灌。

DBC-07、09、11三个横断面的坑外地表沉降达到最大值时距基坑的距离如图10所示。可以看到，随着开挖深度的增加，最大地表沉降点位置逐渐远离基坑。各个工况下，基坑外最大地表沉降点位置xvm均处于(0.37～0.68)he范围内，因此在施工过程中应重点监测这一范围内的地表沉降量。开挖完成后的最大地表沉降点位置均位于地下连续墙后8～11 m，最大地表沉降点距基坑距离xvm略小于上海地区，这主要与软土层的厚度有关。

图10 最大地表沉降点距基坑距离与开挖深度的关系Fig.10 The relationship between the maximum ground settlement point and the excavation depth

4.4 回灌后坑外地表沉降

由4.3节分析可知，由工况一至工况三阶段，由基坑降水所引起的沉降量较小，当由工况三开挖至工况四时，由基坑降水引起的坑外地表沉降变形不容忽视，因此从工况三开始，在基坑外采取回灌措施补给地下水以控制地表沉降变形。回灌条件下开挖至工况四、工况五时的地表沉降变形如图11所示。

图11 回灌后坑外地表沉降变形Fig.11 Surface settlement and deformation outside the pit after reinjection

由图11可看出，无论是否采取回灌措施，基坑施工引起坑外地表沉降的变化规律基本一致，均呈明显的“凹槽”形。这表明基坑开挖和坑内降水施工是造成坑外地表沉降的主要原因，而采取回灌措施仅仅是对坑外地表沉降变形有一定抑制作用。采取回灌措施后，开挖至工况四与工况五时，同未回灌时相比，坑外地表沉降显著减小。开挖至工况四时，坑外地表最大沉降量为13.5 mm，同未回灌时的14.8 mm相比，减少了8.9%，开挖至工况五时，坑外地表最大沉降量为18.5 mm，同未回灌时的22.9 mm相比，减少了19.2%。

由图11也可看出，采取回灌措施后开挖至工况四时，坑外地表沉降量仍远大于回灌前开挖至工况三时的沉降量，表明在基坑分级降水开挖时，在坑外进行回灌只能在一定程度上抑制地表沉降，坑外地表沉降仍呈增大趋势。因此，在刚发现坑外地下水下降时就应及时采取回灌措施，并选取合适的回灌参数，尽可能减少对坑外地表沉降的影响。