懸掛式止水帷幕深基坑分級降水開挖變形特性

李又云， 楊立新， 劉 偉， 王 歡， 賀隆貴， 李昊陽

(1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064； 2.中交路橋建設(shè)有限公司華南分公司， 中山 528400)

佛山市位于廣東省中部，地處珠江三角洲腹地，該地區(qū)水網(wǎng)密布，地下水豐富且發(fā)育有深厚的透水層。在地鐵深基坑的隔水設(shè)計(jì)中，考慮到施工難度以及經(jīng)濟(jì)性因素，往往采用懸掛式止水帷幕。但由于懸掛式止水帷幕未能將透水層全部隔斷，坑外地下水可繞流到止水帷幕底端通過透水層進(jìn)入坑內(nèi)，所以懸掛式止水帷幕對基坑變形的影響遠(yuǎn)大于全止水帷幕。根據(jù)大量工程實(shí)測資料，對于采用懸掛式止水帷幕的基坑，由降水開挖所引起的周邊地表沉降變形不容忽視，很可能對工程中所關(guān)注的管線和周邊建筑物的安全使用產(chǎn)生影響。因此有必要對懸掛式止水帷幕基坑變形特性展開研究。

目前許多學(xué)者對基坑變形特征的研究主要針對全止水帷幕基坑[1-8]，懸掛式止水帷幕研究成果較少[9-13]。關(guān)于懸掛式止水帷幕基坑的變形問題，鄭剛等[9]認(rèn)為懸掛式止水帷幕深基坑降水后容易發(fā)生較大的變形，建議在降水前應(yīng)在坑外設(shè)置足夠數(shù)量的承壓含水層回灌井。張興勝等[10]對上海某懸掛式地下連續(xù)墻深基坑滲流侵蝕進(jìn)行了研究，提出懸掛式地下連續(xù)墻深基坑滲流侵蝕會引起地面的附加沉降。安建永等[11]發(fā)現(xiàn)懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降受涌砂、涌水影響較大，采取基坑內(nèi)砂袋反壓、樁間注漿、輕型井點(diǎn)降水、分段開挖、快速封底的綜合處理措施可有效解決這一問題。李方明等[12]基于江漫灘地區(qū)地鐵深基坑的變形實(shí)測資料，總結(jié)了懸掛式帷幕基坑變形規(guī)律。目前深基坑施工往往采用分層、分段開挖并及時(shí)架設(shè)支撐的方式以減少基坑無支撐暴露時(shí)間，達(dá)到控制基坑變形、減小對周圍環(huán)境的影響的目的。

上述研究很少考慮基坑分級降水開挖的實(shí)際工況，缺乏對基坑變形規(guī)律性的分析。因此現(xiàn)依托佛山地鐵某深基坑工程項(xiàng)目，探討懸掛式止水帷幕深基坑在分級降水開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊地表變形特點(diǎn)和規(guī)律，并結(jié)合不利工況，采用回灌的方法對基坑周邊沉降變形進(jìn)行控制。旨在為今后本地區(qū)類似工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑概況及支護(hù)設(shè)計(jì)

該基坑呈狹長型，東西長266 m，南北寬19.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為25.3 m，采用厚度為0.8 m、深31.76 m的地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)方式。基坑支撐布設(shè)圖如圖 1 所示，支撐共設(shè)置 4道，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道、第三道、第四道均為鋼支撐，鋼支撐壁厚(t)為16 mm。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場地位于佛山市區(qū)，屬于剝蝕殘丘與沖積平原交接地帶。場內(nèi)勘察孔深度范圍內(nèi)的地基土屬第四系沉積物，主要為淤泥質(zhì)土、粉性土和砂土。

圖1 基坑支撐布設(shè)圖Fig.1 Layout of foundation pit support

其中淤泥質(zhì)土具有高含水量、易觸變性、高壓縮性、自穩(wěn)能力差等特征，在開挖后容易產(chǎn)生坍塌?？辈焐疃确秶鷥?nèi)場地地下水主要有兩種類型，一是第四系地層中的潛水，由于受上下相對隔水層的阻隔，具有承壓性，二是基巖裂隙水，主要賦存于強(qiáng)/中、風(fēng)化帶中，局部具有微承壓性?；拥牡刭|(zhì)條件如表1所示。

