莊鈴強(qiáng)，吳能森*，余凌鋒，2，許旭堂，陳榕康，3

1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州350002；

2.福州三江口建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司，福建 福州350018；

3.福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州350001

隨著地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，地鐵深基坑工程日益增多。面對(duì)軟弱的地質(zhì)環(huán)境，基坑降水開(kāi)挖施工極易導(dǎo)致基坑外地表沉降，威脅周邊建（構(gòu)）筑物的安全。因此研究軟土深基坑降水開(kāi)挖的地表沉降規(guī)律，進(jìn)而尋求有效的沉降控制措施，意義重大。關(guān)于數(shù)值模擬研究中的土體本構(gòu)模型，宋二祥等［1-2］對(duì)比分析了常見(jiàn)模型在地下結(jié)構(gòu)和基坑開(kāi)挖數(shù)值分析中的適用性，表明修正摩爾-庫(kù)倫模型能更好反映應(yīng)力路徑對(duì)土體變形特性的影響。在降水滲流數(shù)值模擬研究方面，馮曉臘［3］、裴桂紅［4］、盛建龍［5］、楊果林［6］、周勇［7］、林迪斯［8］、吳昊［9］等先后基于滲流-應(yīng)力耦合理論進(jìn)行基坑降水開(kāi)挖工程模擬研究，模擬計(jì)算結(jié)果均與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，而未考慮滲流與應(yīng)力耦合效應(yīng)的計(jì)算值則差異較大。

為此，以福建濱海地區(qū)某地鐵車(chē)站深基坑降水開(kāi)挖為工程背景，擬基于滲流-應(yīng)力耦合理論和修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系建立深基坑降水?dāng)?shù)值模型，研究滲流-應(yīng)力耦合下基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中孔壓變化及地表沉降，并分析土體及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。

1 工程概況

某地鐵站深基坑總長(zhǎng)度345 m，寬度18.3～35.3 m，開(kāi)挖深度16 m，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；庸こ谭秶鷥?nèi)自上到下主要巖土層為：1）雜填土，成分以黏性土、碎石及塊石回填為主，不均勻透水性強(qiáng)，揭露層厚1.00～2.00 m；2）淤泥質(zhì)土1，成分以黏粒和粉粒為主，海積形成為欠固結(jié)土，揭露厚度為7.20～36.80 m；3）淤泥質(zhì)土2，成分以黏粒、粉粒為主，海積形成為欠固結(jié)土，揭露厚度為2.50～20.70 m；4）粉質(zhì)黏土，成分以黏、粉粒為主，沖洪積成因，揭露厚度為0.90～14.60 m；5）強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體極破碎，揭露厚度為0.80～9.10 m。深基坑主體落在淤泥質(zhì)土內(nèi)。場(chǎng)地土層富存地下水，穩(wěn)定水位埋深0.60～2.80 m，場(chǎng)地地下水與鄰近的閩江水具有較密切的水力聯(lián)系，水位高低受閩江水影響大。巖土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

工程按規(guī)范開(kāi)展水位、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地面沉降監(jiān)測(cè)［10］：1）布置22口坑外水位觀測(cè)井，其中16口觀測(cè)潛水水位，6口進(jìn)入碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖觀測(cè)孔隙承壓水水位；2）沿基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)每隔15 m布置1個(gè)地連墻測(cè)斜監(jiān)測(cè)孔，同時(shí)在基坑每邊的中部及關(guān)鍵部位布設(shè)監(jiān)測(cè)孔；3）在基坑邊緣地面每隔約15 m布置1排地面沉降觀測(cè)點(diǎn)，每排3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，距基坑邊緣依次為2.0，5.0，8.0 m。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

為獲得可靠的滲透系數(shù)和排水量等參數(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)水位監(jiān)測(cè)井，按規(guī)范進(jìn)行單孔非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算土層綜合滲透系數(shù)k［11］，取k=1 m/d。

表1巖土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of geo-strata

圖1監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of monitoring points

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS/NX有限元軟件建立計(jì)算模型，如圖2所示。其中，土體本構(gòu)為修正摩爾-庫(kù)倫模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型?？紤]基坑開(kāi)挖的影響范圍確定本模型的邊界大小為465 m×180 m×60 m［12］。采用板單元建立地連墻，地連墻兼做截水帷幕，通過(guò)析取面建立截水帷幕，地連墻與截水帷幕單元點(diǎn)中間用剛性網(wǎng)格連接。

