宋紅紅

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

隨著沿海地區(qū)城市地下隧道建設(shè)及高層建筑的建設(shè)，富水區(qū)深基坑的開挖日漸增多。由于城市規(guī)劃用地緊張，往往需要在鄰近建筑物周邊進(jìn)行施工，這就對施工提出了很高的要求。特別是在高地下水位的軟土地區(qū)，在深基坑開挖時(shí)必須進(jìn)行排水疏干，甚至需要對地下承壓水層進(jìn)行減壓排水以防止基坑突涌等事故的發(fā)生。但與此同時(shí)，地下水位的降低使土中有效應(yīng)力增加，土體的固結(jié)沉降會引起周圍地表固結(jié)沉降，造成鄰近建筑的不均勻沉降乃致產(chǎn)生傾斜與開裂，附近地下管線及既有隧道也會產(chǎn)生變形乃致影響結(jié)構(gòu)安全。由此，對富水區(qū)深基坑降水支護(hù)開挖全過程的流固耦合分析不僅能夠展現(xiàn)施工全過程對周邊環(huán)境的影響，也能揭示地下水滲流場隨時(shí)間的變化情況，能夠讓工程人員全面地預(yù)測工程中可能出現(xiàn)的問題并事先提出相應(yīng)對策。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對深基坑開挖對鄰近建筑物的影響較多，但對于高地下水位的軟土地區(qū)降水開挖流固耦合分析還很少。馮懷平[1]等依托地鐵車站深基坑工程分析了地下連續(xù)墻變形和周圍地面沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，與實(shí)測數(shù)據(jù)對比證明考慮流固耦合更符合實(shí)際情況。樊祜傳[2]基于分層總和法提出結(jié)合地層應(yīng)力歷史估算基坑降水引起建筑沉降的方法。目前研究[3-5]較少涉及富水區(qū)軟土基坑施工對極近建筑的影響(最小距離小于基坑深度)。本文以具體工程為研究對象，利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行流固耦合分析，研究周圍環(huán)境隨施工變化情況，并和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，用于提出建議并調(diào)整施工方案。

1 工程概述

1.1 工程概況

蘇州國際快速物流通道二期工程——春申湖路快速化改造工程施工5標(biāo)主線全長4.47 km，道路以隧道形式向東沿林家港河布線，在湖濱路東進(jìn)入陽澄西湖，并在園區(qū)黃金水岸廣場登陸接地。隧道整體采用圍堰明挖法，其中入湖段將原林家港河進(jìn)行疏干改道，明挖基坑施工建立在舊河道地層之上。入湖段長約1 380 m，基坑寬度32～40 m，深度18.75～24.63 m，屬于大斷面、大跨度的疊加城市地下明挖隧道工程。局部工程鳥瞰圖見圖1。入湖段從相城區(qū)教育組團(tuán)間穿過，周邊建筑物主要有蘇州大學(xué)宿舍樓、相城中專宿舍樓、保險(xiǎn)干校宿舍樓，周邊管道有雨水管道及自來水管道等。其中保險(xiǎn)干校宿舍樓為二層磚混結(jié)構(gòu)淺基礎(chǔ)建筑，離基坑最小距離為10 m，為緊鄰基坑建筑，對基坑施工十分敏感。具體位置關(guān)系見圖2。

圖1 湖區(qū)段工程實(shí)況

圖2 基坑及建筑位置關(guān)系

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程場地原為林家港河河道，作為施工場地具有工程性能差、地下水位高的特點(diǎn)。根據(jù)勘察成果，沿線場地地表下70.3 m深度范圍內(nèi)地基土構(gòu)成除填土外，其余為第四系濱海、第四系河泛、河床相沉積物，一般由粘性土、粉(砂)土組成，土層分布見圖3。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：m)