2 現(xiàn)場實(shí)測分析

為便于分析基坑的整個變形過程，將基坑開挖過程分為以下5種工況:工況一:第一層開挖至2.6 m，并施加第一道鋼筋混凝土支撐。工況二:第二層開挖至7.15 m，并施加第二道鋼支撐。工況三:第三層開挖至14.15 m，并施加第三道鋼支撐。工況四:第四層開挖至19.15 m，并施加第四層支撐。工況五:開挖到底板位置至25.3 m完畢。圖2為地連墻側(cè)向變形與地表沉降變形監(jiān)測布置圖。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

圖2 地連墻與地表沉降監(jiān)測布置圖Fig.2 Layout of diaphragm wall and surface settlement monitoring

2.1 地連墻側(cè)向位移

針對基坑地連墻的側(cè)向位移，選取CX1、CX2兩個典型的測斜點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3為地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測曲線，規(guī)定土體向坑內(nèi)移動為正，向坑外移動為負(fù)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形總體呈“兩頭變形小，中間段變形大”的形態(tài)。隨著開挖深度的增加，地連墻側(cè)向位移不斷增大且最大側(cè)向位移點(diǎn)呈下移趨勢。在工況一到工況二階段(開挖深度2.16～7.15 m)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較小，變形基本朝著坑內(nèi)發(fā)展。當(dāng)開挖至工況三時(shí)，地連墻頂部開始朝著坑外變形，這表明開挖至工況三時(shí)，第一道鋼支撐承受了較大的拉應(yīng)力，因此建議第一道支撐應(yīng)設(shè)計(jì)為能承受一定拉力且具有較高剛度、強(qiáng)度的鋼筋混凝土支撐。當(dāng)開挖至工況三(開挖深度14.15 m)時(shí)，地連墻側(cè)向變形量相較于工況二(開挖深度7.15 m)有顯著增加。這主要是因?yàn)樵谠撾A段開挖深度較大，地連墻無支撐暴露的時(shí)間過長，因此建議開挖完后應(yīng)及時(shí)施做支撐，以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無支撐暴露時(shí)間，盡早形成約束變形的整體結(jié)構(gòu)體系。工況三到工況五階段(開挖深度14.15～25.3 m)時(shí)，地連墻頂部朝著坑外的變形量逐漸增大，但增加速率呈減小趨勢。地連墻中部朝著坑內(nèi)的變形量基本不變，可見隨著支撐的逐漸施加，地連墻抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)。

圖3 地連墻側(cè)向位移實(shí)測曲線Fig.3 Measured lateral displacement curve of diaphragm wall

北京、深圳等地的深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程對地連墻側(cè)向變形限值做了明確規(guī)定，其規(guī)定的側(cè)向位移值控制值分別為0.2%He(He為基坑最大開挖深度)、0.2%He與較小值30 mm，CX1、CX2測點(diǎn)地連墻最大側(cè)向位移均在此范圍內(nèi)，因此采用分級降水開挖可以對懸掛式止水帷幕基坑地連墻側(cè)向變形進(jìn)行有效控制。

圖4為監(jiān)測的地連墻側(cè)向位移達(dá)到最大值的深度Hm與開挖深度he的關(guān)系。從圖4可知，地下連續(xù)墻最大水平變形所在位置均位于(he-1.8，he+2.35)，大部分位于Hm=he附近，即位于開挖面附近。

圖4 最大側(cè)向位移發(fā)生位置與開挖深度的關(guān)系Fig.4 The relationship between the location of the maximum lateral displacement and the excavation depth

圖5 基坑周邊地表沉降實(shí)測曲線Fig.5 Measured curve of ground settlement around foundation pit

