设置水平隔水帷幕的基坑降水开挖对周边环境的影响分析

钱林根 李鹏举 谢致清 侯长领 陈甦

摘 要：为了研究水平隔水帷幕有效性对基坑降水开挖产生变形的影响，采用三维有限元软件对不同水平隔水帷幕渗透系数条件下基坑降水开挖过程进行模拟，分析了水平隔水帷幕渗透性对周边环境的影响规律。结果表明：1）在全封闭止水条件下，周边地表及高铁高架桥墩沉降随基坑降水开挖的进行而逐渐增大，且计算结果与实测结果较为吻合;2）隔水系统的隔水有效性对基坑降水开挖引起的周边地表和临近高铁高架桥墩沉降影响较大，当水平隔水帷幕渗透系数（k）为1×10-7 cm/s和6×10-3 cm/s时，周边地表和高铁高架桥墩最大计算沉降分别为63.21，178.66 mm和1.04，31.88 mm;3）全封闭隔水系统将基坑降水开挖引起的临近高铁高架桥墩沉降有效控制在了要求范围内。研究结果可显著提高水平隔水帷幕在基坑工程中的应用效果，并为其相关研究提供经验参考。

关键词：地基基础工程;水平隔水帷幕;基坑降水开挖;数值模拟;沉降

中图分类号：TV551.4   文献标识码：A   DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01007

Abstract：In order to study the impact of effectiveness of horizontal waterproof curtain on the deformation of foundation pit dewatering and excavation，the three-dimensional finite element software was used to simulate the dewatering and excavation process of foundation pit under different permeability coefficients of horizontal waterproof curtain，and the influence of the permeability of horizontal waterproof curtain on the surrounding environment was analyzed.The results show that： 1） the settlement of surrounding ground surface and high-speed rail viaduct piers gradually increases with the process of dewatering and excavation of foundation pit under the fully enclosed waterproof condition，and the calculated results are in good agreement with the measured results;2） the effectiveness of waterproof system has a great influence on the settlement of surrounding ground and adjacent high-speed rail viaduct piers caused by dewatering and excavation of the foundation pit.When the permeability coefficients （k） of horizontal waterproof curtain are 1×10-7 cm/s and 6×10-3 cm/s，the maximum settlements of the surrounding ground surface and the viaduct pier are 63.21，178.66 mm and 1.04，31.88 mm respectively;3） the settlement of the adjacent high-speed rail viaduct caused by dewatering and excavation of the foundation pit is effectively controlled within the required range by the fully enclosed waterproof system.The research results significantly improve the application effect of horizontal waterproof curtain in foundation pit engineering and provide empirical reference for the related research.

Keywords：ground foundation engineering;horizontal waterproof curtain;foundation pit dewatering and excavation;numerical simulation;settlement

隨着中国城市化进程的不断加快，地铁车站等大型工程日益增多，在地铁车站基坑降水开挖的过程中，往往会因坑内外产生较大的水头差而引起地下水渗流。地下水渗流极易引起地面的沉降及基坑支护结构的失稳，进而造成邻近建（构）筑物等沉降过大。为确保基坑周边临近既有建（构）筑物等安全，对基坑降水开挖引起的周围环境影响进行深入研究十分重要。

针对基坑工程降水开挖对周边环境影响的问题，一些学者开展了相关研究。安璐等[1]结合现场实测数据和室内三轴试验模拟的方法，分析了基坑降水开挖对坑内土变形的影响规律;陈锦剑等[2]基于比奥固结理论的有限元法，分析预测了基坑降水过程中周围土体的沉降;KHOSRAVI等[3]采用解析模型和数值模型分别计算了基坑降水开挖产生的沉降量并与实测数据进行了对比，证明了有限元在计算基坑周围沉降时的可靠性。AHMAD等[4]以巴基斯坦旁遮普省一个大型深基坑工程为依托，通过调整地连墙深度对基坑降水开挖过程进行有限元模拟，计算结果表明，地下水降深随着地下连续墙深度的增加而减小。

