砂土場地排樁圍護擋墻滲漏水對基坑變形規律的影響

邱明明，楊果林，段君義，張沛然

(1.延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

1 研究背景

隨著城市地下空間開發利用的大規模發展，城市建筑物密集或地下環境復雜區“深、大、長、近”的深基坑工程不斷涌現，基坑工程災害問題[1-5]越來越突出，尤其是富水地層深基坑。工程實踐表明，大多數地下工程災害是由于地下水滲流引起水土流失誘發的，例如基坑圍護結構接縫或質量缺陷引起的滲漏水，造成基坑周圍土體內部產生空洞，并導致地面突發塌陷、結構大變形或開裂，甚至是整體失穩等工程災害。因此有必要對富水地層基坑滲漏條件下圍護結構變形及土體運移規律進行深入研究，以全面地掌握滲漏災害發展過程中的基坑變形特性，并保證基坑和周圍環境安全。

國內外學者[6-9]針對基坑施工變形特性已進行了大量的研究工作，也取得了較多有益的研究成果。俞建霖等[10]對砂土基坑施工引起的圍護結構及周圍土體變形進行數值模擬，并結合實測數據進行了對比分析。陳陽等[11]基于現場測試結果對砂土地層深基坑施工變形及力學效應進行了分析。馮春蕾等[12]結合大量的地鐵車站深基坑實測數據，對砂卵石地層長條形基坑整體變形規律和模式進行了分析。王明年等[13]借助PFC軟件建立了卵石層深基坑數值模型，分析了基坑地面沉降和支護變形規律。TAN等[14]對上海地鐵深基坑開挖期間滲漏原因進行了分析，研究了漏水漏砂引起的地表豎向位移和圍護墻水平位移變化規律。JO等[15]通過現場調查對深基坑開挖過程中滲漏引起的地面下沉發展規律及關聯性進行了分析。鄭剛等[16]、戴軒等[17]對地下工程滲漏災害發展過程及演變規律進行了試驗研究，并結合DEM-CFD耦合方法對基坑漏水漏砂引起的地層運移規律進行了分析。Koltuk等[18]、黃戡等[19]借助數值模擬方法對深基坑開挖降水過程進行了滲流與變形分析，研究了滲流作用下基坑施工變形規律。

綜上所述，基坑滲漏改變了基坑滲流場和應力場，對基坑變形及穩定性具有重要影響，而針對該問題的工程實踐資料和理論研究則少有報道。鑒于此，本文以某砂土場地滲漏水深基坑為研究對象，建立考慮滲流作用的深基坑土-止水帷幕-排樁圍護結構相互作用的數值計算模型，研究止水帷幕局部滲漏水條件下基坑排樁擋墻側向位移、墻后地表沉降及圍護樁墻內力變化規律，并結合現場實測數據進行對比分析，為砂土地層深基坑施工安全與變形控制提供參考。

2 工程背景

某地鐵車站長條形深基坑工程，車站長×寬×深為470.0 m×23.1 m×18.0 m，上覆土層厚度約2.50 m，車站采用明挖順筑法施工。基坑標準段深度為15.50～16.41 m，南北端頭深度為16.73～17.87 m，采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁(φ1000 mm@1200 mm，樁長23.00 m)作為基坑圍護結構，樁墻外側0.2 m施作水泥土三軸攪拌樁(φ850 mm@600 mm，樁長19.6 m)隔水帷幕，帷幕與擋墻間充填雙液注漿以保證隔水效果。基坑標準段設置3道內支撐，南北端頭設置4道內支撐，其中第1道為鋼筋混凝土支撐，第2、3、4道采用鋼支撐。擬建場地開挖深度范圍主要為砂性土層，各土層基本物理力學參數見表1。場地地下水埋深約4.10～6.50 m，主要受大氣降雨和臨近江水影響。在基坑端頭井段開挖至坑底(15.0～17.9 m)時，圍護樁間發生局部滲漏水現象，呈現滲漏速度快、流量大的特點，并在滲漏點對應斷面發生“鍋底”形地表塌陷。基坑各土層土質及端頭井段基坑局部滲漏位置剖面圖見圖1。

圖1 基坑各土層土質及止水帷幕局部滲漏位置剖面圖(單位：m) 圖2 基坑數值計算模型(單位：m)

表1 基坑各土層基本物理力學性質參數

3 基坑滲漏水有限元模型

3.1 數值計算模型的建立

上述深基坑實例表明，基坑施工過程中發生滲漏災害的主要原因是基坑圍護結構隔水功能失效，特別是止水結構的防滲效果對控制基坑施工變形和滲流穩定性具有重要影響。為此，本文借助有限元軟件建立考慮滲流作用的深基坑土-止水帷幕-排樁圍護結構相互作用數值計算模型，模擬分析基坑降水開挖和圍護結構滲漏條件下引起的基坑變形規律。結合本工程端頭井段具體情況，取基坑開挖尺寸深×寬為17.9 m×23.0 m，考慮數值模型的對稱性取其一半進行計算分析，建立的有限元計算模型如圖2所示。模型共劃分1 789個單元，14 503個節點，其邊界為位移邊界條件。

