预降水过程中止水帷幕缺陷对基坑变形的影响

江杰,杨杉楠,胡盛斌,钟有信,魏丽

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.南宁轨道交通集团有限责任公司， 广西 南宁 530029)

0 引言

随着地铁工程的快速发展以及地下空间的开发与利用，深基坑的建设向着更大、更深的方向发展，同时对周边环境保护的要求也越来越高[1]。赵敏等[2]对基坑降水对邻近建筑物的影响进行了研究。李学山等[3]采用有限元法对地下水对基坑工程的影响进行了研究，证明了使用流固耦合有限单元法对基坑渗流研究是合理的。落底式止水帷幕的作用是切断基坑内外的水力联系，以减小基坑内降水对周边建筑及环境的影响，而一旦止水帷幕存在渗漏缺陷，则势必会给基坑工程带来安全隐患[4-5]。戴轩等[6-7]利用DEM-CFD方法对基坑开挖过程中出现漏水漏砂灾害的发展过程进行了研究，结果表明对于富水砂层漏水漏砂后基坑外部地表形成沉降槽，地表沉降最大值与地层损失率成正相关。在地下水丰富、水位较高的地区，由于基坑工程的渗漏问题而导致的工程事故时有发生。庞振勇等[8]利用有限元软件ABAQUS对止水帷幕不同缺陷大小、深度下帷幕外渗流场变化规律进行了研究，证明了根据流速变化判别止水帷幕缺陷的可行性。目前声纳流速矢量法已成为工艺成熟、技术先进、定位准确的止水帷幕缺陷渗漏检测新方法，可在基坑开挖前探明止水帷幕缺陷的位置便于预先采取补强堵漏措施[9-11]。但是在进行深基坑止水帷幕声纳渗流检测时，需要在基坑开挖前将坑内水位降至基坑开挖面以下或落底式帷幕插入底部不透水层位置以下处，KHOSRAVI等[12]对基坑工程中降水引起的沉降进行了研究，结果表明因降水引发的地表沉降可达开挖过程中总沉降的30 %。但目前关于止水帷幕存在渗漏情况下预降水引发的地表沉降和地下连续墙侧移尚无系统研究，而止水帷幕存在缺陷且支撑体系还未建立的情况下基坑内进行大降深降水可能会引起周边地表沉降较大的突变，给周围环境的安全稳定带来隐患。因此，对基坑止水帷幕存在缺陷状况下基坑降水引起的坑外地表沉降和地下连续墙侧移研究分析具有重要意义。

针对以上问题，本文拟通过有限元分析软件ABAQUS，采用三维流固耦合数值模型研究止水帷幕存在渗漏缺陷情况下不同缺陷尺寸、降水深度、支撑与否等条件下预降水引起周边地表沉降和地下连续墙侧移的规律。

1 模型验证

1.1 工程概况

广西南宁市地铁5号线广西大学站位于明秀西路与大学东路交叉路口北侧，为地下3层岛式车站，与运营中的1号线采用通道换乘的形式换乘。车站主体结构外包总长度156 m，标准段外包总宽度22.6 m，基坑深度25.5～28.5 m。主体围护结构采用深35 m、厚1 m的地下连续墙加4道内支撑，第1、3道支撑为钢筋混凝土支撑，第2、4道支撑为钢支撑。

本工程基坑开挖深度范围内的土层主要有：①1圆砾填土、①2素填土、②3-2粉质黏土、③1粉土、④1-1粉砂、④2-2中砂、⑤1-1圆砾、⑦1-3泥岩、⑦2-2泥质粉砂岩、⑦2-3泥质粉砂岩。勘察期间初见水位埋深6.00～9.70 m，标高67.97～71.22 m，多赋存在黏性土及粉土中；圆砾层中稳定水位埋深7.80～11.30 m，属承压水，承压水头高0～1.5m(圆砾层顶面开始计算)，水位标高66.31～69.98 m。平均埋深8.83 m。圆砾层上部一般为黏性土、粉土层，透水性弱，局部粉砂层黏粒含量较高或夹薄层粉土，透水性变弱，为相对隔水层；圆砾层下部为古近系半成岩层，以泥岩为主，少部分为粉砂岩，其透水性弱，也为相对隔水层。

