基坑開挖降水對周邊環境的應力-滲流耦合效應分析

姚 棟

（中鐵上海設計院集團有限公司 天津分院，天津 300071）

隨著城市軌道交通事業的快速發展，地鐵基坑深度不斷增加，由于地鐵站位一般設置在城市商業、居住等重點區域，周邊建筑林立，加之地下管線排布錯綜復雜，所以地鐵基坑開挖對周邊環境的影響尤為敏感。基坑開挖及降水過程中控制好周邊地表、建筑及地下管線變形成為研究重點。目前開展的研究一般僅針對單個基坑進行，通過有限元模擬基坑開挖降水，對基坑周邊的建筑物或地下管線安全性開展評價，探討不同圍護結構參數或地層物理力學參數對地層固結的影響[1～5]。但對基坑僅進行開挖與降水+開挖兩種不同工況下的對比分析較少且對于不同地質條件下的兩處基坑在開挖降水過程中的應力-滲流耦合效應的對比分析尤為少見。本文對同一地區開挖深度范圍內地層差別較大且地下水位深淺不一的兩處基坑工程進行對比分析，選擇更加安全、經濟、合理的基坑圍護結構形式及地下水處理方案。

1 基坑開挖降水方案

1.1 工程概況

A、B 兩座地鐵車站。A 站基坑標準段寬22.6 m、開挖深度為20 m，鄰近基坑處有1 棟6 層居民樓且基坑兩側地下存在3根DN300 mm自來水管；B站基坑標準段寬21.9 m、開挖深度約為21 m，開挖影響范圍內無地面建筑物，基坑北側地下存在1 根DN500 mm 污水管、1 根DN500 mm 雨水管及1 根DN400 mm 自來水管，南側地下存在1 根DN900 mm 雨水管、1 根DN800 mm自來水管及1根DN400 mm污水管。

兩車站地下水均為孔隙潛水，無承壓水。其中A站含水層主要為碎石，地下潛水埋深約為15.3 m；B 站含水層主要為黏質粉土、粉質黏土及角礫，地下潛水埋深約為7.4 m。見表1和表2。

表1 A站基坑范圍內主要地層土性參數

表2 B站基坑開挖范圍內主要地層土性參數

1.2 地下水處理措施

目前基坑設計中常用的地下水處理措施有兩種：一是基坑周邊設置止水帷幕，形成圍閉空間，隔絕（截斷式止水帷幕）或削弱（懸掛式止水帷幕）坑內外的水力聯系，同時在坑內設置降水井抽水，降低坑內水位；二是坑外設置降水井進行區域性降水[6]。第一種優點是對地下水及周邊環境擾動相對較小，可更有效節約和保護地下水資源；缺點是需另行設置或與圍護結構結合設置止水帷幕，增加工期及投資；第二種剛好相反。為節省工期并降低投資，對2 座車站基坑外降水的可行性進行分析。

2 基坑開挖降水應力-滲流耦合分析

2.1 有限元模型建立

采用Midas GTS NX 軟件進行建模。人工側向邊界及底邊界取至3～5 倍基坑開挖深度；土體本構模型采用模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫倫模型，平面應變單元；圍護樁、鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、建筑物及管線采用彈性模型中的結構模型；建筑物采用平面應變單元模擬；其余單元采用梁單元進行模擬。

兩基坑圍護結構均采用直徑1 m、間距1.5 m 鉆孔灌注樁，基坑自上而下設置1根0.8 m×1 m混凝土支撐及3 道φ800 mm、壁厚16 mm 鋼支撐。采用滲流邊界中的節點水頭模擬總水位及降水井，降水井設置在圍護樁外側2 m 位置，伸入坑底面以下6 m。模型兩側邊界及底邊界均采用位移約束條件。見圖1。