工程所在場地地下水分為松散淺層孔隙潛水和松散巖類孔隙(微)承壓水?；?xùn)|側(cè)直接接入陽澄西湖，潛水層接受湖區(qū)補(bǔ)給，水位較高且變化較大?？辈炱陂g測得的標(biāo)高 0.48～2.09 m，變化幅度為 1～2 m。微承壓水主要賦存于 ③-3、④-2粉土、粉砂層中，微承壓水頭標(biāo)高在 1.23～1.34 m。承壓水主要賦存于⑥-3、⑦-2層粉土、粉砂層中。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，⑦-2層承壓水標(biāo)高在-2.0 m 左右，水位變化一般在1 m 左右。

1.3 支護(hù)及降水方案

為研究施工對鄰近建筑物影響，選取距離基坑最近建筑，即保險(xiǎn)干校宿舍樓進(jìn)行研究。此斷面基坑寬度38.6 m，底部深20 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式采用地下連續(xù)墻與兩道混凝土支撐加3道鋼支撐。北側(cè)地面標(biāo)高-1 m，地下連續(xù)墻厚度1 m，深43.5 m；南側(cè)地面標(biāo)高+3 m，地下連續(xù)墻厚度1.2 m，深47.5 m，分幅寬度平均為6 m。地下連續(xù)墻兼做止水帷幕，且已穿透⑥-1黏土不透水層，為落底式止水帷幕，相比懸掛式止水帷幕能夠更有效地減少降水對坑外土體的影響。圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面如圖3所示。

一、三道撐選用鋼筋混凝土支撐，C30混凝土；第二、四、五道為鋼支撐，分別為?609 mm鋼管與?800 mm鋼管，壁厚均為16 mm。每道鋼筋混凝土支撐處設(shè)置冠梁、圈梁和兩根臨時(shí)支撐立柱，利用隧道主體結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，采用型鋼格構(gòu)柱，型鋼立柱在穿越頂、底板的范圍內(nèi)需設(shè)置止水片。

深基坑施工時(shí)，必須采取有效措施嚴(yán)格控制好地下水，以防對基坑工程本身及對周圍環(huán)境造成不利影響。由于潛水層及微承壓水層埋深較淺，已被開挖基坑揭穿，故通過在坑內(nèi)布設(shè)若干疏干井與輕型井點(diǎn)對土層進(jìn)行封閉式降水疏干處理，并要求在基坑開挖前 20 d提前預(yù)抽水，且確保井點(diǎn)降水水位在開挖面以下1 m。針對⑥-3及⑦-2層承壓水，基于抽水試驗(yàn)及基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算，此區(qū)段承壓水位需降低13.5 m方能滿足處于抗突涌穩(wěn)定狀態(tài)。

2 監(jiān)測方案及結(jié)果

為保證基坑施工安全及保護(hù)周邊環(huán)境，整個(gè)施工過程中持續(xù)對地表、建筑沉降及地下連續(xù)墻側(cè)移等變形進(jìn)行密切關(guān)注。鄰近基坑各建筑均在邊線均勻布設(shè)10個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，而沿基坑縱向每20 m左右布設(shè)一個(gè)沉降監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面5個(gè)沉降點(diǎn)。圖2所示保險(xiǎn)干校為兩層筏板基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，走向基本與基坑方向平行，最近角點(diǎn)距離小于10 m，最遠(yuǎn)角點(diǎn)相距17 m。圖4為保險(xiǎn)干校宿舍樓各測點(diǎn)沉降隨開挖變化情況。

由圖4可知，建筑靠近基坑長邊沉降最大值為50.19 mm,遠(yuǎn)離基坑邊沉降最大值僅為35.65 mm，且靠近基坑邊沉降總體遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離基坑邊沉降。這呈現(xiàn)了建筑將產(chǎn)生向基坑內(nèi)傾斜趨勢，威脅基坑安全。又由于建筑并非完全與基坑平行，則同一長邊處距離基坑越近沉降越大。分析各點(diǎn)沉降隨時(shí)間變化情況可知，在第三層開挖前沉降穩(wěn)定增大，但在第四層開挖階段沉降突然增大，約占總沉降的40%。綜上所述，應(yīng)對建筑最靠近基坑的橫斷面，即5、6測點(diǎn)所在斷面進(jìn)行建模分析，且特別關(guān)注第四層開挖階段沉降變化情況。

