江漫灘懸掛式止水帷幕基坑地表沉降變形研究

李方明， 陳國興

(1. 中國地震局工程力學研究所， 黑龍江 哈爾濱 150080； 2. 南京工業大學巖土工程研究所， 江蘇 南京 210009)

0 引言

南京市近3/4的地域位于長江、秦淮河及滁河古河道漫灘區，地下水豐富，地層軟弱，工程地質條件復雜。由于南京實施擁江發展戰略，大量的地鐵線路不可避免地位于長江漫灘區，已建成或規劃的地鐵站點約100多個位于長江漫灘區。長江漫灘地層上部以黏性土為主，下部以砂、礫石層為主，是典型的二元結構。這種地層比較突出的特點是上部黏性土層中夾有粉細砂層透鏡體，下部砂層的厚度較大，為承壓含水層。由于砂礫含水層很厚，地鐵車站深基坑支護結構設計時，考慮到經濟性及施工難度等因素，大量采用懸掛式止水帷幕。懸掛式止水帷幕是指止水帷幕未穿透整個含水層，而是進入含水層一定深度，結合坑內降水，形成內降外止的地下水處理方式。當進行坑內降水時，坑外地下水需繞過止水帷幕墻底進入坑內，加大了坑外地下水的滲流路徑，減小了坑外地下水的水頭損失。由以往的地表沉降實測資料來看，懸掛式止水帷幕坑外水頭損失要小于開放式大降水引起的水頭損失，但降水引起的基坑周邊土體沉降不容忽視，其周邊地表沉降變形遠大于落底式帷幕基坑開挖引起的地表沉降變形。基坑開挖和坑內降水二者共同作用引起的地表沉降不同于單一因素引起的地表沉降，研究二者耦合作用引起的周邊地表沉降變形規律，對預估長江漫灘區類似工程周邊地表沉降變形大小、保護周邊環境具有重要的意義。

目前，針對落底式帷幕基坑周邊地表沉降規律的研究較多，例如： 王衛東等[1]對上海地區深基坑周邊的地表變形規律進行了實測統計分析； 吳鋒波等[2]和李淑等[3]對北京地鐵車站深基坑周邊地表變形特性進行了研究； 童建軍等[4]對成都地鐵車站深基坑周邊地表的沉降規律進行了研究； 朱瑤宏等[5]對寧波13個地鐵車站基坑的變形特性進行了研究； 喬亞飛等[6]對無錫地區地鐵車站深基坑的變形特性進行了研究。目前針對長江漫灘區特殊地質條件下懸掛式止水帷幕基坑坑內降水與土方開挖二者耦合作用下基坑周邊地表的變形規律尚無相關研究，以往的研究主要集中在單個基坑工程的懸掛式止水帷幕插入深度與坑外降水深度、地表沉降的關系上[7-10]。本文以7個江漫灘特殊地質條件下地鐵深基坑工程地表實測沉降數據資料為基礎，采用理論分析、經驗公式和有限元數值模擬的方法，探討了長江漫灘區域懸掛式止水帷幕基坑開挖和坑內降水二者耦合作用下周邊地表的沉降變形范圍、沉降曲線形式、最大沉降量位置以及開挖與降水引起的沉降量比值，以期為今后本地區內類似工程的設計、施工和監測提供依據。

1 工程概況

長江漫灘區地鐵車站標準段基坑開挖深度一般為15.5～20.0 m，標準段寬約22.0 m，均采用地下連續墻加內支撐的圍護方式。地下連續墻既作為擋土結構又兼作止水結構，厚度一般為800 mm和1000 mm，澆筑混凝土強度等級為C35，接頭采用H型鋼。首道支撐均采用強度、剛度和穩定性較好的鋼筋混凝土支撐，其余各道支撐和倒撐均采用方便施工的φ609 mm×16鋼管支撐。坑底采用裙邊加抽條的水泥土加固方式，加固深度為3.0 m。坑內采用管井降水，基坑圍護結構采用明挖順作法施工。基坑支護剖面示意圖如圖1所示。7個地鐵車站的工程地質剖面圖如圖2所示。各地鐵深基坑支護情況見表1。

圖1 基坑支護剖面示意圖

圖2 工程地質剖面圖

Table 1 General situation of deep foundation pit support of every metro

名稱止水帷幕開挖深度h/m嵌固深度d/m含水層厚度/m中間風井懸掛式23．020．031．0景新村懸掛式17．023．031．0柳州東路懸掛式20．027．057．0臨江懸掛式16．016．031．0夢都大街懸掛式16．016．037．0綠博園懸掛式19．018．031．0江心洲懸掛式17．017．044．0