圖2有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model

依據(jù)實(shí)際施工順序設(shè)置模擬工況，如圖3所示。其中，模擬工況設(shè)定中工況1為地應(yīng)力平衡，工況2為地下連續(xù)墻施工，后續(xù)工況均為先基坑降水再進(jìn)行開(kāi)挖與內(nèi)支撐、圍檁施工。各工況下水位通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭差進(jìn)行模擬，采用“應(yīng)力-滲流-邊坡”求解算法對(duì)模型施工過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合分析及穩(wěn)定分析［8］。

圖3施工工況模擬Fig.3 Construction process simulation

2.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。地連墻測(cè)斜管監(jiān)測(cè)點(diǎn)QCX13和QCX33的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)位置數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖4；3個(gè)同排地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC33-1、DBC33-2和DBC33-3的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)位置數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖5。

由圖4和圖5可見(jiàn)，地連墻位移和地面沉降的數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，數(shù)據(jù)也較吻合，表明該有限元模型較為合理可靠。地連墻位移計(jì)算值總體略小于監(jiān)測(cè)值，而地表沉降的計(jì)算值大于監(jiān)測(cè)值，可能是由于默認(rèn)支撐與地連墻剛接，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系剛度偏大。

圖4地連墻位移對(duì)比：（a）QCX13，（b）QCX33 Fig.4 Comparison of slurry-wall displacement：（a）QCX13，（b）QCX33

2.3 降水開(kāi)挖過(guò)程中孔壓及地表沉降分析

2.3.1 孔壓分析通過(guò)有限元分析獲得基坑開(kāi)挖后的地下水滲流路徑圖（圖6）和5個(gè)降水開(kāi)挖工況的孔隙水壓力變化云圖（圖7）。由圖6可知，基坑內(nèi)降水開(kāi)挖后，在止水帷幕作用下基坑周邊水體通過(guò)滲流作用往基坑底部匯聚，水體滲流路徑呈明顯的降落漏斗形，與文獻(xiàn)［13］中的現(xiàn)象相似。由圖7可知，隨著坑內(nèi)水位降低，基坑周邊表層土體的孔隙水壓力逐漸消散，孔壓變化隨深度而減小，鄰近坑底及以下土體的孔壓基本保持不變?？拥椎牡瓤讐壕€為下凹型弧形曲線，隨工況推進(jìn)下凹弧度逐漸變大，等孔壓線與水體滲流路徑相吻合。

圖5地表沉降對(duì)比：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3Fig.5 Comparison of ground settlement：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3

圖6地下水滲流場(chǎng)Fig.6 Groundwater seepage field

2.3.2 地表沉降分析通過(guò)有限元分析獲得基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中地表的沉降數(shù)據(jù)（圖8）。由圖8（a）可知，除第1次降水開(kāi)挖因數(shù)量少且時(shí)間短，基坑周邊無(wú)明顯地表沉降外，之后各次降水開(kāi)挖基坑周邊地表沉降曲線均呈“勺形”；隨降水開(kāi)挖依次遞進(jìn)，基坑周邊地表沉降及影響范圍隨之?dāng)U大，最大沉降點(diǎn)逐漸向遠(yuǎn)離基坑方向移動(dòng)，與基坑的距離大約為降水深度的1.0～0.75倍（遞減），至第5次基坑開(kāi)挖后，基坑周邊地表最大沉降量為28.63 mm，與基坑邊緣距離約13 m。

分析各次降水開(kāi)挖之間的最大沉降增量ΔSmax與其降水開(kāi)挖深度增量ΔH的數(shù)量關(guān)系，表明ΔSmax～ΔH呈正相關(guān)性，且ΔSmax/ΔH隨ΔH增大而增大。分析第2次～第5次降水開(kāi)挖之間的沉降與孔壓二者增量比的關(guān)系，顯示地表沉降的增量比與孔壓的負(fù)增量比接近，如圖8（b）所示，說(shuō)明該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，基坑周邊地表沉降主要是因降水致土層孔壓消散的結(jié)果。

2.4 土體及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響

圖7各工況孔隙水壓力云圖：（a）工況3，（b）工況4，（c）工況5，（d）工況6，（e）工況7Fig.7 Pore water pressure nephograms under various working conditions：（a）condition 3，（b）condition 4，（c）condition 5，（d）condition 6，（e）condition 7

圖9土體及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響：（a）滲透系數(shù)，（b）降水深度，（c）各降水深度下最大沉降，（d）降水速率，（e）回灌措施Fig.9 Effects of soil and design parameters on ground settlement：（a）permeability coefficients，（b）precipitation depths，（c）maximum settlement under various precipitation depths，（d）precipitation rates，（e）recharge measures

