承壓水地層中深基坑開挖變形特征的數(shù)值模擬研究

原海軍

北京城市快軌建設管理有限公司 北京 100027

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市人口劇增，為緩解交通壓力，我國多個城市開始大力發(fā)展城市軌道交通建設，由此帶來了大量的深基坑工程。我國的深基坑工程開挖過程中，由于各種原因發(fā)生了大量事故，其中承壓水是深基坑工程施工過程中圍護結構失穩(wěn)破壞的關鍵因素[1-2]。因此，承壓水引起的基坑變形特征研究具有一定的現(xiàn)實意義和工程價值。

目前，已經有許多學者對承壓水控制問題進行了研究，并取得了一定成果。鄭啟宇等[3]采用流固耦合數(shù)值方法，研究了深基坑降承壓水對墻體變形和地表沉降的影響；秦羽等[4]利用Plaxis有限元軟件建立模型，分析了基坑在承壓水條件下的變形穩(wěn)定特征，驗證了基坑開挖數(shù)值模擬手段的合理性；楊瀟[5]將模擬結果與實測數(shù)據進行對比驗證，分析了承壓水降水后的水位分布及其引起的地層沉降規(guī)律；婁榮祥等[6]采用Visual Modflow有限差分法對基坑降水進行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結果與實際水位十分吻合；嚴馳等[7]發(fā)現(xiàn)在承壓水層未完全隔斷的情況下，降水對基坑的穩(wěn)定性及抗突涌都有利，但會增大坑外地表沉降及圍護墻底部位移；張剛等[8]通過建立三維流-固耦合模型，還原了基坑降水開挖施工過程中地下水滲流場的分布形式，并與降水沉降兩步預估法計算所得結果進行比較，研究了降承壓水引起的環(huán)境影響；邢皓楓等[9]通過理論分析和三維有限元模擬，研究了水平封堵位置以及封堵厚度等參數(shù)變化對基坑變形和周邊環(huán)境的影響；李鏡培等[10]設計了基坑突涌離心模型試驗，模擬不同承壓水位作用下黏性土體隔水層的突涌狀態(tài)。

在上述研究的基礎上，本文以北京上清橋站深基坑工程為依托，通過數(shù)值模擬，研究無地下水和含2層承壓水的基坑變形特征及不同承壓高度下的基坑變形特性，實現(xiàn)對高承壓水復合地層中深基坑開挖變形的科學預測。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵昌平線南延工程06標上清橋站位于清河北高速收費站西側，周邊規(guī)劃為居住與商業(yè)區(qū)，如圖1（a）所示。上清橋站為明挖島式車站，采用雙柱三跨結構形式，地下1層為綜合管廊。車站中心里程為YK35＋772.00，站臺寬度18.5 m，車站規(guī)模351.2 m×28.9 m，車站底板埋深32.652 m，中心里程處頂板覆土厚度7.772 m。上清橋站中心里程斷面如圖1（b）所示。

圖1 上清橋站場地及典型斷面

1.2 工程地質

上清橋站北擴大段地層自下而上分別為粉質黏土、細中砂、卵石、粉細砂、粉土、中粗砂、粉質黏土、中粗砂、粉細砂、粉質黏土、粉細砂、雜填土。南擴大段地層自下而上分別為粉質黏土、細中砂、粉質黏土、卵石、中粗砂、粉質黏土、粉土、粉質黏土、粉土、粉細砂、黏質粉土填土、雜填土。

場地賦存3層地下水，為潛水（二）、承壓水（三）、承壓水（四），如圖2所示。根據區(qū)域地質資料分析，觀測深度范圍以下的砂土層、粉土層、碎石土層普遍呈飽和狀態(tài)，均應視為含水層。

圖2 地質剖面

1.3 施工方案

基坑圍護結構采用C35、厚1 000 mm地下連續(xù)墻（簡稱地連墻）＋鋼管支撐的圍護支撐體系?；釉O5道支撐＋1道換撐（φ800 mm×20 mm），第1道支撐水平間距6 m，剩余鋼支撐水平間距3 m，沿基坑跨中設置φ1 500 mm立柱樁，立柱上方設置格構柱，并采用連系梁（40a#槽鋼）連接。

基坑開挖采用“縱向分區(qū)、豎向分層、隨撐隨挖、中間拉槽”的施工方法，縱向分為15個分倉，流水段開挖，豎向分層開挖，共分6層，做到隨挖隨撐，開挖至支撐設計標高底下50 cm處施作內支撐，開挖時采用中間拉槽，通過被動區(qū)對稱留土的方式來控制圍護結構變形。