考虑流固耦合作用的有限元分析方法在研究基坑降水产生变形方面引起了普遍关注，众多学者采用考虑流固耦合作用的三维有限元模拟方法，探讨了基坑降水对周边地表及围护结构的影响[5-8]。为研究应力场与渗流场的相互作用关系，相关学者采用三维有限差分程序或有限元方法建立了渗流场与应力场的计算模型，并结合具体工程分析了基坑降水开挖对周边环境的影响[9-17]。

目前，关于基坑降水开挖对周边环境的影响问题还有待进一步研究。本文结合苏州某基坑工程，采用Midas GTS有限元软件，对坑底下某一深度处设置MJS工法大面积水平隔水帷幕的基坑降水开挖引起的周边地表及高铁高架桥墩沉降进行数值模拟，并将计算结果与实测数据进行对比分析。最后，通过调整水平隔水帷幕的渗透系数分别进行数值计算，研究隔水帷幕有效性对周边环境的影响。

1 工程概况

城铁花桥站是苏州轨道交通S1号线的第22座车站，位于华夏路与西泾路交叉口，呈南北向布置，总建筑面积18 621 m2，外包线总长为193.4 m，标准段结构宽度为35.7 m，端头井处结构宽度为40.4 m，位置图如图1所示。

基坑标准段开挖深度约17.2 m、端头井开挖深度约18.9 m，车站底板主要落在③3粉土层，地下连续墙底进入⑦2粉土夹粉砂层，采用明挖顺作法施工。基坑采用地下连续墙（墙厚0.8 m，深41 m）+内支撑（设置2道砼支撑、2道钢支撑，端头井增设1道换撑）的围护形式，标准段与端头井的围护结构剖面如图2所示，剖面选取位置如图1所示（断面1-1为北端头井1/2位置，斷面2-2为标准段1/2位置），后文中对应的基坑模型剖面参考此处。

基坑北端临近京沪、沪宁高铁线（如图1所示），由于地面以下10～100 m深度范围内缺失天然的隔水层，竖向隔水帷幕难以做到全封闭，因此设计在坑底以下36 m深处设置3～5 m厚（端头井、标准段北侧区域厚5 m，其余区域厚3 m）MJS工法水平隔水帷幕（如图3所示），并将其与竖向隔水帷幕（地下连续墙）共同形成全封闭隔水系统（如图3所示），以减少基坑降水开挖对临近高铁高架桥的影响。

2 三维有限元数值模拟

2.1 计算参数及模型

1）土体及结构单元计算参数

为了更加准确地模拟土体的力学性能和变形特征，本文将采用修正摩尔库伦（简称HS）本构模拟土体材料，其他结构单元材料统一采用弹性本构进行模拟。数值模拟过程中涉及到的相关计算参数详见表1、表2。

2）模型建立

为了消除地下水边界效应产生的影响，本文根据单井抽水试验初步计算了基坑降水的影响范围，最终确定模型尺寸在X，Y，Z方向的长度分别为600，440和120 m。考虑到模型尺寸较大，为了简化计算，最终选择模型的1/4作为实际计算模型，如图4所示。

2.2 边界条件及荷载条件

模型中通过设置节点水头的方式建立渗流边界条件，即对在坑内水位降深处的所有节点设置水头值。在模拟施工步骤过程中，可通过激活、钝化坑内外不同节点水头来实现坑内水位的下降，以此来模拟基坑的降水过程。

当两种性质差异较大的材料同时出现时，由于其刚度和强度性质差异均较大，为了使计算刚度匹配，应针对不同情况设置合理的界面单元。采用软件中“属性助手”在地连墙板单元处设置界面单元，其中虚拟厚度设置为0.1，刚度折减系数设置为0.65[18]，类似地对高铁桩基、立柱桩以及格构柱也设置界面单元。

为反映实际荷载情况，模型中以单位面压力的形式条形分布于基坑周围，超载大小设置为20 kPa，同样将10 kPa的单位面压力作用在高铁高架桥墩上表面，即高铁桥墩超载。