在數值模擬計算中，巖土體和止水帷幕采用實體單元模擬，采用能較好描述土體破壞應力狀態的Mohr-Coulomb屈服準則[20]彈塑性本構模型。其中，止水帷幕重度為20.0 kN/m3，黏聚力為120.0 kPa，內摩擦角為40.0°，彈性模量取0.4 GPa，泊松比為0.25，各土層物理力學參數取值見表1。基坑支護結構采用結構單元模擬的線彈性本構模型。其中，排樁擋墻重度為25.0 kN/m3，彈性模量取31.5 GPa，泊松比為0.2；混凝土支撐重度為25.0 kN/m3，彈性模量取30.0 GPa，泊松比為0.2；型鋼支撐重度為78.0 kN/m3，彈性模量取210.0 GPa，泊松比為0.3。

3.2 降水開挖及滲漏水模擬

考慮基坑開挖過程中降水滲流與滲漏作用對圍護結構及周圍環境變形的影響，基坑采用分層降水分步開挖方式模擬，且先施作支護結構再進行坑內土體開挖。具體模擬步驟如下：

(1)施作排樁擋墻與止水帷幕結構，初始地應力平衡。

(2)開挖第1層土至-2.0 m，并施作第1道混凝土支撐。

(3)降水至-8.0 m，開挖第2層土至-7.5 m，并施作第2道型鋼支撐。

(4)降水至-11.5 m，開挖第3層土至-11.0 m，并施作第3道型鋼支撐。

(5)降水至-15.5 m，開挖第4層土至-15.0 m，并施作第4道型鋼支撐。

(6)降水至-18.40 m，開挖第5層土至坑底-17.9 m。

(7)距坑底0.9 m處止水帷幕發生局部滲漏，滲漏孔尺寸為0.2 m×0.2 m。

圖3為止水帷幕局部滲漏前后基坑滲流速度場分布對比。由圖3可知，降水開挖引起坑內外地下水水頭差發生變化，坑外地下水通過止水帷幕底部透水土層發生繞流，在止水帷幕底部周圍土體“滲流集中”現象顯著，且土體中以水平向滲流為主；砂性土層中的滲流速度明顯高于上部粉土層和底部泥質粉砂巖層；止水帷幕的隔水作用改變了基坑滲流路徑，顯著影響基坑滲流場分布，且滲漏條件下基坑滲流作用明顯增強。

圖3 止水帷幕局部滲漏前后基坑滲流速度場分布對比

4 計算結果對比與分析

4.1 墻后土體側向位移分布

圖4為止水帷幕局部滲漏前后墻后土體側向位移分布云圖，圖5帷幕局部漏水前后墻后不同水平距離深層土體側向位移隨深度變化曲線對比。由圖4、5可看出，基坑開挖誘發的墻后土體側向位移寬度影響區域約為(2.0～3.0)He(He為開挖深度)，深度影響區域約為1.2He，10.0～15.0 m深度范圍土體側向位移最為明顯，且止水帷幕局部滲漏對樁墻后土體側向位移影響顯著；距基坑邊沿水平距離Lp越小(近)，周圍土體側向位移越大，反之越小；墻后深層土體側向位移曲線隨水平距離Lp增大由非線性“鼓肚”形分布轉變為線性分布；距基坑邊沿水平距離Lp=40 m處，止水帷幕局部滲漏前后地表最大側向位移分別為1.10、5.60 mm，即止水帷幕局部滲漏條件下墻后土體側向位移影響范圍增大。

圖4 止水帷幕局部滲漏前后墻后土體側向位移分布云圖

圖5 帷幕局部漏水前后墻后不同水平距離深層土體側向位移隨深度變化曲線對比

圖6為止水帷幕局部滲漏對圍護樁墻側向位移的影響。由圖6可看出，圍護結構側向位移曲線隨開挖深度的增加由“斜線”形向“鼓肚”形分布演變，側向位移量增大，且位移最大值位置逐漸下移(圖6(a))；各開挖工況對應的最大側向位移Ux,max分別為1.40、7.08、9.35、13.63、15.70 mm，其對應深度Hx,max位置為(0.58～1.27)He；漏水前圍護樁側向位移曲線數值計算結果與現場實測變化趨勢基本一致，其圍護樁最大側向位移Ux,max計算值、實測值分別為15.70、14.70 mm，漏水前計算值為實測值的1.07倍，主要原因是數值模擬分析采用平面應變計算模型，未能反映端頭井段的空間效應，故數值計算結果與現場實測值略有差異；漏水后圍護樁最大側向位移Ux,max計算值為10.05 mm，約為漏水前的64%，主要原因是帷幕局部發生漏水后圍護結構承受的側向水土壓力降低，使圍護樁側向位移減小(圖6(b))。

