秦 羽, 李雄威, 劉正明, 肖金花

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院， 常州 213032； 2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 常州 213032；3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)， 常州 213300； 4.常州市軌道交通發(fā)展有限公司， 常州 213000)

軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展使深基坑工程越來越受關(guān)注?；右坏┌l(fā)生事故，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生較大的變形，將影響周邊環(huán)境如鄰近建筑物、道路、管線等的安全穩(wěn)定，乃至形成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。地下承壓水是造成基坑事故產(chǎn)生的關(guān)鍵原因之一，是基坑底部突涌的首要原因[2-3]。對(duì)基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的同時(shí)借助于數(shù)值計(jì)算的方法，能多方面更為精確地研究基坑工程整體變形[4]。Marsland[5]通過實(shí)驗(yàn)研究得出土體強(qiáng)度、基坑挖深、墻體入土深度等是影響臨界水頭關(guān)鍵要素的結(jié)論，同時(shí)可將其破壞模式分為整體頂升破壞、楔形體頂升破壞、表面砂沸破壞。宋建禹[6]對(duì)福州軌道交通2號(hào)線某承壓水基坑抗突涌問題提出相關(guān)建議，結(jié)合數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探討基坑圍護(hù)方案。由研究結(jié)果可知，對(duì)于不透水層較厚導(dǎo)致圍護(hù)墻不易伸入承壓水層的基坑，采用水下開挖的方式可有效預(yù)防基坑突涌事故、減小圍護(hù)墻體的變形。丁春林等[7]以上海軌道交通M8號(hào)線承壓水基坑工程為例，通過離心模型試驗(yàn)探討該基坑不透水層存在與否、基坑挖深等對(duì)基坑的變形影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：無論不透水層存在與否，基坑挖深越大，對(duì)基坑變形影響越大；挖深較大時(shí)，不透水層缺失與否，造成的基坑變形差異較大。陽吉寶等[8]以蘇州某廣場(chǎng)基坑為研究背景，探討承壓水對(duì)基坑的變形影響，對(duì)基坑突涌問題進(jìn)行驗(yàn)算并采取相關(guān)加固措施，對(duì)部分落深位置突涌穩(wěn)定性問題的處理提出建議。夏春亮等[9]選取泰州市某水泵房基坑工程實(shí)例，采取數(shù)值分析的方式，探討承壓水基坑坑底加固對(duì)其穩(wěn)定性的影響?？芍?，對(duì)比5種不同的加固措施，滿堂加固更為有效地減小坑底土體的回彈隆起，其基坑抗突涌效果更顯著。王曉楠等[10]就承壓水基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形問題的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，說明了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周圍土體的變形影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方式、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的研究發(fā)展，并且討論了現(xiàn)存的相關(guān)問題，為今后的研究做了鋪墊。本文以常州地鐵青楓公園站基坑工程為研究背景。通過建立基坑開挖數(shù)值計(jì)算模型，研究承壓水作用下基坑變形及突涌穩(wěn)定性狀，對(duì)承壓水降壓幅度、不透水層厚度、圍護(hù)墻入土深度等因素的抗突涌影響進(jìn)行參數(shù)分析。

1 工程概況

本例基坑開挖過程中主要含水層為上層潛水和承壓水。潛水層分布在填土層中，水位埋深在2 m左右，含水量小。承壓水層為⑤1粉土層、⑤2砂土層以及⑧1粉黏土層，其中⑤1、⑤2層為1-1承壓水層，⑧1層為1-2承壓水層。采用地下連續(xù)墻施工后，⑤層承壓水被截?cái)?，不?huì)發(fā)生突涌，⑧1層承壓水存在發(fā)生突涌的可能性，應(yīng)予以重視。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告、土體三軸試驗(yàn)、三軸加卸載試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)得到的土層參數(shù)見表1和表2。