1.2 基本假定

本文采用有限元软件ABAQUS进行三维流固耦合分析，模拟过程中做出如下假定：①假定土体材料符合摩尔—库伦本构模型，地下连续墙符合线弹性模型；②假定降水前土体已在自重作用下完成固结，为正常固结土。

1.3 模型建立

① 模型尺寸。

基坑开挖宽度22.6 m，开挖深度h为25.5 m，为消除边界影响墙后土体取至约7h处[13-14]，取175 m。考虑到基坑的对称性，可取沿基坑开挖宽度方向的一半进行计算，故模型长度取186.3 m。模型宽度方向取1倍的混凝土支撑间距9 m，高度取约2倍基坑开挖深度50 m。故模型土体尺寸为186.3 m×9 m×50 m，如图1所示。

图1 基坑降水开挖模型图Fig.1 Dewatering and excavation model of foundation pit

② 边界条件。

模型对称面设置平行于该面法方向的水平位移约束，非对称侧面设置水平和竖直2个方向的位移约束及水位位于地下8.8 m的常水头补给边界，模型底部设置3个方向的位移约束。同时将底面和对称面设置为不透水边界。本模型采用在降水分析步将水位降深对应深度处土体孔隙压力设置为0来实现对降水的模拟。

③ 材料参数。

为使模型计算容易收敛，建模时合并相近土层，将基坑开挖范围内土层概化为5层，土层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

围护结构地下连续墙采用C35混凝土，钢筋混凝土支撑采用C30混凝土，钢支撑采用外径D=609 mm、厚度t=16 mm的圆钢管。支护结构材料参数见表2。

表2 支护结构材料参数Tab.2 Material parameters of supporting structure

土层及支护结构剖面示意图如图2所示。

图2 土层及支护结构剖面图Fig.2 Profile of soil layer and supporting structure

④ 单元选择。

模型中土体采用C3D8P三维八结点线性六面体孔压单元，地下连续墙采用S4四结点壳单元，支撑采用B31两结点空间线性梁单元。土体与地下连续墙之间、水平支撑与地下连续墙之间均采用绑定连结，计算中无相对滑移。

1.4 计算结果

本文对广西大学站降水开挖的模拟计算工况见表3。

表3 广西大学站降水开挖模拟计算工况

基坑预降水及降水开挖模拟结果与监测数据对比如图3所示

由图3可以看出，采用ABAQUS有限元软件对基坑预降水及降水开挖进行流固耦合模拟计算结果与实测数据拟合较好，说明用此方法对基坑降水引起的周边地表沉降及地下连续墙变形进行研究是可行的。

(a) 地表沉降

2 止水帷幕缺陷对预降水引起地表沉降的影响

由于本文的研究内容为深基坑预降水过程中止水帷幕缺陷对周边地表沉降及地下连续墙侧移的影响规律，因此为了消除多种不同土层对计算结果的影响，对上述模型进行了进一步修改。修改后的模型竖向深度取50 m，上部含水层厚度25 m，下部25 m为渗透系数较小的相对不透水层。含水层取上述③1粉土，不透水层取⑦1-3泥岩。基坑开挖宽度取20 m，故土体范围为185 m×9 m×50 m。地下连续墙采用C35混凝土，厚1 m长35 m，插入下部不透水层10 m。水平支撑为间隔9 m的C30钢筋混凝土支撑，截面尺寸800 mm×900 mm。考虑到实际工程中存在预降水过程中无水平支撑的情况[15]，故本文工况设置为预降水前无水平支撑与已完成第一道水平支撑2种。

为了得到止水帷幕存在渗漏缺陷情况下基坑预降水引发的周边地表沉降较帷幕完整状态下的增大量，本文首先对止水帷幕完整状态下基坑预降水进行了模拟，其中降水深度分别取10、15、20、25 m。计算结果如图4所示。