圖6 止水帷幕局部滲漏對圍護樁墻側向位移的影響

4.2 墻后地表沉降分布

圖7為止水帷幕局部滲漏前后墻后土體豎向位移分布云圖，圖8為止水帷幕局部滲漏對墻后地表沉降的影響。由圖7、8可得，止水帷幕滲漏使墻后土體豎向位移增加，且影響范圍擴大；地表沉降曲線分布沿橫向水平距離呈“凹槽”形，隨基坑開挖深度增加沉降槽加深變寬；漏水前墻后地表沉降曲線數值計算結果與現場實測變化趨勢基本一致，漏水前后墻后最大地表沉降Uz,max計算值分別為4.15、18.40 mm，漏水后最大地表沉降Uz,max為漏水前的4.4倍，原因是止水帷幕局部滲漏條件下基坑滲流作用加劇，引起坑外地下水位下降，并造成基坑周圍土體沉降變形增大；根據地表沉降曲線分布特征，基坑開挖誘發的地表沉降顯著影響區約為(1.0～1.5)He，漏水后地表沉降顯著影響區為漏水前的2～3倍。

圖7 止水帷幕局部滲漏前后墻后土體豎向位移分布云圖

圖8 止水帷幕局部滲漏對墻后地表沉降的影響

4.3 圍護樁墻內力分布

圖9為不同開挖工況條件下圍護樁墻剪力與彎矩分布，圖10為止水帷幕局部滲漏前后圍護樁墻剪力與彎矩分布。由圖9、10可得，樁身內力隨基坑開挖是一個動態發展平衡的過程，內支撐的施作及約束作用改變了樁體受力狀態，改善了圍護樁的承載和抗變形能力；隨著基坑開挖深度增加樁身內力逐漸增大，基坑開挖完成后樁身最大剪力和彎矩分別為508.59 kN、1 219.65 kN·m；基坑圍護結構發生滲漏后，樁身最大剪力和彎矩分別為483.67 kN、953.62 kN·m，與滲漏前相比樁身最大剪力和彎矩分別為減小了約5%、22%，主要原因與引起圍護樁側向位移減小的原因相同。

圖9 不同開挖工況條件下圍護樁墻剪力與彎矩分布

圖10 止水帷幕局部滲漏前后圍護樁墻剪力與彎矩分布

5 討 論

結合現場調查和上述計算分析可知，本基坑發生滲漏水災害的可能原因有：基坑開挖深度范圍內存在厚度較大且松散的富水砂層；場地地下水位埋藏較淺，與近接江河連通，且水位變化易受大氣降雨影響，在基坑發生滲漏前出現間歇性持續降雨天氣；水泥土帷幕樁現場鉆芯取樣發現，樁體局部存在微裂隙，且有夾裹泥砂現象，即帷幕存在施工質量缺陷的可能性較大；基坑開挖引起剛度相對較小的水泥土帷幕結構大變形，局部因張裂而出現滲漏水，在高水土壓力環境下水力損傷效應加劇，進而導致隔水作用失效。

本基坑發生滲漏水險情后，立即停止施工并啟動現場應急管理預案，搶險處治措施具體為：首先，采用棉絮、鋼筋網、導流管等材料封堵滲漏孔，其外堆放砂袋反壓，并回填砂土至滲漏孔上部內支撐位置。其次，在滲漏點對應斷面采用注漿管進行深層注漿加固增強堵水效果，并緊鄰圍護樁外側施作一排高壓旋噴樁加強隔水作用，加固范圍不小于地表塌陷寬度。最后，在坑內滲漏點周圍分層分段施作掛網錨噴混凝土結構面層，并用注漿管對樁間隙隱蔽部位進行注漿加固處理。通過采取上述加固處治措施，基坑施工得以順利進行，說明該方案是合理可行的。

綜上所述，基坑滲漏災害發展過程伴隨著復雜的水力耦合作用，且具有一定的隱蔽性和突發性。因此，避免基坑遭受水力附加作用是防控基坑發生滲漏災害的關鍵因素，且抑制滲漏通道擴展和阻止水土流失加劇是控制基坑滲漏災害發展切實可行的途徑。

6 結 論

(1)止水帷幕局部滲漏加劇了滲流作用對基坑變形的影響，基坑滲水后圍護樁側向位移減小，但樁墻后土體側向位移影響范圍增大；圍護樁側向位移曲線隨基坑開挖深度由“斜線”形向“鼓肚”形分布演變，墻后深層土體側向位移曲線隨水平距離Lp增大由非線性“鼓肚”形分布轉變為線性分布。

(2)基坑開挖誘發的橫向地表沉降呈“凹槽”形分布，沉降槽顯著影響范圍為(1.0～1.5)He，止水帷幕局部滲漏引起地表沉降量及影響范圍增大，漏水后最大地表沉降量約為漏水前的4.4倍，地表沉降顯著影響區擴展為漏水前的2～3倍。

(3)圍護樁身內力隨基坑開挖深度增加而逐漸增大，漏水后樁身最大剪力和彎矩較漏水前減小，且樁身內力隨基坑開挖是一個動態發展平衡的過程，內支撐有助于改善圍護樁的承載和抗變形能力。

(4)抑制滲漏通道擴展和阻止水土流失加劇是控制基坑滲漏災害惡化的有效途徑，同時，為降低基坑發生滲漏災害的風險，應合理選型基坑圍護結構系統，保證隔水結構施工質量及防滲效果。