2.2 坑外地表沉降

針對該基坑的坑外地表沉降，選取典型的地表沉降橫斷面DBC-07、09、11進(jìn)行分析。DBC-11斷面的坑外地表沉降變形隨工況變化情況如圖5所示。

在分級降水開挖的各個階段，隨著與基坑距離的增加，基坑周圍地表沉降先增大后減小，表現(xiàn)出“凹槽”形，在工況三到工況五階段，這一特性尤為明顯。地表沉降呈凹槽型的主要原因?yàn)椋悍鹕降貐^(qū)軟土層下為較厚的砂土層，地連墻底部位于剛度較大的砂土層中，因此地連墻豎向位移變化較小，靠近地連墻的土體由于受到其支撐作用，因而地下連續(xù)墻頂端與地表交界處的地表沉降不大，最大地表沉降發(fā)生于距地連墻后一定距離處，表現(xiàn)出“凹槽”形。

隨著基坑開挖工況深度的增加，地表沉降量不斷增大且增加速率呈增大趨勢。當(dāng)開挖至工況三時(shí)，坑外地表沉降量已經(jīng)有突變的趨勢，隨后坑外地表沉降量迅速增加，針對這一現(xiàn)象，在施工過程中應(yīng)當(dāng)予以重視。這表明開挖深度較大時(shí)，基坑降水開挖對地表沉降的影響效應(yīng)存在迅速增強(qiáng)的現(xiàn)象，在工況三到工況五階段，應(yīng)注意對坑外地表沉降的監(jiān)測。

3 數(shù)值模擬模型建立

對于軟土地區(qū)的基坑開挖，當(dāng)基坑邊緣至模型邊界的距離大于5he，基坑底部至模型邊緣的距離大于3he時(shí)，邊界條件對計(jì)算的影響可以忽略不計(jì)。因此模型尺寸為：長230 m、寬140 m、高100 m。采用3D-solid單元模擬土體和地連墻，采用2D-beam模擬鋼筋混凝土支撐與鋼管支撐，采用3D-shell單元模擬降水井與回灌井。為了減少對基坑周圍環(huán)境的影響，采用分級降水開挖施工，共分為五級。每級開挖施工前將地下水降至開挖面以下1 m。數(shù)值模型采用“生死單元”和流固耦合分析模塊，模擬基坑分級降水開挖過程。每級開挖前預(yù)先進(jìn)行坑內(nèi)降水，然后“殺死”各層需要開挖的土體單元，“激活”相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力錨桿單元。有限元模型如圖6所示。

研究中建模時(shí)所做的假定如下：

(1)各土層為均質(zhì)、各向同性的理想彈塑體。

(2)不考慮基坑周圍地面堆載、超載的影響。

(3)為了使計(jì)算簡便，基坑的底面為平整面，不考慮基坑斜坡。

(4)降水前土體在自重作用下的固結(jié)已經(jīng)完成。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

(5)地下連續(xù)墻體與基坑周圍土體為沒有空隙，即完全緊密接觸；接觸面僅僅只有壓力作用，不考慮拉力，即只允許相互產(chǎn)生滑移。

4 基坑變形數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)測值對比

ABAQUS有限元軟件的滲流應(yīng)力耦合模塊可以基于土體總孔壓變化，采用有效應(yīng)力法進(jìn)行流固耦合分析。圖 7 為ABAQUS軟件計(jì)算的地表沉降與地表實(shí)測沉降曲線對比圖。從圖7可以看出，基坑周邊地表沉降曲線形態(tài)均為“凹槽”形。計(jì)算的懸掛式止水帷幕基坑地表沉降曲線與實(shí)測曲線較為吻合。

圖7 地表沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比Fig.7 Comparison between numerical calculation results and measured values of surface settlement