2 數(shù)值模型

2.1 建立模型

采用Midas GTS NX建立模型，包含87 559個單元和161 971個節(jié)點。模型長595 m、寬255 m、高68 m，基坑區(qū)域長352.3 m、寬34.6 m、高30.5 m，如圖3（a）所示。指定沿基坑開挖方向為x軸負方向（沿基坑長邊方向）。豎直向上為z軸正方向，依據右手法則確定y軸。x軸負方向為基坑北側，x軸正方向為基坑南側；y軸負方向為基坑西側，y軸正方向為基坑東側。數(shù)值模型頂部（地表）為自由邊界，左右邊界設定為水平約束，底部邊界設定為豎向約束。

地層為4.95 m厚雜填土、8.1 m厚中粗砂、16.9 m厚粉質黏土、4 m厚粉細砂、4.55 m厚卵石圓礫、39.5 m厚粉質黏土?；訁^(qū)域分5層，開挖厚度依次為6.0、9.0、7.0、5.5、3.0 m。地連墻深46.65 m，嵌入土層16.15 m，如圖3（b）所示。由于存在1層潛水和2層承壓水，故在數(shù)值模型中地表以下10.0、17.0以及28.5 m三處水平面上設置節(jié)點水頭。

圖3 模型建立

2.2 計算參數(shù)

將地層簡化為6層，采用修正摩爾-庫侖模型，可以改善摩爾-庫侖本構引起基坑隆起過大的問題，鋼、混凝土支撐及地連墻結構使用彈性本構。根據巖土工程勘察報告以及相關規(guī)范確定計算參數(shù)，如表1所示。地層采用3D實體單元模擬，地連墻采用2D板單元，鋼支撐、混凝土支撐采用1D梁單元。

表1 計算參數(shù)

2.3 數(shù)值方案

共設計6組數(shù)值方案，如表2所示。方案1按照上清橋站工程實際設定地層中存在1層潛水和2層承壓水工況，承壓水水頭高度2 m，方案2設定地層中無地下水工況，方案3～6設定地層中存在1層潛水和2層承壓水，但是更改承壓水頭高度，分別是1、3、4、5 m。3組方案的步驟一致，先施工地連墻，再按照實際施工順序進行土方開挖、降水和支撐?；铀椒较蚍譃?5倉，豎直方向分為5層。

表2 數(shù)值模擬方案

3 數(shù)值模擬結果

3.1 有無承壓水影響

上清橋站基坑15倉施工完成后，方案1、方案2的地層z軸方向變形云圖如圖4所示。

圖4 地層z軸方向變形云圖

由圖4可知，方案1地表變形特征表現(xiàn)為從北擴大段至南擴大段由隆起逐漸變?yōu)槌两?。北擴大段一側土方先行開挖，依次是標準段、南擴大段，北擴大段區(qū)域開挖過程中進行了4次坑內降水，此時南擴大段還沒有進行開挖，降水引起南擴大段沉降值達18.84 mm。在開挖和降水的共同作用下，地表豎向變形呈“北隆起、南沉降”的趨勢。方案2地表變形則比較均勻，變形值也較小，沉降值最大為6.39 mm，為方案1的0.34倍。

上清橋站基坑15倉施工完成后，方案1、方案2的地連墻y軸方向變形云圖如圖5所示。

圖5 地連墻y軸方向變形云圖

由圖5可知，方案1地連墻y軸方向變形主要體現(xiàn)在地連墻東西兩側，第1層土開挖時，變形區(qū)域集中在第1倉處，此時東側最大變形值10.8 mm，西側最大變形值11.55 mm。基坑第6倉開挖時，東側和西側最大變形值分別為16.14 mm和15.07 mm，第15倉開挖完成后，東側最大變形值達到16.16 mm。第15倉開挖完成后，方案2東側地連墻最大變形值為15.94 mm，與方案1的差值較小。下面通過典型變形曲線進一步分析2組方案變形特征。

