緊鄰地鐵深基坑開挖對周邊環境影響分析

張婉吟，孫昌利，張 挺，陳小丹

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

隨著城市建設的發展，深基坑工程也向著更大更深的方向發展，而基坑工程的施工環境、影響因素越來越復雜，根據大量基坑失穩和變形破壞實例分析，可以看出因滲流引發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開挖基坑時，通常采取基坑降水與止水帷幕結合的方法來控制地下水的影響[6-8]，坑內外會出現水頭差，地下水將在坑內外水頭差的作用下發生滲流[9]。地下水的滲流引起的坑內外的孔隙壓力和有效應力發生改變，不僅影響作用在圍護結構上的水壓力、土壓力及側壓力計算，還影響基坑周圍地表沉降和坑底的回彈變形計算，甚至引起管涌和流砂[10-12]。因此在基坑穩定和變形分析中必須高度重視地下水的滲流作用。

本文結合深圳某深基坑工程，應用有限元分析軟件Midas/GTS的“應力-滲流-邊坡”分析模塊，分析基坑開挖引起的滲流場變化，以及地下水位變化情況下基坑周邊與鄰近地下結構的變形情況。

1 工程概況

某深基坑工程位于深圳西部填海區，含6層地下室，基坑寬度為80～100 m，總長度約為830 m，深度約為30 m。基坑東側依次為地鐵11號線、5號線、1號線車站，為減少基坑開挖對地鐵車站的影響，本工程共分為8個獨立基坑分別施工，每個基坑均采用地下連續墻支護及止水。基坑開挖采取跳挖方式，結合上蓋塔樓的開發時序，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。基坑平面位置關系示意見圖1。

圖1 T2及T4基坑周邊環境概況示意

基坑采用“地下連續墻+環形內支撐”的支護形式，T1～T8地下連續墻均已施工完成，地下連續墻厚度為1.2 m，墻體深度約為48.2 m。基坑內地下水在土方開挖階段以“坑內集水井抽水+排水溝明排”方式為主，局部管井降水為輔。

本文對現行施工的T2及T4基坑開挖過程展開研究。T4基坑支撐平面布置為環撐+對撐+局部角撐，環撐直徑為40.8 m，對撐水平間距一般為9 m，豎向設置6道鋼筋砼支撐，T4基坑第1道支撐平面布置示意見圖2。基坑與地鐵車站位置關系剖面示意見圖3，地鐵11號線下有樁基礎，5號線與1號線為筏板基礎，兩側通道下設置有抗拔樁。

圖2 T4基坑第1道支撐平面布置示意

圖3 T4基坑與地鐵車站位置關系示意

2 地質條件

項目位于前海灣填海區，西側約600 m外為前海灣海水，根據勘察資料，選取代表地質鉆孔，場地內主要巖土層見圖4所示。

圖4 代表地質與地連墻位置關系示意

項目場地附近無地表水流，地下穩定水位高程為0～3 m。地連墻嵌固深度、坑底高程、地下水位高程與簡化地層的位置關系如圖4所示，參考工程地勘報告并結合廣東省內經驗，各巖土體的物理力學參數建議值見表1[13]。

表1 各巖土體的物理力學參數值

3 有限元分析

基坑引起周邊的沉降分為開挖引起的沉降及降水引起的沉降，本文分兩個模型分析，并與實測總沉降對比。

3.1 基坑開挖引起的變形分析

3.1.1有限元模型

基坑開挖引起的變形分析采用二維平面應變模型，數值有限元模型見圖5，基坑開挖至坑底高程-25.7 m，分7次開挖，設6道支撐，直撐-環撐-直撐串聯形式做了等效對撐剛度處理。

圖5 開挖前后有限元模型示意

在計算基坑開挖引起的應力應變時，土體采用修正摩爾庫倫本構，使用“應力”分析模塊計算，模型左右施加法向約束，底部同時施加水平向和法向約束。基坑開挖按照實際施工過程，按“先撐后挖”的原則進行，主要模擬的施工過程見表2。

表2 開挖引起變形施工過程模擬

3.1.2結果率定及沉降分析

基坑開挖到底引起的水平位移云圖見圖6。總體上地連墻側向變形中間大，兩邊小，呈紡錘體形狀。并且，西側圍護結構水平位移趨勢較東側大，這是因為地鐵結構側土壓力較小。西側樁體水平位移最大值為29.4 mm，監測數據為20.86 mm；東側樁體水平位移最大值為14.5 mm，監測數據為12.4 mm；西側圍護結構的理正深基坑單元計算結果樁體水平位移最大值為30 mm，與有限元結果29.4 mm基本吻合。結果對比列于表3。

基坑開挖到底引起的豎向位移見圖7所示。地連墻西側外地表沉降最大值為-14.3 mm。11號線車站底板豎向位移為-1.3 mm，5號線車站底板沉降值為-0.7 mm，1號線車站底板沉降值為-0.8 mm。開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號線沉降最大，5號線與1號線次之。

圖7 基坑開挖引起豎向位移示意

3.2 降水引起的滲流場變化與變形分析

3.2.1三維有限元模型

根據現場情況，由于前期8個基坑的地連墻以及11號線、5號線、1號線車站以及車站底下抗拔樁均已施工，因此,將T1～T8基坑一起建模，T2及T4開挖到設計高程，坑內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 有限元計算模型俯視示意