表1 土層基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of soil mass

注：γ為重度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

表2 土體小應(yīng)變模型參數(shù)Table 2 Soil small strain model parameters

2 基坑開挖的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

本文采用的Plaxis大型巖土有限元軟件是專門應(yīng)用于巖土工程的數(shù)值模擬程序，內(nèi)帶多樣土體本構(gòu)模型。Plaxis軟件工作流程主要包括：建模、網(wǎng)格劃分、水力條件設(shè)置、工序輸入、計(jì)算分析。該軟件能很好地模擬巖土結(jié)構(gòu)及施工工序，其計(jì)算結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，能考慮到土與結(jié)構(gòu)間的作用。由于其強(qiáng)大準(zhǔn)確的計(jì)算分析功能，在巖土方向研究領(lǐng)域應(yīng)用較普遍。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)常州地鐵2號(hào)線青楓公園站的實(shí)際開挖情況，采用Plaxis有限元軟件模擬開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的變形。數(shù)值模擬計(jì)算中使用的土層參數(shù)是硬化土小應(yīng)變(HSS)本構(gòu)模型參數(shù)。依據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙可知，基坑開挖寬度與深度分別為24、16.2 m，兩邊土層取到60 m的范圍?；舆x用地下圍護(hù)墻結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)方案，地下圍護(hù)墻深度達(dá)30.5 m、厚為0.8 m，沿墻體垂直方向設(shè)立3個(gè)支撐，第一個(gè)支撐采用混凝土支撐，第二個(gè)和第三個(gè)支撐采用鋼支撐。在數(shù)值模擬中，地下連續(xù)墻由板單元模擬，內(nèi)支撐由錨桿模擬，模型的邊界條件使用固定位移邊界及固定水頭，土層與地連墻之間接觸面的強(qiáng)度折損參數(shù)為0.75。如圖1所示為數(shù)值模擬的該基坑開挖模型，空白處為開挖的基坑。圍護(hù)及支撐材料參數(shù)如表3所示。

1為地下潛水的埋深；2為地下連續(xù)墻；3為第一道混凝土支撐；4為第二道鋼支撐；5為第三道鋼支撐圖1 基坑開挖計(jì)算模型Fig.1 Foundation pit excavation model

表3 圍護(hù)及支撐材料參數(shù)Table 3 Enclosure and support material parameters

注：EA為軸向剛度；EI為抗彎剛度；d為水平間距。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

基坑開挖數(shù)值模擬過程與實(shí)際施工工況一致。數(shù)值計(jì)算結(jié)果收斂，達(dá)到預(yù)設(shè)的最終狀態(tài)，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)未發(fā)生土體破壞現(xiàn)象。圖2為數(shù)值模擬得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形圖，可知：

(1)基坑開挖時(shí)，墻體的水平變形值不斷增大，隨著墻體垂直方向呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢(shì)，圖2中墻體水平變形最大值為34.2 mm，位于地連墻深度的1/2左右(16.5 m)。

(2)基坑周圍地面的最大豎向位移值為22.4 mm，在遠(yuǎn)離基坑邊12 m附近，沉降值曲線表現(xiàn)為先變大后減小的“勺形”凹槽變形。

(3)從坑中央往基坑邊土體隆起值逐漸減小，隆起值極值在基坑中間位置，其值為52.44 mm。

圖2 數(shù)值模擬基坑開挖變形云圖Fig.2 Numerical simulation of deformation nephogram of foundation pit excavation

2.3 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析

施工現(xiàn)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置按遠(yuǎn)離基坑方向的水平距離依次為2、5、5、10、10、15 m，圍護(hù)墻水平變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿墻體豎直方向每隔0.5 m布置一個(gè)。墻體水平變形數(shù)值模擬結(jié)果，和最后一步開挖完成后墻體水平變形的計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果比較分別如圖3、圖4所示。地表沉降數(shù)值計(jì)算曲線圖、最終開挖步驟結(jié)束之后的地面沉降計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分別如圖5、圖6所示。

圖3 地連墻水平位移計(jì)算值Fig.3 Calculated horizontal displacement of diaphragm wall

圖4 地連墻水平位移計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of calculated horizontal displacement of diaphragm wall with field monitoring value

圖5 地表沉降計(jì)算值Fig.5 Calculated surface subsidence

圖6 地面沉降計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值Fig.6 Ground settlement calculation value and on-site monitoring value

由圖4可知：地連墻水平位移計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的變化規(guī)律趨于一致，最大值分別為34.2、29.5 m，兩者較接近，表明該深基坑采用的地連墻結(jié)合鋼支撐支護(hù)體系設(shè)計(jì)是安全有效且利于基坑穩(wěn)定，同時(shí)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算實(shí)際基坑開挖過程是合理的。由圖6可知，地面沉降值的數(shù)值模擬值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律相吻合，兩者都表現(xiàn)出先變大后變小的“凹槽形”分布形態(tài)。最大沉降值均出現(xiàn)在距基坑12 m左右的位置，分別為22.4、18.2 mm，沉降值最大的位置并不在基坑附近，而是位于基坑邊一定距離處，主要原因是基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間存在摩擦力等相互作用，減小了基坑周邊土體的沉降。