4.2 沉降原因分析

懸掛式止水帷幕基坑坑外地表沉降是由土體開挖[13]和坑內(nèi)降水[9]二者耦合作用引起的。但在基坑降水開挖過程中，很難通過實(shí)測區(qū)分降水及開挖引起的地表沉降變形。為了探究地表沉降與開挖和降水的關(guān)系，采用ABAQUS 建立考慮分級降水開挖全過程的三維流固耦合模型，分別計(jì)算降水與開挖后的沉降量，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著開挖的不斷進(jìn)行，在每個階段由開挖土層引起的地表沉降有減小的趨勢，由降水導(dǎo)致的坑外地表沉降呈增大趨勢。開挖深度在0～14.05 m時(shí)(工況一到工況三階段)，引起坑外地表沉降主要因素是軟土層的開挖擾動，開挖深度在14.05～25.3 m時(shí)(工況三至工況五階段)，引起坑外地表沉降的主要因素是基坑降水。當(dāng)開挖至14.05 m時(shí)(工況三階段)，由降水引起的地表沉降迅速增加。因此建議在開挖深度較小時(shí)，應(yīng)注意開挖擾動對基坑周邊沉降的影響，當(dāng)開挖深度較大時(shí)，應(yīng)采取回灌措施補(bǔ)給地下水，以減小因基坑降水所造成的沉降量。

由于坑內(nèi)降水對全止水帷幕基坑的影響可忽略不計(jì)，因此根據(jù)圖8計(jì)算結(jié)果，可知懸掛式止水帷幕基坑的地表沉降量要遠(yuǎn)大于全止水帷幕基坑。懸掛式止水帷幕基坑由降水產(chǎn)生的地表沉降變形占總沉降量的66%，由此可見，懸掛式止水帷幕深基坑由基坑降水引起的地表沉降量可占總沉降量的一半以上，由降水引起的地表沉降變形不可忽視。

4.3 地表沉降變化規(guī)律

為了進(jìn)一步分析地表沉降變化規(guī)律，采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算出基坑的整個地表沉降曲線，如圖9所示。

圖9 地表沉降變形曲線Fig.9 Surface settlement and deformation curve

由圖9可以看出：基坑降水開挖后，基坑周邊地表沉降曲線呈“凹槽”形，這與監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出來的規(guī)律一致。隨著基坑的開挖，“凹槽”形態(tài)愈發(fā)明顯。這主要是因?yàn)殡S著坑內(nèi)水位的不斷降低，坑內(nèi)坑外出現(xiàn)較大的水頭差，坑外地下水的繞流現(xiàn)象更為嚴(yán)重，通過地連墻底部的透水層進(jìn)入坑內(nèi)，導(dǎo)致坑外地下水位下降較大，坑外地表沉降明顯增加，因此曲線的“凹槽”形態(tài)更為顯著。

隨著基坑降水深度與開挖深度的增加，基坑周圍地表沉降變形呈增大趨勢且增加幅度在基坑開挖較深更為明顯。工況一到工況三階段，地表沉降變形較小，占總沉降量的26.8%，工況三到工況五階段地表沉降變形較大，占總沉降量的73.2%。當(dāng)開挖至工況三時(shí)，坑外地表沉降已經(jīng)有突變的趨勢，開挖至工況四時(shí)，基坑周邊地表沉降顯著增大，最大沉降量由工況三階段的6.13 mm增加至12.64 mm。針對這一現(xiàn)象，在施工過程中應(yīng)當(dāng)予以重視。這表明降水深度較大時(shí)，降水對坑外地表沉降的影響效應(yīng)存在迅速增強(qiáng)的現(xiàn)象。因此當(dāng)開挖至一定深度時(shí)，尤其應(yīng)注意坑外地下水位的變化，一旦發(fā)現(xiàn)水位降低，應(yīng)馬上對坑外地下水進(jìn)行回灌。

DBC-07、09、11三個橫斷面的坑外地表沉降達(dá)到最大值時(shí)距基坑的距離如圖10所示?？梢钥吹?，隨著開挖深度的增加，最大地表沉降點(diǎn)位置逐漸遠(yuǎn)離基坑。各個工況下，基坑外最大地表沉降點(diǎn)位置xvm均處于(0.37～0.68)he范圍內(nèi)，因此在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測這一范圍內(nèi)的地表沉降量。開挖完成后的最大地表沉降點(diǎn)位置均位于地下連續(xù)墻后8～11 m，最大地表沉降點(diǎn)距基坑距離xvm略小于上海地區(qū)，這主要與軟土層的厚度有關(guān)。