圖4 建筑沉降隨開挖變化情況

3 開挖降水?dāng)?shù)值模擬

選用ABAQUS有限元分析軟件建立深基坑及臨近建筑的二維數(shù)值模型，模擬開挖支護(hù)降水全施工過程對周邊環(huán)境的影響。由于隧道徑向長度遠(yuǎn)超基坑剖面尺寸，可視為平面應(yīng)變問題求解[6]，故建立二維模型。

3.1 基本假定

(1)假設(shè)地下水分布穩(wěn)定，土體正常飽和，滲流符合達(dá)西定律，穩(wěn)定靜水位根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料取-1 m。

(2)施工開始前假設(shè)土體及建筑已正常固結(jié)沉降完畢。模型邊界外地下水可進(jìn)行補(bǔ)給。地下連續(xù)墻滲透系數(shù)為0。

3.2 本構(gòu)模型

計(jì)算全程考慮滲流固結(jié)，由于考慮流固耦合時(shí)降水影響范圍遠(yuǎn)大于開挖影響范圍，綜合空間效應(yīng)與非完整井假設(shè)[7]，最終將模型水平尺寸取為基坑深度的10倍，幾何尺寸為238.6 m(x)×93.0 m(y)，共計(jì)8 546個(gè)單元，9 188個(gè)節(jié)點(diǎn)。建筑每層加上相應(yīng)荷載[8]，基坑附近地表也附加施工荷載。具體數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，視為理想彈塑性材料，采用8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變CPE8RP孔壓單元，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1，土層彈性模量統(tǒng)一取為壓縮模量的8倍[9]。地下連續(xù)墻與立柱視為線彈性材料，采用8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變CPE8R單元，橫撐采用B21單元，線彈性材料物理參數(shù)取值見表2。實(shí)際分析中根據(jù)等效剛度法調(diào)整相應(yīng)尺寸[10]，同時(shí)使用“升溫法”施加鋼支撐預(yù)應(yīng)力[11]，具體見式(1)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)

式中：F為內(nèi)支撐預(yù)加軸力(N)；A為內(nèi)支撐截面面積(m2)；E為鋼支撐彈性模量(Pa)；α為內(nèi)支撐鋼管的熱膨脹系數(shù)，取為10-5/℃；Δt為內(nèi)支撐預(yù)加軸力所對應(yīng)升溫度數(shù)(℃)。具體數(shù)值計(jì)算見表3。

表3 鋼支撐預(yù)應(yīng)力設(shè)置

3.3 邊界條件

正式開挖前應(yīng)先進(jìn)行地應(yīng)力平衡并建立孔隙水滲流場。模型兩側(cè)設(shè)置水平位移邊界條件，底部設(shè)置水平、豎直邊界條件。地下水潛水與承壓水孔隙水壓力初始設(shè)置沿深度線性分布，潛水在-1 m深度處設(shè)置自由透水面，⑥-3與⑦-2層承壓水水位為-2 m，底部不透水。兩側(cè)將穩(wěn)定后的孔隙水壓力固定，模擬外界水流補(bǔ)給。在各開挖工序前設(shè)置坑內(nèi)開挖面下1 m處孔隙水壓力為0模擬基坑潛水疏干，在第三次開挖前使承壓水水頭降低13.5 m以模擬基坑減壓降水，通過生死單元法模擬基坑土體開挖[12]。根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際時(shí)間設(shè)置分析步時(shí)長，以分析基坑變形隨時(shí)間變化。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 滲流與孔壓分析