3 基坑突涌模型的建立

3.1 基坑突涌的數(shù)值模擬

為了探討⑧1承壓水層對(duì)本項(xiàng)目基坑穩(wěn)定性的影響，確定最終開挖深度為14、15、16 m等的基坑模型，分析基坑逐步開挖接近承壓水層時(shí)不透水層土體的突涌穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際模擬模型如圖7所示。

1為地下潛水的埋深(2 m)；2為⑧1承壓水層的水頭高度(- 4 m)；3為地下連續(xù)墻；4為第一道混凝土支撐；5為第二道鋼支撐；6為第三道鋼支撐；7為最后一道基坑開挖線圖7 基坑突涌的數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of foundation pit inrush

在基坑開挖過程中，坑底土體的剪切應(yīng)變往下部延伸，在不透水層底板即承壓水層頂板處積累變大，土體隆起量較大。當(dāng)開挖深度至17 m時(shí)，坑底土體隆起值為82.81 m，開挖至第四層土體時(shí)，數(shù)值計(jì)算不收斂，軟件信息記載框顯示“未達(dá)到預(yù)設(shè)的最終狀態(tài)！土體破壞”。此時(shí)，隔水層底部與承壓水層呈現(xiàn)脫離狀態(tài)，坑底突涌應(yīng)變狀態(tài)如圖8所示。

圖8 基坑底部突涌應(yīng)變機(jī)制Fig.8 Underflow strain mechanism at foundation pit bottom

從圖8中可以看出，在第四步土層開挖過程中，基坑上方不透水層的土體重量不足以承受承壓水的水壓，并且在其與承壓水之間產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致兩層土之間發(fā)生脫離。由圖8(a)可知，不透水層與承壓水層交界處土體體積應(yīng)變較大，在承壓水壓力的楔裂作用下基坑坑底頂升回彈，此時(shí)不透水層土體處于懸浮狀態(tài)。由圖8(b)可知土體剪切應(yīng)變?cè)诘叵逻B續(xù)墻內(nèi)部的坑底較大，基坑不透水層土體隆起較大?？梢钥闯?，基坑的底部在楔形開裂和剪切的作用下產(chǎn)生頂升突涌破壞[10]。

3.2 承壓水作用下的基坑穩(wěn)定性

在實(shí)際工程防治中，通過管井降水降低承壓水頭的壓力，提高基坑的穩(wěn)定性，預(yù)防基坑突涌現(xiàn)象的發(fā)生。⑧1承壓水層初始水頭為-4 m，為了研究不同的承壓水頭下基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的變形影響，本文建立了承壓水頭hw=-16、-12、-8、-4 m以及無承壓水情況下的基坑開挖模型，探討基坑開挖到坑底-17 m 時(shí)的基坑變形性狀。如圖9所示為各級(jí)承壓水位下墻體水平變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果。將每個(gè)級(jí)別水頭壓力下的圍護(hù)墻體水平位移值與沒有壓力水頭作用情況作對(duì)比，結(jié)果如圖10所示，可知，沒有承壓水壓力的墻體水平變形值較小，墻體的水平變形值與承壓水頭高度變化成正比關(guān)系，水頭越高變形值越大。并且變形值最大的點(diǎn)深度在坑底附近，隨著水頭升高而降低，基坑穩(wěn)定性隨之下降。水頭高度為-4 m時(shí)，墻體水平變形值比無承壓水時(shí)增40.9%。

圖9 各級(jí)水頭高度下地連墻水平位移計(jì)算值Fig.9 Calculated values of horizontal displacement of diaphragm wall at different water head heights

圖10 地連墻水平位移對(duì)比圖Fig.10 Contrast diagram of wall horizontal displacement

4 抗突涌因素影響分析

前文總結(jié)了不同級(jí)別水頭壓力下的圍護(hù)墻體水平位移值與沒有壓力水頭作用情況的對(duì)比，以下將具體分析承壓水降壓幅度、不透水層厚度、圍護(hù)墻入土深度等各參數(shù)對(duì)圍護(hù)墻體最大水平位移的影響。為了便于結(jié)果分析，采用無量綱化的方法來表征基坑變形量，也就是說，根據(jù)圍護(hù)墻最大水平變形值與開挖深度比(δhmax/H)的變化規(guī)律，分析了各種因素對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