圖10 最大地表沉降點(diǎn)距基坑距離與開挖深度的關(guān)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節(jié)分析可知，由工況一至工況三階段，由基坑降水所引起的沉降量較小，當(dāng)由工況三開挖至工況四時(shí)，由基坑降水引起的坑外地表沉降變形不容忽視，因此從工況三開始，在基坑外采取回灌措施補(bǔ)給地下水以控制地表沉降變形?；毓鄺l件下開挖至工況四、工況五時(shí)的地表沉降變形如圖11所示。

圖11 回灌后坑外地表沉降變形Fig.11 Surface settlement and deformation outside the pit after reinjection

由圖11可看出，無論是否采取回灌措施，基坑施工引起坑外地表沉降的變化規(guī)律基本一致，均呈明顯的“凹槽”形。這表明基坑開挖和坑內(nèi)降水施工是造成坑外地表沉降的主要原因，而采取回灌措施僅僅是對坑外地表沉降變形有一定抑制作用。采取回灌措施后，開挖至工況四與工況五時(shí)，同未回灌時(shí)相比，坑外地表沉降顯著減小。開挖至工況四時(shí)，坑外地表最大沉降量為13.5 mm，同未回灌時(shí)的14.8 mm相比，減少了8.9%，開挖至工況五時(shí)，坑外地表最大沉降量為18.5 mm，同未回灌時(shí)的22.9 mm相比，減少了19.2%。

由圖11也可看出，采取回灌措施后開挖至工況四時(shí)，坑外地表沉降量仍遠(yuǎn)大于回灌前開挖至工況三時(shí)的沉降量，表明在基坑分級降水開挖時(shí)，在坑外進(jìn)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趨勢。因此，在剛發(fā)現(xiàn)坑外地下水下降時(shí)就應(yīng)及時(shí)采取回灌措施，并選取合適的回灌參數(shù)，盡可能減少對坑外地表沉降的影響。

5 結(jié)論

(1)懸掛式止水帷幕基坑地連墻變形在開挖的各個階段均呈典型的鼓脹型，中間部分變形量大，兩側(cè)變形量小。地連墻側(cè)向位移并非全部朝著坑內(nèi)發(fā)展，地連墻頂部容易出現(xiàn)朝著坑外發(fā)展的變形，因此建議第一道鋼支撐設(shè)計(jì)為剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性較好且能承受一定拉力的鋼筋混凝土支撐。

(2)地連墻最大側(cè)向位移點(diǎn)在開挖的各個階段均位于開挖面附近，隨開挖深度的增加呈下移趨勢。在工況二到工況三階段，由于開挖深度較大，地連墻變形發(fā)展較快。因此建議每層開挖完后及時(shí)施做支撐結(jié)構(gòu)，以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無支撐暴露時(shí)間，盡早形成約束變形的整體結(jié)構(gòu)體系。

(3)當(dāng)開挖深度較小時(shí)，土體開挖擾動是坑外地表沉降的主要原因，當(dāng)開挖深度較深時(shí)，基坑降水是引起坑外地表沉降主要原因。隨著開挖深度的增加，基坑周圍地表沉降變形呈增大趨勢且增加速率在基坑開挖較深迅速增大，這表明基坑深層降水對坑外地表沉降的影響效應(yīng)迅速增強(qiáng)。

(4)回灌前后，坑外地表沉降變化規(guī)律基本一致，均呈“凹槽”形分布。盡管回灌可有效控制坑外地表沉降變形，但在分級降水開挖過程中，坑外地表沉降仍呈增大趨勢。因此，在剛發(fā)現(xiàn)坑外地下水下降時(shí)就應(yīng)及時(shí)采取回灌措施控制地表沉降。