2.4.1 土體滲透系數(shù)對(duì)地表沉降的影響通過(guò)改變模型中土層的滲透系數(shù)，研究土體滲透系數(shù)變化對(duì)基坑周邊地表沉降的影響，結(jié)果如圖9（a）所示。由圖9（a）可知，在第5次降水開(kāi)挖后，以土層滲透系數(shù)k為0.01 m/d為基準(zhǔn)，當(dāng)k分別增大為0.05，0.1，1.0，10 m/d時(shí)，距基坑10 m處的地表沉降量分別約增大20%，46%，93%，133%，可見(jiàn)基坑外地表沉降受滲透系數(shù)影響較大，而且地表沉降的有效影響范圍也隨滲透系數(shù)的增大而增大。

2.4.2 降水深度對(duì)地表沉降影響通過(guò)改變模型中的最終降水深度，研究基坑降水深度對(duì)基坑周邊地表沉降的影響，結(jié)果如圖9（b，c）所示。由圖9（b，c）可知，基坑周邊地表沉降隨基坑最終降水深度的增大而增大，基坑最終降水深度與地表最大沉降量近乎呈線性關(guān)系，降水深度每增加1 m，相應(yīng)地表最大沉降量約增加2 mm；當(dāng)降水深度達(dá)到20 m及以上時(shí)，基坑周邊地表的最大沉降量將超過(guò)規(guī)范要求的30 mm限值［14］。

2.4.3 降水速率對(duì)地表沉降的影響通過(guò)建立不同降水歷時(shí)的數(shù)值模型，研究不同降水速率對(duì)基坑周邊地表沉降的影響，結(jié)果如圖9（d）所示。由圖9（d）可知，降水歷時(shí)大于10 d時(shí)，基坑周邊地表沉降符合規(guī)范要求；反之，基坑周邊地表最大沉降不滿足規(guī)范要求。當(dāng)降水歷時(shí)為20 d與30 d時(shí)，二者的沉降曲線基本重合，說(shuō)明土體在20 d前基本完成初期固結(jié)，即降水歷時(shí)在10～20 d之間取值較合理。

2.4.4 回灌對(duì)地表沉降影響在實(shí)際工程中，通過(guò)設(shè)置止水帷幕無(wú)法完全截?cái)嗷觾?nèi)外的水力聯(lián)系，基坑內(nèi)降水開(kāi)挖，依然會(huì)使基坑外水頭降低，從而導(dǎo)致基坑外地表發(fā)生沉降。為有效控制基坑外地表沉降，通常在基坑外設(shè)置回灌井來(lái)控制坑外水位與地表沉降［15-16］。

模擬在地表沉降最大點(diǎn)附近進(jìn)行回灌，研究回灌措施對(duì)坑外地表沉降的影響，結(jié)果如圖9（e）所示。由圖9（e）可知，采取回灌措施后基坑周邊地表的最大沉降計(jì)算值為21.13 mm，比無(wú)回灌措施時(shí)的28.63 mm減小26.2%，表明采取回灌措施對(duì)控制地表沉降有明顯效果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軟土層中深基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中，水體滲流路徑、孔壓變化、地表沉降的數(shù)值模擬研究，以及土體滲透系數(shù)及降水深度、降水速率等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響分析，得到以下結(jié)論：

1）基坑降水開(kāi)挖后，地下水滲流路徑呈明顯的降落漏斗形；基坑周?chē)翆拥目讐合⒆兓S深度而減小，坑底的等孔壓線為下凹型弧形曲線，其下凹弧度隨降水逐漸變大。

2）降水開(kāi)挖引起的基坑周邊地表沉降曲線均呈“勺形”；隨著降水開(kāi)挖深度的增加，地表沉降曲線的最大沉降點(diǎn)逐漸向遠(yuǎn)離基坑方向移動(dòng)，最大沉降點(diǎn)與基坑的距離大約為降水深度的1.00～0.75倍；單位降水開(kāi)挖深度引起的地表最大沉降增量隨降水開(kāi)挖深度增量的增大而增大，建議控制每次降水開(kāi)挖深度的增量不宜過(guò)大。

3）基坑外地表沉降受滲透系數(shù)影響較大，沉降大小及其有效影響范圍隨滲透系數(shù)的增大而增大；基坑周邊地表沉降隨基坑降水深度的增大而增大，基坑最終降水深度與地表最大沉降量近似呈線性關(guān)系，降水深度每增加1 m，相應(yīng)地表最大沉降量約增加2 mm；過(guò)快降水會(huì)導(dǎo)致基坑周邊地表發(fā)生較大沉降。建議在實(shí)際工程中結(jié)合原位抽水試驗(yàn)，謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)降水深度與降水時(shí)間，對(duì)降水開(kāi)挖深度大的基坑可考慮采取回灌措施緩解基坑周邊地表沉降。