圖1 基坑二維數值模型

2.2 施工條件及各建構筑物變形控制值確定

第一階段激活各土層、管線、建筑物及總水位，進行初始滲流場分析；第二階段激活整體邊界及自重作用，進行初始應力場分析，位移清零；第三階段模擬施作圍護樁，之后各階段依次開挖土層至各道支撐下1 m 并施作對應支撐且需在開挖至地下水位地層的工況之前添加降水井啟動工況，激活降水井，對降水過程進行瞬態模擬，將地下水位降至坑底以下，最終開挖至坑底。另外定義了一組施工，除第一階段不再進行初始滲流場分析及取消降水施工階段外，其余工況與前一施工各工況一致。各建構筑物的變形控制值見表3。

表3 各建筑物變形控制值

2.3 計算結果分析

對兩種工況進行分析，最終得到基坑開挖施工和基坑降水+開挖施工兩種變形結果。模型水平向變形較小，不作為地表及周邊建（構）筑物變形控制項；變形較大的豎向結果見圖2和圖3。

圖2 A站豎向位移

圖3 B站豎向位移

兩基坑在不同施工過程中建筑物及管線變形結果見表4和表5。

表4 A站在不同施工階段下建筑物及管線變形

表5 B站在不同施工階段下管線變形對比

從表4 和表5 可以看出：坑外降水對A 站基坑地表建筑、地下管線變形影響有限，可滿足變形控制要求；但對B 站基坑周邊管線變形影響較大，基坑開挖及坑外降水的耦合效應導致基坑周邊地表及管線沉降遠超控制值，可能發生地下管線破裂、接口脫開等風險，故不應采用坑外降水方案。

B站基坑地下水位較高，坑外降水風險較大，考慮采用止水方案處理地下水。同樣建立二維有限元模型，在圍護樁處增設不透水的界面單元用來模擬止水帷幕，在坑內設置2 排降水井，伸入坑底面以下6 m。見圖4。

圖4 B站基坑止水+坑內降水方案

B 站基坑在止水+坑內降水施工過程中管線變形結果見表6。

表6 B站止水+坑內降水方案管線變形mm

止水方案對B 站基坑周邊管線沉降影響有限，采用止水+坑內降水方案可滿足地下管線變形控制要求，故B站采用止水+坑內降水方案處理地下水。

3 沉降監測對比分析

兩處基坑均已開始施工，其中A 站采用坑外降水方案，而B 站采用止水+坑內降水方案。施工期間，對基坑周邊地表、建筑物及管線沉降、地下水位等進行了全程監測。見表7和表8。

表7 A站沉降數據mm

表8 B站沉降數據mm

有限元模擬計算的地下管線等線性結構的變形結果雖略大于現場監測結果，但總體誤差處于可接受范圍；而建筑物實際發生的沉降量遠小于有限元計算結果，說明二維有限元模型由于無法考慮建筑物等空間結構的整體穩定性影響，與實際變形偏差較大，建議在處理該種問題時，采用三維模型進行模擬計算。

4 結論

1）通過有限元軟件對基坑開挖降水過程進行應力-滲流單向耦合分析，可以有效預測基坑在降水及開挖過程中地表及地下管線的變形量，對設計及施工具有指導意義。在開展基坑工程設計工作之前，應對基坑開挖對周邊地下管線的影響進行分析評估，結合分析結果選擇安全、經濟、有效的圍護結構。

2）基坑降水引起的滲流問題對基坑周邊環境有一定影響，若含水層為承載力較差的粉土或黏性土且地下水位較高時，即使基坑周邊環境比較簡單，也應慎重選擇坑外降水方案，降水引起的滲流問題將導致地面及基坑周邊建構筑物產生較大變形，容易對基坑產生次生風險。相反，若含水層為承載力較強的碎石、卵石等地層時，由于地層骨架效應較好，降水引起的地層變形有限，可優先考慮坑外降水方案，降低工程投資的同時亦可提高施工效率。

3）若對鄰近基坑的地面建筑等空間結構開展安全預評估，由于二維有限元模型無法考慮建筑物等空間結構的整體穩定性影響，易導致計算結果失真，建議采用三維有限元模型進行模擬分析。