設(shè)置水平隔水帷幕的基坑降水開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響分析

錢林根 李鵬舉 謝致清 侯長(zhǎng)領(lǐng) 陳甦

摘 要：為了研究水平隔水帷幕有效性對(duì)基坑降水開(kāi)挖產(chǎn)生變形的影響，采用三維有限元軟件對(duì)不同水平隔水帷幕滲透系數(shù)條件下基坑降水開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了水平隔水帷幕滲透性對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律。結(jié)果表明：1）在全封閉止水條件下，周邊地表及高鐵高架橋墩沉降隨基坑降水開(kāi)挖的進(jìn)行而逐漸增大，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合;2）隔水系統(tǒng)的隔水有效性對(duì)基坑降水開(kāi)挖引起的周邊地表和臨近高鐵高架橋墩沉降影響較大，當(dāng)水平隔水帷幕滲透系數(shù)（k）為1×10-7 cm/s和6×10-3 cm/s時(shí)，周邊地表和高鐵高架橋墩最大計(jì)算沉降分別為63.21，178.66 mm和1.04，31.88 mm;3）全封閉隔水系統(tǒng)將基坑降水開(kāi)挖引起的臨近高鐵高架橋墩沉降有效控制在了要求范圍內(nèi)。研究結(jié)果可顯著提高水平隔水帷幕在基坑工程中的應(yīng)用效果，并為其相關(guān)研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;水平隔水帷幕;基坑降水開(kāi)挖;數(shù)值模擬;沉降

中圖分類號(hào)：TV551.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，地鐵車站等大型工程日益增多，在地鐵車站基坑降水開(kāi)挖的過(guò)程中，往往會(huì)因坑內(nèi)外產(chǎn)生較大的水頭差而引起地下水滲流。地下水滲流極易引起地面的沉降及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，進(jìn)而造成鄰近建（構(gòu)）筑物等沉降過(guò)大。為確?；又苓吪R近既有建（構(gòu)）筑物等安全，對(duì)基坑降水開(kāi)挖引起的周圍環(huán)境影響進(jìn)行深入研究十分重要。

針對(duì)基坑工程降水開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響的問(wèn)題，一些學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。安璐等[1]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)三軸試驗(yàn)?zāi)M的方法，分析了基坑降水開(kāi)挖對(duì)坑內(nèi)土變形的影響規(guī)律;陳錦劍等[2]基于比奧固結(jié)理論的有限元法，分析預(yù)測(cè)了基坑降水過(guò)程中周圍土體的沉降;KHOSRAVI等[3]采用解析模型和數(shù)值模型分別計(jì)算了基坑降水開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降量并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，證明了有限元在計(jì)算基坑周圍沉降時(shí)的可靠性。AHMAD等[4]以巴基斯坦旁遮普省一個(gè)大型深基坑工程為依托，通過(guò)調(diào)整地連墻深度對(duì)基坑降水開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算結(jié)果表明，地下水降深隨著地下連續(xù)墻深度的增加而減小。

考慮流固耦合作用的有限元分析方法在研究基坑降水產(chǎn)生變形方面引起了普遍關(guān)注，眾多學(xué)者采用考慮流固耦合作用的三維有限元模擬方法，探討了基坑降水對(duì)周邊地表及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響[5-8]。為研究應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相互作用關(guān)系，相關(guān)學(xué)者采用三維有限差分程序或有限元方法建立了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算模型，并結(jié)合具體工程分析了基坑降水開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響[9-17]。

目前，關(guān)于基坑降水開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。本文結(jié)合蘇州某基坑工程，采用Midas GTS有限元軟件，對(duì)坑底下某一深度處設(shè)置MJS工法大面積水平隔水帷幕的基坑降水開(kāi)挖引起的周邊地表及高鐵高架橋墩沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最后，通過(guò)調(diào)整水平隔水帷幕的滲透系數(shù)分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究隔水帷幕有效性對(duì)周邊環(huán)境的影響。

1 工程概況

城鐵花橋站是蘇州軌道交通S1號(hào)線的第22座車站，位于華夏路與西涇路交叉口，呈南北向布置，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，端頭井處結(jié)構(gòu)寬度為40.4 m，位置圖如圖1所示。

基坑標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約17.2 m、端頭井開(kāi)挖深度約18.9 m，車站底板主要落在③3粉土層，地下連續(xù)墻底進(jìn)入⑦2粉土夾粉砂層，采用明挖順作法施工?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻（墻厚0.8 m，深41 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）的圍護(hù)形式，標(biāo)準(zhǔn)段與端頭井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，剖面選取位置如圖1所示（斷面1-1為北端頭井1/2位置，斷面2-2為標(biāo)準(zhǔn)段1/2位置），后文中對(duì)應(yīng)的基坑模型剖面參考此處。

基坑北端臨近京滬、滬寧高鐵線（如圖1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，因此設(shè)計(jì)在坑底以下36 m深處設(shè)置3～5 m厚（端頭井、標(biāo)準(zhǔn)段北側(cè)區(qū)域厚5 m，其余區(qū)域厚3 m）MJS工法水平隔水帷幕（如圖3所示），并將其與豎向隔水帷幕（地下連續(xù)墻）共同形成全封閉隔水系統(tǒng)（如圖3所示），以減少基坑降水開(kāi)挖對(duì)臨近高鐵高架橋的影響。

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)單元計(jì)算參數(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（簡(jiǎn)稱HS）本構(gòu)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)進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬過(guò)程中涉及到的相關(guān)計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1、表2。

