悬挂式止水帷幕在基坑开挖降水中的应用

施 刚 邵晨晨 管 飞

(1.上海市地矿工程勘察院，上海 200072； 2.上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

基坑工程施工中多采用地连墙或三轴搅拌桩墙隔断含水层。随着基坑开挖深度的增大，隔断式止水帷幕经济性下降，施工难度增加，悬挂式止水帷幕方案为许多项目所采用，但这又导致坑内外水力连通，引起坑外地面或建筑物沉降。

本文以一实际工程为例，采用三维有限元模拟，结合实测数据，研究悬挂式止水帷幕对周边环境的影响。

1 项目概况

1.1 工程简介

本工程主要建筑物为1幢2层～14层、2幢6层、4幢4层办公楼，并有整体2层地下室。场地位于上海市普陀区真北路，属滨海地貌。场地内无明暗浜分布，地形较为平坦，地面标高在3.26 m～4.38 m。东侧真北路高架距地下室边线最近约30 m；西侧、北侧居民房距地下室边线约12 m～20 m；南侧居民房距地下室边线约23 m，基坑开挖深度为10.3 m。

1.2 地层条件

表1为基坑区域的典型土层分布和基本物理力学参数。

表1 典型土层分布

1.3 水文地质条件

1)潜水。

场地内地下水位埋深高水位可按埋深0.50 m考虑，低水位可按埋深1.50 m考虑。

2)承压水。

根据勘察报告，本场地第⑤2-1，⑤2-2层为微承压含水层，第⑦层及第⑨层为承压含水层。对本工程有影响的承压水赋存于第⑤2-1，⑤2-2层与第⑦层。

上海地区承压水水头埋深在3.00 m～11.00 m之间。基坑普遍区域存在承压水引起基坑突涌的可能性，需要降承压水。

1.4 基坑围护和降水方案

本工程基坑面积18 018 m2，周长661 m，普遍开挖深度约为10.3 m，属于深大基坑。

拟采用板式支护体系，钻孔灌注桩排桩挡土+三轴水泥土搅拌桩止水，排桩插入深度为11 m，止水帷幕插入基坑底部以下18 m，插入微承压含水层以下约12 m。

设两道钢筋混凝土水平支撑，标高为-1.2 m和-6.2 m。

基坑西北侧基坑和采用天然地基的居民楼之间采用一排钻孔灌注桩作隔离桩。

坑内采用真空深井降水(潜水和微承压含水)，坑外局部设回灌井对微承压水层进行回灌。

基坑开挖方案采用“整体围护、分块开挖”。

如图1所示为基坑围护典型剖面图。

2 数值模拟

2.1 计算模型

本文采用真三维岩土工程有限元软件ZSoil.PC v2014进行计算，计算模型如图2a)所示，精确模拟了基坑和周边建筑物的形状、大小、高度、位置，以更好评价基坑开挖降水过程中对周边环境的影响。

图2b)着重展示了围护结构，包含钻孔灌注桩、止水帷幕、支撑、栈桥等，尺寸、插入深度、位置均与设计施工一致。

房屋采用实体单元模拟。基坑周边的房屋多为5层、6层砖混结构，由于砖混结构的裂缝会影响到房屋的刚度，对模量进行一定的折减，取3 GPa。此外，有两栋12层框架结构和一栋25层框架剪力墙结构，由于整体刚度较大，取模量分别为15 GPa和20 GPa。12层和25层建筑采用桩基础，其中，12层住宅采用PHC400管桩，桩间距2 m，25层建筑采用PHC600管桩，桩间距2.4 m。

本计算中对降水井进行了精确模拟，模拟了不透水花管、透水花管(滤管)、滤料。降水井节点与周边土体单元利用节点连接技术进行连接，保证位移、水头一致。

2.2 本构模型与参数

本文采用小应变硬化土模型，可以较为全面地反映土的力学性质，如刚度随应变折减、刚度随应力状态和应力历史变化等。此外，还可以考虑土在小应变范围内的刚度变化特征。

计算中滤料、透水花管、不透水钢管、混凝土均采用线弹性模型。三轴搅拌桩土采用库仑模型。需要注意的是，透水花管(井管)是有开口的，因此渗透系数设为500 m/d，认为其渗透系数相对其他结构无限大。而不透水钢管设为不透水，与实际中一致。

3 结果分析

3.1 地表沉降

整个场地的最大沉降为3 cm，出现在建筑物处。这是因为建筑物自身带有荷载，使得此处土体初始应变较大，模量因此更小。此外，基坑内部最大隆起量为8.3 cm。

3.2 坑内外水头变化

图3为基坑内部不同深度点的水位变化图，各点距离基坑边的水平距离约为60 m，各点的水位逐渐下降。随着深度的增加，水位下降的幅度减小。值得注意的是，距离坑底22.6 m的点水位降深也超过6 m，这是由于承压含水层的渗透系数较大，导致深层土体的水头降深较大。

图4为基坑外不同深度点的水头变化曲线，各点距离基坑边线水平距离为20 m。与坑内水头变化趋势不同的是，坑外水头降深随着深度增加而增加。这是由于水需要绕过止水帷幕向坑内补给。从图4中可以看出，虽然距离基坑已经有20 m(2倍开挖深度)，各点的水头降深仍然接近3 m。水头的降低导致土体的固结，由此引起了远离基坑处的地表沉降。

3.3 周边建筑物沉降

建筑物A2沉降测点计算和实测位移对比显示，随着基坑的不断开挖，计算与实测沉降趋势一致，数值较为吻合，数值模拟的模型和参数取值较为合理，A2最大沉降为32 mm(如图5所示)。

从其他沉降监测数据可以看出，距离基坑越远的建筑，沉降越小。具有桩基础的建筑沉降仅有2 mm～4 mm，其他天然地基的建筑物沉降普遍大于10 mm，距离基坑近的建筑物沉降甚至达到32 mm。

4 结语

本文结合一个悬挂式止水帷幕的应用案例，通过有限元分析的方法，评估了基坑开挖、降水对周边环境的影响。

1)基坑开挖引起的最大地表沉降为30 mm，出现在建筑物周边，这是由于建筑物的荷载导致土体在基坑开挖前的初始应变较大，因此模量更小。这说明，在基坑开挖中，应注意周边建筑物荷载对土的影响，数值模拟中要对此进行考虑。

2)数值模拟显示，坑内水位最大降深约10 m，坑外最大降深约4 m，悬挂式止水帷幕对保持坑外水头有一定的作用。但是，距离基坑20 m处的承压含水层水头降深也接近3 m，导致土体固结沉降。因此，采用未隔断承压含水层的悬挂式止水帷幕进行基坑降水对周围环境仍有一定的影响。本次基坑降水方案中设置了回灌井，在坑外水位降深过大时，进行回灌以保护周边环境，可以借鉴。

3)采用桩基础的建筑物抵抗变形的能力较大，基坑开挖和降水对周边天然地基建筑物的影响大于桩基础建筑。