2 有限元數值模擬

2.1 計算區域及邊界條件

地鐵車站深基坑均為狹長型，可采用ABAQUS二維平面有限元模型分析計算，模型計算區域由基坑開挖與降水對周邊土體沉降變形的影響范圍確定。由于降水影響范圍通常遠大于基坑開挖影響范圍，因此模型計算寬度的取值主要取決于降水的影響半徑。模型計算深度取至基巖面，無論是開挖還是降水對其變形影響甚微。

在進行懸掛式止水帷幕基坑內管井降水時，假設基坑為一個大的非完整井，地下水在地下連續墻外側沿垂直向繞流，坑內水位下降較快，地下連續墻處水位落差最大，遠離基坑區域的水位降落不明顯，從而形成一個以基坑地下連續墻外壁為中心的降落漏斗。降水初期，地下水運動呈明顯的非穩定流，后期逐漸趨于穩定流。因江漫灘區均為降低承壓含水層水頭，其降水影響半徑可采用經驗公式(1)估算[11]：

(1)

式中：R為降水影響半徑，m；sw為井水位降深，m，當井水位降深小于10.0 m時，取sw=10.0 m；k為降水井影響范圍內含水層滲透系數的加權平均值，m/d。

假設基坑為大井，懸掛式地下連續墻止水帷幕外側的地下水位降深小于10.0 m，已滿足承壓水頭降低要求。以中間風井為例，降水井影響范圍內含水層滲透系數的加權平均值約為1.9 m/d，經計算降水影響半徑約為137.8 m。

綜上所述，以中間風井為例，模型計算深度取60.0 m，即從地表面算起至K2p-3泥巖層，約為開挖深度的3倍； 計算寬度取基坑外140.0 m，約為開挖深度的7倍； 計算厚度取1.0 m。

模型邊界為法向約束，底面為全約束(法向約束和切向約束)。模型兩側邊界地下水位于地表以下0.5 m，水位恒定，底面邊界不透水。坑內設管井，每次降水完畢，坑內最高水位線位于開挖面以下1.0 m，水位線處孔壓為0。

圍護結構與土的接觸面采用面與面接觸的指令Contact Pair進行分析，接觸面無厚度，滑移小，采用Mohr-Coulumb摩擦模型，摩擦因數為0.3，應用罰函數運算法則。當采用落底式帷幕時，地下連續墻結構與土的接觸面可采用面與面接觸指令Tie進行分析。

2.2 計算參數

有限元計算模型中黏性土采用硬化的修正劍橋模型(MCC)本構關系，砂性土采用摩爾庫倫模型(MC)本構關系。依據勘察報告提供的實測值、經驗公式推導值和實測資料反演得到土體的物理力學參數。

修正劍橋模型中，λ為壓縮曲線的斜率(對數體積模量)，κ為回彈曲線的斜率(對數體積模量)，M為通過平均主應力P和等效偏應力t應力平面上原點的臨界狀態線斜率。λ根據經驗公式(2)由塑性指數IP確定[12]，M根據經驗公式(3)由內摩擦角φ確定[11]，κ根據參數反演推算取值為λ/10[13-14]。中間風井基坑各土層物理力學參數見表2。

λ=0.016 5Ip-0.130 9。 (2)

土體單元采用平面4節點滲流應力耦合單元CPE4P，鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐和地下連續墻均采用無厚度梁單元B21模擬。地下連續墻和鋼筋混凝土支撐材料的彈性模量Ec=3×104MPa，泊松比v=0.2，鋼管支撐彈性模量Et=2×105MPa，泊松比v=0.2，均為線彈性材料。

2.3 計算步驟

根據地鐵深基坑開挖和降水的實際施工工況，并基于有限元分析的收斂要求，采用以下幾個分析步驟模擬整個施工過程： 第1步為初始地應力平衡過程，去掉原始土體之外的所有單元以及相應接觸； 第2步為激活地下連續墻圍護結構單元與土體的接觸關系，進行第1次降水，開挖第1層土，并施加第1道鋼筋混凝土支撐； 第3步為第2次降水，第2次開挖土體，施加第2道鋼管支撐； 第4步為繼續降水，開挖下層土體，施加下層鋼管支撐，直至土層開挖至坑底。整個過程中通過坑內降水井設定水位線處孔壓為0，實現坑內降水，通過軟件的殺死和激活功能實現土體的開挖和支撐。