4.1 承壓水降壓幅度的影響

承壓水不同的降壓幅度對(duì)應(yīng)著不同的承壓水頭，前文建立了承壓水頭hw=-16、-12、-8、-4 m的基坑開挖模型，現(xiàn)用墻體變形無量綱化的方式分析承壓水降壓幅度對(duì)基坑穩(wěn)定的影響，圖11為第三步開挖結(jié)束(H=13 m)與開挖到坑底(H=17 m)的墻體無量綱化最大變形圖。可以看出，圍護(hù)墻體水平位移隨著承壓水頭的升高呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)，且基坑開挖至坑底17 m 的水平位移與第三步開挖步相比明顯比較大，可知承壓水頭越大，開挖深度越深，基坑越不穩(wěn)定。降壓前期較后期對(duì)基坑穩(wěn)定性影響更顯著，變化更明顯。

圖11 承壓水降壓幅度對(duì)δhmax的影響Fig.11 The influence of pressure drop range of confined water on δhmax

4.2 不透水層厚度的影響

研究不透水層厚度對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，需要改變數(shù)值模型隔水層厚度值，設(shè)置承壓水層頂板標(biāo)高分別為-22、- 23 、…、- 27 m，對(duì)應(yīng)的隔水層厚度分別為5、6、…、10 m。水頭高度分別為-12、-8 m時(shí)的墻體無量綱化最大水平變形如圖12所示?？芍?，墻體最大水平變形跟不透水層厚度是反比關(guān)系，隔水層厚度越薄，墻體變形越大，對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較大，反之，隔水層越厚基坑越穩(wěn)定；承壓水頭越高，不透水層厚度對(duì)基坑穩(wěn)定性影響越顯著。工程中水頭較高的基坑應(yīng)保證足夠厚的不透水層厚度，確保基坑穩(wěn)定安全。

圖12 不透水層厚度對(duì)δhmax的影響Fig.12 Influence of thickness of water-repellent layer on δhmax

4.3 圍護(hù)墻入土深度的影響

工程中利用地連墻截?cái)喑袎核c坑內(nèi)土體的水力聯(lián)系可以避免基坑事故的發(fā)生，本文研究圍護(hù)墻不同入土深度對(duì)基坑變形穩(wěn)定的影響。建立地連墻深度分別為30.5、32、33.5、35、5、38 m的基坑開挖模型，水頭高度分別為-12、- 8 m時(shí)的墻體無量綱化最大水平變形如圖13所示?？梢钥闯?，隨著圍護(hù)墻入土深度的增加墻體水平變形減小，當(dāng)?shù)剡B墻深度達(dá)到37.5 m截?cái)喑袎核畬訒r(shí)，墻體水平變形最小；曲線較平緩，說明圍護(hù)墻入土深度對(duì)墻體變形影響不是很明顯。工程中，承壓水頭較高，開挖深度較大的基坑可利用地連墻截?cái)喑袎核畬颖苊饣油挥渴鹿省?/p>

圖13 圍護(hù)墻入土深度δhmax對(duì)的影響Fig.13 The influence of the depth of the wall penetration on δhmax

5 結(jié)論

(1)基坑周圍地表沉降、墻體水平變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，說明數(shù)值模擬基坑開挖過程是合理的。承壓水基坑穩(wěn)定性隨著水頭高度升高、開挖深度增加而降低，本例基坑工程未進(jìn)行降水的情況下即水頭高度為-4 m時(shí)，開挖深度達(dá)到17 m基坑發(fā)生整體頂升突涌破壞。

(2)承壓水條件下基坑開挖易發(fā)生突涌破壞，抗突涌影響因素包括：圍護(hù)墻入土深度、不透水層厚度、承壓水降壓幅度等，基坑開挖過程中降低水頭高度、增加不透水層厚度以及加深圍護(hù)墻入土深度等措施可以提高基坑穩(wěn)定性，預(yù)防基坑突涌破壞，減小圍護(hù)墻水平變形，保護(hù)周圍環(huán)境；承壓水頭較高的情況下不透水層厚度對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較顯著，地連墻入土深度較其他因素對(duì)基坑穩(wěn)定變形影響較小。