2）模型建立

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，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4所示。

2.2 邊界條件及荷載條件

模型中通過(guò)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(guò)程中，可通過(guò)激活、鈍化坑內(nèi)外不同節(jié)點(diǎn)水頭來(lái)實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)水位的下降，以此來(lái)模擬基坑的降水過(guò)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

本次模擬通過(guò)鈍化對(duì)應(yīng)土體單元的方式實(shí)現(xiàn)土方開(kāi)挖過(guò)程。模擬施工步序：①土方開(kāi)挖至第1道支撐下;②架設(shè)第1道支撐、土方開(kāi)挖至第2道支撐下;③架設(shè)第2道支撐、土方開(kāi)挖至第3道支撐下;④架設(shè)第3道支撐、土方開(kāi)挖至第4道支撐下;⑤架設(shè)第4道支撐、土方開(kāi)挖至坑底。

在基坑開(kāi)挖之前，須激活初始滲流步、應(yīng)力分析步，接著激活基坑附近高鐵、地連墻等結(jié)構(gòu)，最后激活坑底MJS水平隔水帷幕和超載并清零位移值。

3 三維數(shù)值模擬計(jì)算分析

有限元計(jì)算通過(guò)調(diào)整水平隔水帷幕滲透系數(shù)來(lái)模擬其可能出現(xiàn)的滲漏情況，不同滲透系數(shù)取值見(jiàn)表3，其中滲透系數(shù)為1×10-7 cm/s時(shí)，表示水平隔水帷幕完全不透水（隔水效果好），滲透系數(shù)為6×10-3 cm/s時(shí)，表示水平隔水帷幕完全失效（等同于原狀土）。

由圖11可知，隨著與基坑距離的不斷增大，水位變化值不斷減小，并且在達(dá)到某一距離之后，其值逐漸趨于穩(wěn)定，在這個(gè)距離以外的范圍內(nèi)，水位基本不變。當(dāng)水平隔水帷幕滲透系數(shù)為1×10-7 cm/s時(shí)，水位下降深度最大值為0.64 m，壓力水頭等勢(shì)線基本呈水平狀;當(dāng)滲透系數(shù)為6×10-3 cm/s時(shí)，水位下降深度最大值為6.36 m（約為前者的9.94倍），壓力水頭等勢(shì)線呈現(xiàn)較為明顯的“漏斗”狀，說(shuō)明此時(shí)地下水滲流作用較為明顯，坑外水位發(fā)生了較大程度的下降。

由圖12、表4可知，地表沉降量隨隔水帷幕滲透性的變化趨勢(shì)與坑外水位變化基本相同，都是隨滲透系數(shù)增大而增大。當(dāng)水平隔水帷幕完全不透水（隔水效果好）和完全失效（等同于原狀土）時(shí)，地表和高鐵高架橋墩最大計(jì)算沉降分別為63.21，178.66 mm和1.04，31.88 mm?；痈羲∧坏挠行詫?duì)周邊地表及高鐵高架橋墩沉降影響較大，當(dāng)本基坑工程隔水帷幕不能完全封閉時(shí)，降水開(kāi)挖對(duì)高鐵高架橋墩的變形影響將不能滿足相關(guān)規(guī)范[19]的要求（≤5 mm）。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以蘇州某設(shè)置水平隔水帷幕的地鐵深基坑工程為研究背景，通過(guò)調(diào)整水平隔水帷幕的滲透系數(shù)來(lái)模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的滲漏情況，并對(duì)不同隔水帷幕滲透系數(shù)下地表沉降、高鐵高架橋墩沉降等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理分析，研究隔水帷幕滲透性對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律，得出如下主要結(jié)論。

1）基坑降水開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降曲線呈凹槽型，地表沉降隨基坑降水開(kāi)挖的進(jìn)行而逐漸增大，基坑降水開(kāi)挖對(duì)距離基坑2倍坑深外的影響已較小，說(shuō)明基坑止水效果良好。地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差異較小，且兩者變化規(guī)律大致相同，模擬結(jié)果較為可信。

2）基坑降水開(kāi)挖引起的橋墩沉降隨基坑降水開(kāi)挖的進(jìn)行而逐漸增大。由于高架橋整體剛度較大，高架橋的變形特征主要以整體傾斜為主，因此高鐵沉降計(jì)算曲線呈線性。橋墩沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差異不大。

3）隨著隔水帷幕滲透性的增加，地下水位下降明顯，同時(shí)地表及橋墩沉降量也逐漸增加，橋墩僅在滲透系數(shù)為1×10-7 cm/s時(shí)滿足規(guī)范要求。水平隔水帷幕的滲透性對(duì)控制地下水滲流作用、周邊地表及建（構(gòu)）筑物的沉降具有重要影響。因此，完善水平隔水帷幕的施工工藝，減少其滲漏現(xiàn)象的發(fā)生尤為重要。

本文通過(guò)調(diào)整水平隔水帷幕整體的滲透系數(shù)來(lái)模擬其滲漏的情況，研究成果雖對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義，但研究方式較為單一?？紤]到實(shí)際MJS工法形成的水平隔水帷幕可能存在局部滲漏的情況，后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程中隔水帷幕的具體滲漏情況，對(duì)有限元計(jì)算模型中的相關(guān)單元進(jìn)行特殊處理，以更好地模擬真實(shí)的滲漏狀況，使計(jì)算結(jié)果更具真實(shí)性。

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