圖9 T2及T4開挖到底示意

圖10 地下連續墻及地鐵車站的相對關系

圖11 地鐵車站及抗拔樁

本模型僅研究基坑降水引起周邊的滲流場變化及沉降，不涉及基坑開挖，因此土體本構關系可采用摩爾庫倫模型，并使用GTS中的“應力-滲流-邊坡”分析模塊計算。模型四周與底部施加法向約束，地下水位邊界條件根據地形東高西低的特點確定，東側地下水位H=3 m，模型西側為前海灣海水，邊界取海平面高程H=0 m，南北兩側均從3 m線性降低至0 m。土體、地連墻、地鐵車站均使用3D實體單元，抗拔樁使用植入式梁單元。主要模擬的施工過程見表4。

表4 施工過程模擬

3.2.2計算結果分析

1) 基坑降水引起的滲流場分析

礫砂層內初始總水頭云圖見圖12，總水頭從東向西由3 m遞減到0 m。T2、T4基坑地下連續墻內的南北側初始水頭值約1.5 m，T2基坑西側初始水頭1.0 m，T4基坑西側初始水頭0.8 m。

圖12 礫砂層內滲流總水頭示意(初始滲流場)

當T2和T4基坑開挖至設計標高時，礫砂層內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，說明水力梯度較小，地下水浸潤線坡度較平緩，降落漏斗較大，說明基坑開挖降水引起的影響范圍較大。模型1-1剖面的浸潤線如圖14所示，從圖中可知由于T1～T8基坑已施工的連續墻存在阻水作用，坑內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 礫砂層內滲流總水頭示意(開挖后)

2) T2、T4基坑周邊地下水位對比分析

T2、T4基坑附近的地下水位高程結果如圖15所示，基坑西側地下水位為-7.6～-9.3 m，T1基坑內地下水位為-11.2 m，T3基坑內地下水位為-16.3 m，T5基坑內地下水位為-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據并與監測結果水位數據進行對比(見表5)，通過對比可以看到基坑降水后周邊的地下水位數據有限元計算結果與監測結果吻合程度較好。

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周圍局部地表沉降值見圖16，圖16中的沉降值為降水引起的最終沉降量。以T4基坑西側水位下降至-9.3 m高程點為例，該點初始地下水位高程為0.8 m，水位降深為10.1 m。通過分層總和法計算得該點的總沉降量為115 mm，較有限元結果96.9 mm偏高，可能原因是有限元計算出的地表沉降受連續墻的豎向約束影響，但數值分析沉降值與理論結果差別較小，結果基本合理。

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，若是要與監測值對照還需要考慮各土層不同時間的固結度。根據地下水位監測數據，該項目地下水位下降較大的時間段約6個月，因此固結時間取6個月。除淤泥、粘土、粉質粘土層外，由于其他土層透水性較強認為在施工期間已經完成固結。在考慮固結度時間為6個月的情況下，降水引起的地表沉降量為25.6 mm，疊加開挖引起的沉降14.3 mm，地表總沉降量為39.9 mm。此代表計算點地表沉降觀測點的累積沉降量是27.5 mm，小于計算值，計算結果偏安全。

4) 降水引起的地鐵車站底板沉降分析

有限元計算基坑降水引起的T2、T4基坑代表橫斷面地鐵車站底板沉降見圖17。相同橫斷面地鐵車站底板垂直位移監測成果數據見圖18，兩圖的沉降數據統計見表6。從表6沉降數據可知，有限元計算的地鐵底板沉降數值與監測結果的變形趨勢基本一致，即離基坑最近的11號線沉降最大，5號線次之，1號線最遠沉降最小。從數值上來看，T2、T4基坑有限元結果均比監測值偏大，偏于保守。

圖17 T2、T4基坑橫斷面地鐵車站底板沉降示意(單位：mm)

圖18 地鐵車站底板垂直位移監測成果示意(單位：mm)

表6 地鐵車站底板沉降對比 mm

4 結語

1) 建立T4基坑二維平面應變開挖模型，地連墻水平位移最大值有限元29.4 mm/理正30 mm/測斜20.86 mm，有限元與理正結果比較接近，計算基本合理。基坑西側地連墻外地表沉降-14.3 mm，11號線底板沉降-1.3 mm，5號線底板沉降-0.7 mm，1號線底板沉降-0.8 mm，開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基坑與地鐵結構的整體降水模型，T2、T4基坑周邊最終地下水位高程與監測結果基本吻合，滲流計算基本合理。

3) T2、T4基坑降水引起的地表沉降。代表計算點引起的最終地表沉降：分層總和法115 mm/有限元96.9 mm，證明有限元計算降水引起的沉降結果基本合理。考慮固結度且疊加開挖影響的地表沉降：有限元39.9 mm/監測27.5 mm，有限元結果大于監測結果，原因可能為實際水位降深不同，且計算點比監測點離地連墻遠，沉降較大。

4) T2、T4基坑降水引起的地鐵車站底板沉降。有限元計算的地鐵底板沉降數值與監測結果的變形趨勢基本一致。