3 有限元計算結果與實測值對比分析

目前地鐵深基坑支護結構設計常用的計算軟件有北京理正和上海同濟啟明星，但均有很大的局限性，僅能計算基坑土方開挖引起的基坑周邊地表沉降，不能同時考慮開挖和降水二者耦合的作用，計算結果偏安全，一般僅作為參考。ABAQUS有限元軟件能夠考慮開挖與降水二者的共同作用，能夠較好地模擬坑外地表沉降的大小。對于中間風井基坑，采用ABAQUS有限元模擬計算的落底式帷幕和懸掛式止水帷幕豎向位移云圖如圖3所示。

(a) 落底式帷幕

(b) 懸掛式止水帷幕

Fig. 3 Vertical displacement nephograms of suspended waterproof curtain and full waterproof curtain (middle ventilation shaft)

分別采用ABAQUS有限元、北京理正和上海同濟啟明星軟件計算基坑周邊地表的沉降量，與實測沉降量進行對比，如圖4所示。由圖4可以看出，采用ABAQUS有限元計算的落底式帷幕和懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降曲線形態均為凹槽型，懸掛式止水帷幕基坑地表沉降曲線與實測曲線較為吻合，計算值略小于實測值，但大于落底式帷幕基坑地表沉降計算值； 北京理正和上海同濟啟明星軟件計算的地表沉降曲線形態是閉合的，與ABAQUS落底式帷幕地表沉降曲線較為吻合，但采用ABAQUS計算的落底式帷幕沉降曲線形態受邊界條件影響，沉降曲線到模型邊界時仍未完全閉合。

圖4 地表沉降曲線對比圖(中間風井)

Fig. 4 Comparison of ground surface settlement (middle ventilation shaft)

3.1 地表沉降范圍

懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降主要是由基坑開挖及降水共同作用引起的。根據沉降影響程度，可以將基坑周邊地表沉降影響范圍分為3個區，各分區如圖5所示。Ⅰ區為主要影響區，主要由基坑開挖和降水共同作用引起； Ⅱ區為次要影響區，主要由降水引起； Ⅲ區為弱影響區，可能由降水引起。

圖5 懸掛式止水帷幕基坑地表沉降影響分區

Fig. 5 Influence partition of ground surface settlement for suspended waterproof curtain

Ⅰ區主要由基坑開挖引起的地表沉降范圍控制，采用地下連續墻深度H或實測的最大沉降點位置xm界定。當以地下連續墻深度H界定時，主要影響區范圍為[15]

(4)

式中：H為地下連續墻深度，m；φ為地下連續墻穿越土層的平均內摩擦角，(°)。

由于基坑開挖與降水引起的地表沉降曲線一般不服從正態分布密度函數，且基坑邊緣地表沉降一般不為0，因此，Ⅰ區沉降曲線可采用式(5)表示。

S(x)=-(Ax+S0)e-π(x/2r)2。

(5)

式中：A為待定參數；S0為基坑邊緣處地表沉降值，即x=0處的地表沉降值；r為地表沉降最大點到Ⅰ區地表沉降盆地邊緣的距離。

(6)

表3 地表沉降主要影響區范圍

表4 地表沉降主要影響區范圍

因懸掛式止水帷幕地下連續墻的設計嵌固深度更多考慮了坑外水位降深的要求，一般比落底式帷幕地下連續墻設計嵌固深度大。從理論上說，地下連續墻設計深度H越大，坑內水位降深越小，主要影響區Ⅰ范圍越小，但是采用式(4)計算主要影響區Ⅰ時，H越大影響范圍越大，這顯然是矛盾的，因為式(4)適用于不考慮降水條件下基坑周邊地表沉降范圍的計算。因此，懸掛式止水帷幕基坑地表主要影響區Ⅰ的范圍可取為基坑周邊1.3h或Htan(45°-φ/2)的較小值。

次要影響區Ⅱ主要由坑內降水引起的地表沉降范圍控制。因江漫灘懸掛式止水帷幕基坑均為降低承壓含水層，根據式(1)計算承壓含水層的影響半徑Rw。基坑降水影響半徑見表5。各地鐵基坑次要影響區4h處地表沉降量S4h和5h處地表沉降量S5h見表6。