圖6與圖7分別為開挖完成時(shí)孔隙水壓力云圖與地下水滲流路徑圖，可見坑內(nèi)水頭有效降低的同時(shí)坑外水頭未出現(xiàn)明顯下降，由此能有效減小坑外地表沉降。隔水帷幕兩側(cè)滲流多為豎向滲流，且坑外相對隔水層以上滲流較小，遠(yuǎn)離隔水帷幕區(qū)域滲流多為水平向補(bǔ)給滲流，圖中較大水平滲流主要是由于⑦-2層粉土滲透系數(shù)較大所致。同時(shí)滲流路徑繞過了隔水帷幕底部向坑內(nèi)流動(dòng)，呈現(xiàn)出了明顯的降落漏斗?？拥椎牡瓤讐呵€也隨開挖降水逐漸出現(xiàn)下凹弧度，與滲流情況相符。

圖6 孔隙水壓力云圖(單位：kPa) 圖7 地下水滲流場(單位：m/d)

4.2 地下連續(xù)墻側(cè)向變形

圖8是南側(cè)地下連續(xù)墻經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算得出的側(cè)向位移模擬值與現(xiàn)場各開挖步實(shí)際監(jiān)測值。圖9是不同開挖深度下墻身側(cè)向位移模擬值。通過數(shù)據(jù)對比可得：

圖8 開挖過程中地下連續(xù)墻側(cè)移模擬值與實(shí)測值對比

圖9 不同開挖深度下墻身側(cè)向位移模擬值

(1)針對地下連續(xù)墻側(cè)向位移模擬值曲線，可見在施工初期階段曲線較為平滑，且頂端與底部向坑內(nèi)的側(cè)向位移較小，開挖面處較大，呈“凸”字形狀。但隨著開挖深度逐漸增加，-12.0 m至-20.0 m處側(cè)移速率明顯減緩，基本控制在一定范圍之中，且在-16.5 m及-20.0 m處顯示出回縮的趨勢，此深度范圍正與基坑橫支撐布置深度吻合。在開挖末期，基坑底部附近地下連續(xù)墻出現(xiàn)了較大側(cè)向位移，最大側(cè)向位移位于坑底以下0.5 m左右，最大側(cè)移值δm=42 mm大于實(shí)測值34.96 mm。此時(shí)，側(cè)向位移曲線不再光滑，而變成了淺層隨深度增大、中層變化不明顯、深層呈紡錘形的三段式曲線。

(2)通過地下連續(xù)墻側(cè)向位移實(shí)測值分析，可見地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移值及最大側(cè)向位移深度都在不斷地增大，最大側(cè)向位移由-17.0 m深度處的19.53 mm(開挖至-13.0 m)，-19.0 m深度處的28.1 mm(開挖至-16.5 m)最終發(fā)展至-21.5 m(開挖至-21 m)深度處的34.96 mm，小于控制值0.18%he=36.00 mm(he為基坑開挖深度)，這是由于深層土體沒有有效支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐所引起的。對比模擬值也展現(xiàn)同樣的變化規(guī)律，最大側(cè)移深度由最開始的-15.0 m深度逐漸增大至-21.5 m，與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合。可以看出，采用數(shù)值模擬方法可以得到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨施工變形的趨勢，能夠作為分析基坑性狀一種有效手段。

4.3 基坑外地表及建筑沉降

基坑周邊淺基礎(chǔ)建筑物較多，其中距離基坑最近處為10 m。圖10為基坑施工完成后豎向位移云圖，圖11為坑外地表沉降情況，可見降水開挖對鄰近建筑物沉降影響較大，越靠近建筑地表沉降越大。地表最大沉降處一直位于建筑基礎(chǔ)下，且靠近基坑處建筑角點(diǎn)沉降大于遠(yuǎn)離基坑角點(diǎn)，這造成了建筑向基坑方向傾斜的趨勢。建筑之外地表沉降隨距離變大逐漸減小，但影響范圍隨基坑施工逐漸擴(kuò)大，這主要是由于降水過程對地下近處遠(yuǎn)處滲流場都有影響，遠(yuǎn)處地下水水平向補(bǔ)給引起土體有效應(yīng)力增大，從而使遠(yuǎn)處地表土體產(chǎn)生沉降。