2.3 模拟施工步序

本次模拟通过钝化对应土体单元的方式实现土方开挖过程。模拟施工步序：①土方开挖至第1道支撑下;②架设第1道支撑、土方开挖至第2道支撑下;③架设第2道支撑、土方开挖至第3道支撑下;④架设第3道支撑、土方开挖至第4道支撑下;⑤架设第4道支撑、土方开挖至坑底。

在基坑开挖之前，须激活初始渗流步、应力分析步，接着激活基坑附近高铁、地连墙等结构，最后激活坑底MJS水平隔水帷幕和超载并清零位移值。

3 三维数值模拟计算分析

有限元计算通过调整水平隔水帷幕渗透系数来模拟其可能出现的渗漏情况，不同渗透系数取值见表3，其中渗透系数为1×10-7 cm/s时，表示水平隔水帷幕完全不透水（隔水效果好），渗透系数为6×10-3 cm/s时，表示水平隔水帷幕完全失效（等同于原状土）。

由图11可知，随着与基坑距离的不断增大，水位变化值不断减小，并且在达到某一距离之后，其值逐渐趋于稳定，在这个距离以外的范围内，水位基本不变。当水平隔水帷幕渗透系数为1×10-7 cm/s时，水位下降深度最大值为0.64 m，压力水头等势线基本呈水平状;当渗透系数为6×10-3 cm/s时，水位下降深度最大值为6.36 m（约为前者的9.94倍），压力水头等势线呈现较为明显的“漏斗”状，说明此时地下水渗流作用较为明显，坑外水位发生了较大程度的下降。

由图12、表4可知，地表沉降量随隔水帷幕渗透性的变化趋势与坑外水位变化基本相同，都是随渗透系数增大而增大。当水平隔水帷幕完全不透水（隔水效果好）和完全失效（等同于原状土）时，地表和高铁高架桥墩最大计算沉降分别为63.21，178.66 mm和1.04，31.88 mm。基坑隔水帷幕的有效性对周边地表及高铁高架桥墩沉降影响较大，当本基坑工程隔水帷幕不能完全封闭时，降水开挖对高铁高架桥墩的变形影响将不能满足相关规范[19]的要求（≤5 mm）。

4 结 语

本文以苏州某设置水平隔水帷幕的地铁深基坑工程为研究背景，通过调整水平隔水帷幕的渗透系数来模拟基坑开挖过程中可能出现的渗漏情况，并对不同隔水帷幕渗透系数下地表沉降、高铁高架桥墩沉降等计算结果进行整理分析，研究隔水帷幕渗透性对周边环境的影响规律，得出如下主要结论。

1）基坑降水开挖产生的地表沉降曲线呈凹槽型，地表沉降随基坑降水开挖的进行而逐渐增大，基坑降水开挖对距离基坑2倍坑深外的影响已较小，说明基坑止水效果良好。地表沉降计算值与实测值差异较小，且两者变化规律大致相同，模拟结果较为可信。

2）基坑降水开挖引起的桥墩沉降随基坑降水开挖的进行而逐渐增大。由于高架桥整体刚度较大，高架桥的变形特征主要以整体倾斜为主，因此高铁沉降计算曲线呈线性。桥墩沉降实测值与计算值差异不大。

3）随着隔水帷幕渗透性的增加，地下水位下降明显，同时地表及桥墩沉降量也逐渐增加，桥墩仅在渗透系数为1×10-7 cm/s时满足规范要求。水平隔水帷幕的渗透性对控制地下水渗流作用、周边地表及建（构）筑物的沉降具有重要影响。因此，完善水平隔水帷幕的施工工艺，减少其渗漏现象的发生尤为重要。

本文通过调整水平隔水帷幕整体的渗透系数来模拟其渗漏的情况，研究成果虽对工程实际具有一定的指导意义，但研究方式较为单一。考虑到实际MJS工法形成的水平隔水帷幕可能存在局部渗漏的情况，后续研究应结合实际工程中隔水帷幕的具体渗漏情况，对有限元计算模型中的相关单元进行特殊处理，以更好地模拟真实的渗漏状况，使计算结果更具真实性。

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