由表5可以看出，坑內降水影響半徑Rw為110.0～124.7 m，其與基坑深度h的比值Rw/h為5.42～7.46，均值為6.57。由表6可以看出，在各基坑外4h(64.0～92.0 m)處，地表沉降量為2.78～10.37 mm，與最大沉降量的比值S4h/Smax為4.88%～24.14%； 在各基坑外5h(80.0～115.0 m)處，地表沉降量S5h為1.20～4.77 mm，與最大沉降量的比值S5h/Smax為 2.11%～11.11%。由此可見，基坑周邊4h～5h處地表沉降已較小，可選取地表沉降次要影響區R2為基坑周邊1.3h至(4～5)h。在基坑(4～5)h范圍之外承壓水位降低較小，對地表的沉降影響也較小，因此，可設基坑(4～5)h之外為弱影響區。從現場實測數據來看，在柳州東路地鐵車站距離基坑邊80.0 m(4h)處的地面沉降為10.1 mm。

表5 基坑降水影響半徑Rw

表6 基坑次要影響區沉降量

根據以上分析結果，可將江漫灘區懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降分為3個區，各區劃分范圍見表7。

表7 懸掛式止水帷幕基坑工程影響分區

注： 工程影響區按表中1.3h或Htan(45°-φ/2)的較小值進行劃分。

圖6示出江漫灘區懸掛式止水帷幕基坑開挖和坑內降水引起的地表沉降影響分區和上海市基坑工程技術規程[16]中板式支護體系基坑開挖引起的圍護墻后地表沉降影響分區對比曲線。由圖6可以看出，江漫灘區懸掛式止水帷幕地表最大沉降位置(0.7h)大于上海市基坑工程技術規程中地表最大沉降位置(0.5h)。本文將懸掛式止水帷幕基坑距離圍護墻外側1.3h的范圍作為主要影響區域，x=1.3h處地表沉降為最大沉降的0.34倍，而僅由土方開挖引起的地表沉降為最大沉降的0.11倍，這與上海市基坑工程技術規程將x/h=0.1Smax范圍作為主要影響區的規定基本吻合。上海市基坑工程技術規程規定的僅由土方開挖引起的地表沉降范圍大于江漫灘區基坑工程中僅由土方開挖引起的地表沉降范圍，主要原因是南京江漫灘區上部為軟黏土，軟黏土中夾薄層砂，下部為砂礫層，其物理力學指標優于上海軟黏土。漫灘區基坑地表沉降次要影響區范圍大于上海軟土地區基坑地表沉降次要影響區范圍，主要原因是南京漫灘區懸掛式止水帷幕坑內降水影響區范圍大于上海軟土地區基坑開挖引起的地表沉降范圍。

圖6 地表沉降影響分區對比曲線

3.2 地表沉降曲線

落底式帷幕基坑地表沉降曲線形態可采用高斯函數或拋物線進行描述，如北京理正軟件采用二次拋物線，同濟啟明星軟件采用peck曲線(高斯函數)和拋物線曲線。懸掛式止水帷幕基坑地表沉降由于受到開挖和降水的共同影響，沉降曲線很難采用1種形態曲線進行描述。在基坑地表沉降主要影響區Ⅰ范圍內，地表沉降曲線不服從正態分布密度函數，可采用式(5)描述，在主要影響區之外可采用指數函數曲線進行描述。

基坑開挖和降水共同作用引起的主要影響區的沉降曲線可采用式(5)進行擬合。中間風井基坑懸掛式止水帷幕地表沉降曲線函數擬合為

地表沉降擬合曲線如圖7所示。由圖7中擬合曲線和實測曲線的對比可以看出，在主要影響區Ⅰ內，式(7)擬合精度較高，對地表沉降預測有較強的適用性。

圖7 地表沉降擬合曲線(中間風井)

Fig. 7 Fitting curves of ground surface settlement (middle ventilation shaft)

對于懸掛式止水帷幕在地表沉降主要影響區Ⅰ之外的區域主要由降水引起，地面沉降曲線服從指數函數。對中間風井基坑主要影響區以外區域的沉降曲線采用指數函數擬合，擬合公式為

(8)

地表沉降分段擬合曲線如圖8。由圖8可以看出，采用式(8)指數函數能較好地模擬主要影響區Ⅰ以外區域的地表沉降曲線形態。

圖8 地表沉降分段擬合曲線(中間風井)

Fig. 8 Piecewise fitting curves of ground surface settlement (middle ventilation shaft)

綜上所述，落底式帷幕和懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降曲線均為凹槽型。對于懸掛式止水帷幕可根據工程影響分區分段選用不同的曲線形式表達，在主要影響區Ⅰ內的地表沉降曲線采用式(5)表達，對主要影響區Ⅰ之外的地表沉降曲線采用式(10)表達。則按分區表達的地表沉降擬合公式為

(9)

(10)

