緊鄰地鐵深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響分析

張婉吟，孫昌利，張 挺，陳小丹

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，深基坑工程也向著更大更深的方向發(fā)展，而基坑工程的施工環(huán)境、影響因素越來(lái)越復(fù)雜，根據(jù)大量基坑失穩(wěn)和變形破壞實(shí)例分析，可以看出因滲流引發(fā)的基坑失事占比很高[1-5]。在南方沿海地下水位較高的地區(qū)開(kāi)挖基坑時(shí)，通常采取基坑降水與止水帷幕結(jié)合的方法來(lái)控制地下水的影響[6-8]，坑內(nèi)外會(huì)出現(xiàn)水頭差，地下水將在坑內(nèi)外水頭差的作用下發(fā)生滲流[9]。地下水的滲流引起的坑內(nèi)外的孔隙壓力和有效應(yīng)力發(fā)生改變，不僅影響作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的水壓力、土壓力及側(cè)壓力計(jì)算，還影響基坑周?chē)乇沓两岛涂拥椎幕貜椬冃斡?jì)算，甚至引起管涌和流砂[10-12]。因此在基坑穩(wěn)定和變形分析中必須高度重視地下水的滲流作用。

本文結(jié)合深圳某深基坑工程，應(yīng)用有限元分析軟件Midas/GTS的“應(yīng)力-滲流-邊坡”分析模塊，分析基坑開(kāi)挖引起的滲流場(chǎng)變化，以及地下水位變化情況下基坑周邊與鄰近地下結(jié)構(gòu)的變形情況。

1 工程概況

某深基坑工程位于深圳西部填海區(qū)，含6層地下室，基坑寬度為80～100 m，總長(zhǎng)度約為830 m，深度約為30 m。基坑?xùn)|側(cè)依次為地鐵11號(hào)線、5號(hào)線、1號(hào)線車(chē)站，為減少基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車(chē)站的影響，本工程共分為8個(gè)獨(dú)立基坑分別施工，每個(gè)基坑均采用地下連續(xù)墻支護(hù)及止水?；娱_(kāi)挖采取跳挖方式，結(jié)合上蓋塔樓的開(kāi)發(fā)時(shí)序，其中2棟及4棟塔樓基坑先行施工。其中2棟基坑(T2)坑底高程為-23.2 m，尺寸為92.8 m×73.65 m，4棟基坑(T4)坑底高程為-25.7 m，尺寸為93.4 m×79.92 m?；悠矫嫖恢藐P(guān)系示意見(jiàn)圖1。

圖1 T2及T4基坑周邊環(huán)境概況示意

基坑采用“地下連續(xù)墻+環(huán)形內(nèi)支撐”的支護(hù)形式，T1～T8地下連續(xù)墻均已施工完成，地下連續(xù)墻厚度為1.2 m，墻體深度約為48.2 m?；觾?nèi)地下水在土方開(kāi)挖階段以“坑內(nèi)集水井抽水+排水溝明排”方式為主，局部管井降水為輔。

本文對(duì)現(xiàn)行施工的T2及T4基坑開(kāi)挖過(guò)程展開(kāi)研究。T4基坑支撐平面布置為環(huán)撐+對(duì)撐+局部角撐，環(huán)撐直徑為40.8 m，對(duì)撐水平間距一般為9 m，豎向設(shè)置6道鋼筋砼支撐，T4基坑第1道支撐平面布置示意見(jiàn)圖2?；优c地鐵車(chē)站位置關(guān)系剖面示意見(jiàn)圖3，地鐵11號(hào)線下有樁基礎(chǔ)，5號(hào)線與1號(hào)線為筏板基礎(chǔ)，兩側(cè)通道下設(shè)置有抗拔樁。

圖2 T4基坑第1道支撐平面布置示意

圖3 T4基坑與地鐵車(chē)站位置關(guān)系示意

2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目位于前海灣填海區(qū)，西側(cè)約600 m外為前海灣海水，根據(jù)勘察資料，選取代表地質(zhì)鉆孔，場(chǎng)地內(nèi)主要巖土層見(jiàn)圖4所示。

圖4 代表地質(zhì)與地連墻位置關(guān)系示意

項(xiàng)目場(chǎng)地附近無(wú)地表水流，地下穩(wěn)定水位高程為0～3 m。地連墻嵌固深度、坑底高程、地下水位高程與簡(jiǎn)化地層的位置關(guān)系如圖4所示，參考工程地勘報(bào)告并結(jié)合廣東省內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1[13]。

表1 各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)值

3 有限元分析

基坑引起周邊的沉降分為開(kāi)挖引起的沉降及降水引起的沉降，本文分兩個(gè)模型分析，并與實(shí)測(cè)總沉降對(duì)比。

3.1 基坑開(kāi)挖引起的變形分析

3.1.1有限元模型

基坑開(kāi)挖引起的變形分析采用二維平面應(yīng)變模型，數(shù)值有限元模型見(jiàn)圖5，基坑開(kāi)挖至坑底高程-25.7 m，分7次開(kāi)挖，設(shè)6道支撐，直撐-環(huán)撐-直撐串聯(lián)形式做了等效對(duì)撐剛度處理。