圖10 施工完成后地層沉降云圖(單位：m)

圖11 降水開挖對地表沉降影響

由圖11可知，基坑外地表最大沉降處離基坑19 m，位于建筑基礎(chǔ)下，大小為50.0 mm，超過地表沉降控制值28.5 mm。為保證建筑安全，及時(shí)強(qiáng)化基坑支護(hù)，并對建筑進(jìn)行跟蹤加密監(jiān)測，經(jīng)建筑單位允許繼續(xù)施工。根據(jù)實(shí)測值，建筑靠近基坑角點(diǎn)最終沉降值為-50.52 mm，另一側(cè)角點(diǎn)最終沉降值為-36.33 mm，造成了建筑的不均勻沉降，差異沉降法計(jì)算求得最大局部傾斜值為0.835‰。

為考慮建筑基礎(chǔ)不同邊線長度對沉降的影響，將各邊線實(shí)測差異沉降值除以其長度得到各邊線實(shí)測傾斜率如圖12所示?？梢娊ㄖ怪庇诨舆吘€側(cè)傾斜率遠(yuǎn)大于平行側(cè)，且距離基坑更近側(cè)向基坑內(nèi)傾斜更大，最終傾斜率為0.855‰，與模擬值吻合，但小于規(guī)范規(guī)定的2‰。對于軟土層地基，過大的沉降量與沉降速率引起的不均勻沉降可能會導(dǎo)致建筑物開裂或地下管道彎折，所以有必要在施工時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測沉降情況。對比《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)，平均沉降量與傾斜量均小于變形允許值。

圖12 實(shí)測建筑各邊傾斜率

通過有限元模擬及實(shí)測數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析地下連續(xù)墻的豎向位移，認(rèn)為北側(cè)地下連續(xù)墻自開挖起始終處于回彈狀態(tài)，最大回彈量為8 mm。而緊貼墻體的土體卻隨開挖逐漸沉降，表現(xiàn)出與墻體錯(cuò)開位移的趨勢。地下連續(xù)墻豎向位移主要是由于坑內(nèi)土體開挖的卸荷效應(yīng)所導(dǎo)致的回彈，靠近地下連續(xù)墻的土體也受到墻體的摩擦阻力限制，沉降的幅度不如建筑基礎(chǔ)處大，從而形成勺型地表曲線。因此，在分析墻體周圍的地表土體位移時(shí)，應(yīng)當(dāng)將墻體與土體通過摩擦模型進(jìn)行面與面接觸而非綁定，才能夠更好地模擬結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)落底式隔水帷幕打穿到承壓水層下部，強(qiáng)迫地下水繞流，延長滲流路徑。且由于上隔水層阻水效果好，滲流主要發(fā)生在上隔水層以下，所以對基坑外水頭影響較小。由此，基坑內(nèi)封閉式降水能夠有效減小降水開挖對周邊環(huán)境的影響。但同時(shí)承壓水降壓會產(chǎn)生基坑內(nèi)外水位差，導(dǎo)致地下連續(xù)墻深處受到向坑內(nèi)的壓力，使地下連續(xù)墻水平位移向坑內(nèi)方向增大。

(2)地下連續(xù)墻最終側(cè)向位移為三段式曲線，上部隨深度增大，中部受橫支撐限制變形較小，開挖面以下沒有有效支撐、呈紡錘形曲線。最大側(cè)向位移位置隨基坑開挖逐漸下移，并始終處于開挖面以下，最終位于坑底下0.5 m左右。

(3)地表沉降隨基坑開挖深度增大而增大，沉降最大值位于建筑基礎(chǔ)下，地表沉降曲線呈勺型分布。由于基坑開挖影響，建筑垂直于基坑邊線側(cè)向坑內(nèi)沉降更大，不均勻沉降易造成建筑開裂。本工程最終傾斜率為0.855‰，小于規(guī)范允許值。