式中：k為經驗系數；m為擬定參數。

3.3 地表沉降量最大點位置

對于同等條件下的地鐵基坑采用ABAQUS有限元軟件計算出支護結構為落底式帷幕時的地表沉降，即忽略降水的影響。各基坑采用落底式帷幕和懸掛式止水帷幕時的地表沉降量最大點位置與地下連續墻的水平距離xm見表8。從表8可以看出，落底式帷幕基坑xm=(0.53～0.65)h，位于地下連續墻后9.0～13.0 m，懸掛式止水帷幕xm=(0.65～0.76)h，位于地下連續墻后12.0～15.0 m。因此，懸掛式止水帷幕基坑地表最大沉降量位置比落底式帷幕基坑大1.0～3.0 m。

表8基坑地表沉降最大點位置與地下連續墻的水平距離xm

Table 8 Statistics ofxmbetween locations of maximum settlement points of foundation pit and underground diaphragm wall

名稱挖深h/m落底式帷幕xm/m距深比xm/h懸掛式止水帷幕xm/m距深比xm/h中間風井23．013．00．5715．00．65景新村17．011．00．6513．00．76柳州東路20．013．00．6514．00．70臨江16．09．00．5612．00．75夢都大街16．09．00．5612．00．75綠博園19．012．00．6314．00．74江心洲17．09．00．5312．00．71

3.4 開挖與降水引起的地表沉降量占比

假設各地鐵基坑條件相同，采用ABAQUS有限元軟件計算出采用落底式帷幕時的地表沉降，開挖和降水各自引起的地表沉降量占比見表9。由表9可以看出，在江漫灘特殊地質條件下，懸掛式止水帷幕基坑地表沉降量遠大于落底式帷幕基坑地表沉降量； 在沉降量最大位置，由開挖引起的地表沉降量占比為0.21～0.49，由降水引起的地表沉降量占比為0.51～0.79。由此可見，懸掛式止水帷幕坑內降水引起的地表沉降占比很大，不應忽視。

表9開挖與降水引起的地表沉降量占比

Table 9 Statistics of proportions of ground surface settlement caused by excavation and that caused by drainage

名稱xm/m落底式帷幕開挖沉降量/mm開挖沉降量占比懸掛式止水帷幕總沉降/mm降水沉降量/mm降水沉降量占比中間風井15．026．240．4656．9830．740．54景新村13．022．540．4253．7631．220．58柳州東路14．019．720．4741．5921．870．53臨江12．012．450．2942．9530．500．71夢都大街12．010．220．2148．8438．620．79綠博園14．026．870．4954．9328．060．51江心洲12．011．380．2642．9631．580．74

4 結論與建議

在江漫灘特殊地質條件下，懸掛式止水帷幕深基坑開挖與降水引起的地表沉降有如下規律。

1)采用ABAQUS有限元軟件可以考慮開挖與降水二者的共同作用，能夠較好地模擬計算基坑外地表的沉降大小。懸掛式止水帷幕基坑開挖與降水引起的周邊地表沉降影響范圍遠大于落底式帷幕基坑開挖與降水引起的地表沉降影響范圍。懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降影響范圍可以劃分為3個區，主要影響區Ⅰ為基坑周邊1.3h或Htan(45°-φ/2)，次要影響區Ⅱ為基坑周邊1.3h或Htan(45°-φ/2)至(4～5)h范圍內，弱影響區Ⅲ為基坑周邊(4～5)h范圍以外。

2)落底式帷幕和懸掛式止水帷幕的基坑地表沉降曲線形態均為凹槽型。對于落底式帷幕基坑開挖引起的地表沉降曲線可用單一函數進行擬合，對于懸掛式止水帷幕可根據工程影響分區選用不同的函數進行擬合。

3)懸掛式止水帷幕深基坑地表沉降最大位置離坑邊的距離xm為12.0～15.0 m，其與基坑開挖深度h的比值約為0.7。

4)懸掛式止水帷幕基坑周邊地表沉降遠大于落底式帷幕基坑周邊地表沉降。在沉降最大位置處，由開挖引起的地表沉降量占比為0.21～0.49，由降水引起的地表沉降量占比較大，為0.51～0.79。因此，對于懸掛式止水帷幕坑內降水引起的地表沉降不能忽視。

本文僅選用了7個漫灘區懸掛式止水帷幕地鐵深基坑開挖實例進行分析，得出了周邊地表的沉降規律，有一定的局限性，在以后的研究中應對未來建設的更多類似項目的地表沉降資料進行總結。由于受到車輛、機械荷載等影響，實際觀測過程中得到的地表沉降值也會受到一定的影響，因此，在今后類似工程實際測試中可以設置一定的深層沉降標對研究成果進行復核。

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