通過對比方案1和方案2，研究無地下水和含2層承壓水工況下的深基坑變形特征，變形特征研究內容包括地表沉降和地連墻水平位移。

基坑第15倉開挖完成后，2組模擬方案最終地表豎向位移曲線的對比如圖6所示。

圖6 最終地表豎向位移比較

基坑北擴大段和南擴大段存在斜撐和直撐，基坑周邊地表變形比標準段的數(shù)值小。相比北擴大段，由于施工方向是從北向南，南擴大段受到施工擾動的影響大，并且施作直撐時間較晚，因此南擴大段的地表變形更大。相比無地下水工況，地層中存在潛水和2層承壓水時，地表沉降顯著增加，最終的北側和南側最大地表沉降分別為5.19 mm和11.27 mm，如圖6（a）所示。由圖6（b）可以得知，基坑東西側比南北側地表沉降更大。無地下水工況下基坑東西側地表沉降變化幅度較小，而存在地下水工況近似呈勺形，東西側地表沉降的差別主要體現(xiàn)在基坑標準段和南擴大段，受異形地連墻形狀影響，最大地表沉降發(fā)生在距離南擴大段基坑長度1/4的位置，沉降量為18.65 mm，為無地下水工況下地表沉降量的3倍。

基坑第15倉開挖完成后，2組模擬方案地連墻水平變形隨深度變化的對比如圖7所示。其中，圖7（a）給出基坑南側和北側地連墻中心截面；圖7（b）給出基坑西側地連墻3處典型部位，分別位于北擴大段、標準段和南擴大段。

圖7 地連墻最終水平位移比較

由圖7可知，相比于無承壓水工況，存在2層承壓水時，由于作用在地連墻水平方向的荷載增大，導致地連墻水平位移更大，尤其是對基坑東側和西側的影響更加顯著，極大地增加了施工風險和難度。基坑南、北擴大段由于斜撐的作用，地連墻水平位移相比東西側更小。通過模擬得到方案1最大的地表沉降和地連墻水平位移均小于16 mm，遠小于現(xiàn)場地連墻變形控制值30 mm。因此現(xiàn)場采用邊開挖、降水、邊支撐的方案是可行的，能夠有效控制變形。

3.2 承壓水高度的影響

設計5組工況，通過改變承壓水水頭高度來研究承壓水水頭高度變化對基坑變形的影響，5組工況的承壓水頭高度分別為1、2、3、4、5 m。由于模擬結果呈現(xiàn)對稱性，因此選擇基坑縱向、橫向各一側的變形結果進行分析。

不同承壓水高度下的地表沉降變形表現(xiàn)為：承壓水高度5 m＞承壓水高度4 m＞承壓水高度3 m＞承壓水高度2 m＞承壓水高度1 m?；幽媳眱蓚鹊乇沓两当憩F(xiàn)為凹槽形，地表最大沉降值大致位于距離南側地連墻20 m處?；訓|西兩側地表沉降變形趨勢大致相同，表現(xiàn)為瓢形，距離基坑北側地連墻0～90 m的地表變形較緩，90～350 m變形呈現(xiàn)凹槽形，地表變形最大位置出現(xiàn)在基坑北側地連墻240 m處（圖8）。

圖8 地表最終豎向位移比較

基坑不同位置處不同承壓高度下的地連墻水平位移如圖9所示。由圖9可知，各位置不同承壓高度的地連墻水平位移變形趨勢大致相同。基坑北側地連墻水平位移變形值基本相似。地連墻深度17 m以下，基坑西側地連墻水平位移變形差異較小，在地連墻深度17 m以上，基坑西側地連墻水平位移表現(xiàn)為隨承壓高度的增加而不斷增大，該位置與承壓水節(jié)點水頭位置相對應，即地連墻在承壓水地層中變形明顯。

圖9 基坑地連墻水平位移

因此，不同承壓水高度下，基坑南北兩側地連墻變形受承壓水影響較小，東西兩側相對大些，存在承壓水部位地連墻變形明顯。

4 結語

1）存在地下水工況時，在開挖和降水的共同作用下，地表豎向變形呈“北隆起、南沉降”的趨勢；無地下水工況的地表變形則比較均勻，變形值也較小。

2）存在地下水工況時，東西側地表沉降近似呈勺形，最大地表沉降發(fā)生在距離南擴大段基坑長度1/4的位置，最大沉降量為無地下水工況的3倍；存在2層承壓水時，地連墻水平位移更大，尤其是對基坑東側和西側的影響更加顯著。基坑南、北擴大段受斜撐和直撐的共同作用，地連墻水平位移相比東西側更??；存在地下水工況時，模擬得到的地表沉降和地連墻水平位移均小于現(xiàn)場地連墻變形控制值30 mm，因此現(xiàn)場采用邊開挖、降水、邊支撐的方案是可行的。

3）不同承壓水高度下，基坑地表沉降表現(xiàn)為隨承壓高度不斷增加，基坑南北兩側地連墻變形受承壓水影響較小，東西兩側相對大些，且存在承壓水部位的地連墻變形明顯。