圖5 開(kāi)挖前后有限元模型示意

在計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，土體采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，使用“應(yīng)力”分析模塊計(jì)算，模型左右施加法向約束，底部同時(shí)施加水平向和法向約束?；娱_(kāi)挖按照實(shí)際施工過(guò)程，按“先撐后挖”的原則進(jìn)行，主要模擬的施工過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)挖引起變形施工過(guò)程模擬

3.1.2結(jié)果率定及沉降分析

基坑開(kāi)挖到底引起的水平位移云圖見(jiàn)圖6?？傮w上地連墻側(cè)向變形中間大，兩邊小，呈紡錘體形狀。并且，西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移趨勢(shì)較東側(cè)大，這是因?yàn)榈罔F結(jié)構(gòu)側(cè)土壓力較小。西側(cè)樁體水平位移最大值為29.4 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為20.86 mm；東側(cè)樁體水平位移最大值為14.5 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為12.4 mm；西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的理正深基坑單元計(jì)算結(jié)果樁體水平位移最大值為30 mm，與有限元結(jié)果29.4 mm基本吻合。結(jié)果對(duì)比列于表3。

基坑開(kāi)挖到底引起的豎向位移見(jiàn)圖7所示。地連墻西側(cè)外地表沉降最大值為-14.3 mm。11號(hào)線車(chē)站底板豎向位移為-1.3 mm，5號(hào)線車(chē)站底板沉降值為-0.7 mm，1號(hào)線車(chē)站底板沉降值為-0.8 mm。開(kāi)挖引起的地表沉降和地鐵底板沉降值均較小，且地鐵底板沉降值離基坑最近的是11號(hào)線沉降最大，5號(hào)線與1號(hào)線次之。

圖7 基坑開(kāi)挖引起豎向位移示意

3.2 降水引起的滲流場(chǎng)變化與變形分析

3.2.1三維有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，由于前期8個(gè)基坑的地連墻以及11號(hào)線、5號(hào)線、1號(hào)線車(chē)站以及車(chē)站底下抗拔樁均已施工，因此,將T1～T8基坑一起建模，T2及T4開(kāi)挖到設(shè)計(jì)高程，坑內(nèi)地下水位下降至坑底高程，1-1剖面位置如圖8中所示，三維有限元模型如圖8～圖11所示。

圖8 有限元計(jì)算模型俯視示意

圖9 T2及T4開(kāi)挖到底示意

圖10 地下連續(xù)墻及地鐵車(chē)站的相對(duì)關(guān)系

圖11 地鐵車(chē)站及抗拔樁

本模型僅研究基坑降水引起周邊的滲流場(chǎng)變化及沉降，不涉及基坑開(kāi)挖，因此土體本構(gòu)關(guān)系可采用摩爾庫(kù)倫模型，并使用GTS中的“應(yīng)力-滲流-邊坡”分析模塊計(jì)算。模型四周與底部施加法向約束，地下水位邊界條件根據(jù)地形東高西低的特點(diǎn)確定，東側(cè)地下水位H=3 m，模型西側(cè)為前海灣海水，邊界取海平面高程H=0 m，南北兩側(cè)均從3 m線性降低至0 m。土體、地連墻、地鐵車(chē)站均使用3D實(shí)體單元，抗拔樁使用植入式梁?jiǎn)卧?。主要模擬的施工過(guò)程見(jiàn)表4。

表4 施工過(guò)程模擬

3.2.2計(jì)算結(jié)果分析

1) 基坑降水引起的滲流場(chǎng)分析

礫砂層內(nèi)初始總水頭云圖見(jiàn)圖12，總水頭從東向西由3 m遞減到0 m。T2、T4基坑地下連續(xù)墻內(nèi)的南北側(cè)初始水頭值約1.5 m，T2基坑西側(cè)初始水頭1.0 m，T4基坑西側(cè)初始水頭0.8 m。

圖12 礫砂層內(nèi)滲流總水頭示意(初始滲流場(chǎng))

當(dāng)T2和T4基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，礫砂層內(nèi)滲流總水頭云圖如圖13所示。土層部分的等水頭線分布稀疏，說(shuō)明水力梯度較小，地下水浸潤(rùn)線坡度較平緩，降落漏斗較大，說(shuō)明基坑開(kāi)挖降水引起的影響范圍較大。模型1-1剖面的浸潤(rùn)線如圖14所示，從圖中可知由于T1～T8基坑已施工的連續(xù)墻存在阻水作用，坑內(nèi)地下水位基本呈階梯狀分布，坑外地下水位從邊界向基坑緩慢下降。

圖13 礫砂層內(nèi)滲流總水頭示意(開(kāi)挖后)

2) T2、T4基坑周邊地下水位對(duì)比分析

T2、T4基坑附近的地下水位高程結(jié)果如圖15所示，基坑西側(cè)地下水位為-7.6～-9.3 m，T1基坑內(nèi)地下水位為-11.2 m，T3基坑內(nèi)地下水位為-16.3 m，T5基坑內(nèi)地下水位為-11.6 m。

圖15 T2、T4基坑局部水位高程示意(單位：m)

從圖15中提取地下水位高程數(shù)據(jù)并與監(jiān)測(cè)結(jié)果水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表5)，通過(guò)對(duì)比可以看到基坑降水后周邊的地下水位數(shù)據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合程度較好。

表5 地下水位高程 m

3) 降水引起的地表沉降分析

降水引起的T2、T4周?chē)植康乇沓两抵狄?jiàn)圖16，圖16中的沉降值為降水引起的最終沉降量。以T4基坑西側(cè)水位下降至-9.3 m高程點(diǎn)為例，該點(diǎn)初始地下水位高程為0.8 m，水位降深為10.1 m。通過(guò)分層總和法計(jì)算得該點(diǎn)的總沉降量為115 mm，較有限元結(jié)果96.9 mm偏高，可能原因是有限元計(jì)算出的地表沉降受連續(xù)墻的豎向約束影響，但數(shù)值分析沉降值與理論結(jié)果差別較小，結(jié)果基本合理。

圖16 T2、T4基坑局部地表沉降示意(單位：mm)

以上所得均為最終沉降量，若是要與監(jiān)測(cè)值對(duì)照還需要考慮各土層不同時(shí)間的固結(jié)度。根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目地下水位下降較大的時(shí)間段約6個(gè)月，因此固結(jié)時(shí)間取6個(gè)月。除淤泥、粘土、粉質(zhì)粘土層外，由于其他土層透水性較強(qiáng)認(rèn)為在施工期間已經(jīng)完成固結(jié)。在考慮固結(jié)度時(shí)間為6個(gè)月的情況下，降水引起的地表沉降量為25.6 mm，疊加開(kāi)挖引起的沉降14.3 mm，地表總沉降量為39.9 mm。此代表計(jì)算點(diǎn)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的累積沉降量是27.5 mm，小于計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果偏安全。

4) 降水引起的地鐵車(chē)站底板沉降分析

有限元計(jì)算基坑降水引起的T2、T4基坑代表橫斷面地鐵車(chē)站底板沉降見(jiàn)圖17。相同橫斷面地鐵車(chē)站底板垂直位移監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)見(jiàn)圖18，兩圖的沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。從表6沉降數(shù)據(jù)可知，有限元計(jì)算的地鐵底板沉降數(shù)值與監(jiān)測(cè)結(jié)果的變形趨勢(shì)基本一致，即離基坑最近的11號(hào)線沉降最大，5號(hào)線次之，1號(hào)線最遠(yuǎn)沉降最小。從數(shù)值上來(lái)看，T2、T4基坑有限元結(jié)果均比監(jiān)測(cè)值偏大，偏于保守。

圖17 T2、T4基坑橫斷面地鐵車(chē)站底板沉降示意(單位：mm)

圖18 地鐵車(chē)站底板垂直位移監(jiān)測(cè)成果示意(單位：mm)

表6 地鐵車(chē)站底板沉降對(duì)比 mm

4 結(jié)語(yǔ)

1) 建立T4基坑二維平面應(yīng)變開(kāi)挖模型，地連墻水平位移最大值有限元29.4 mm/理正30 mm/測(cè)斜20.86 mm，有限元與理正結(jié)果比較接近，計(jì)算基本合理?；游鱾?cè)地連墻外地表沉降-14.3 mm，11號(hào)線底板沉降-1.3 mm，5號(hào)線底板沉降-0.7 mm，1號(hào)線底板沉降-0.8 mm，開(kāi)挖引起的沉降值較小，沉降主要由降水引起。

2) T2、T4基坑降水引起的滲流。建立T1～T8基坑與地鐵結(jié)構(gòu)的整體降水模型，T2、T4基坑周邊最終地下水位高程與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，滲流計(jì)算基本合理。

3) T2、T4基坑降水引起的地表沉降。代表計(jì)算點(diǎn)引起的最終地表沉降：分層總和法115 mm/有限元96.9 mm，證明有限元計(jì)算降水引起的沉降結(jié)果基本合理?？紤]固結(jié)度且疊加開(kāi)挖影響的地表沉降：有限元39.9 mm/監(jiān)測(cè)27.5 mm，有限元結(jié)果大于監(jiān)測(cè)結(jié)果，原因可能為實(shí)際水位降深不同，且計(jì)算點(diǎn)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)離地連墻遠(yuǎn)，沉降較大。

4) T2、T4基坑降水引起的地鐵車(chē)站底板沉降。有限元計(jì)算的地鐵底板沉降數(shù)值與監(jiān)測(cè)結(jié)果的變形趨勢(shì)基本一致。