由图4可以看出，坑内降水引发的周边地表沉降曲线形状分为拱肩形和凹形2种。当地下连续墙无水平支撑时，地下连续墙为悬臂式围护结构，此时坑内降水引起的坑外地表沉降曲线图为拱肩形，且坑外最大地表沉降发生在地下连续墙外边缘处；当地下连续墙有水平支撑时，坑内降水引起的坑外地表沉降曲线图为凹形，且坑外最大地表沉降发生在距地下连续墙7.5 m处。这与HSIEH等[16-17]关于基坑开挖引起周边地表沉降形状的研究结果非常相似。同时，坑内水位降水深度相同的情况下水平支撑的存在将会减小地表沉降的最大值，以本模型为例，降水深度分别为10、15、20、25 m时，水平支撑的存在使最大地表沉降值分别减小了16.8 %、32.2 %、34.7 %、35.6 %。

2.1 止水帷幕缺陷尺寸对坑内降水引发周边地表沉降的影响

研究止水帷幕存在不同尺寸大小缺陷的情况下坑内降水对周边地表沉降的影响规律，通过保留地下连续墙缺陷处的土体来实现坑内外的水力联系。实际工程中地下连续墙的渗漏主要出现在地下连续墙接缝处，因此地下连续墙缺陷取为长条形，宽度取因两扇地下连续墙间存在垂直度偏差而产生的平均缝宽0.1 m，厚度同地下连续墙厚度取1 m。设置地下连续墙缺陷的底部埋深10 m，长度分别取0.2、0.5、1.0、2.0 m，同时降水深度均取15 m进行模拟分析，得到止水帷幕不同尺寸下降水引发地表沉降曲线图如图5。

由图5可以看出，随着地下连续墙缺陷尺寸的增大，降水引发的坑外地表沉降也不断增大，且无水平支撑条件下沉降曲线始终为拱肩形，有水平支撑条件下沉降曲线则为凹形。而无论水平支撑存在与否，主要影响区的地表沉降曲线斜率均有随缺陷尺寸增大逐渐减小的趋势，即地表沉降的影响范围随缺陷增大而增大。

(a) 无水平支撑

图6为止水帷幕不同尺寸缺陷状态下相对帷幕完整状态下地表沉降的增量。由图6可以看出有/无水平支撑两种条件下由于地下连续墙缺陷而导致的地表沉降增量曲线均为凹形且最大值均随缺陷尺寸增大而增大。当不存在水平支撑时，地下连续墙缺陷造成的地表沉降增量最大值略大于有水平支撑情况。

(a) 无水平支撑

2.2 止水帷幕存在缺陷条件下降水深度对周边地表沉降的影响

取缺陷尺寸宽0.1 m，长2 m，底部埋深15 m，通过设置坑内降水深度分别为10、15、20、25 m来模拟分析止水帷幕存在缺陷条件下降水深度对地表沉降的影响。

由图7可以看出，地下连续墙存在渗漏缺陷条件下，坑内降水引起的周边地表沉降变化随降水深度增加而增大，且沉降曲线形状与帷幕完整条件下一致：无水平支撑条件下为拱肩形而有水平支撑条件下为凹形。但对比图4可以看出，当地下连续墙无缺陷时，地表沉降主要影响区的沉降曲线斜率更大，随着距基坑距离的增加地表沉降由最大值衰减的速度更快，在距离地下连续墙外侧约30 m位置处存在一明显拐点，拐点以外的次要影响区地表沉降保持在相对较小的水平。当地下连续墙存在缺陷时，周边沉降曲线较平缓，主要影响区的地表沉降随远离基坑而衰减的速度较慢，地表沉降的影响范围较无缺陷条件下更大。

(a) 无水平支撑

(a) 无水平支撑

由图8可以看出，随着降水深度的增加，因地下连续墙存在缺陷而导致的周边地表沉降增量不断增大，且无论是否有水平支撑，沉降增量曲线的形状均为凹形。故在实际工程中可以通过逐次分层降水以减小单次水位降深，来减小潜在地下连续墙缺陷对周边地表沉降的影响。对比图8(a)、(b)可以看出，虽然在相同降水深度条件下地下连续墙缺陷引起的地表沉降增量最大值差距很小，但两者峰值的位置却有明显区别。无水平支撑条件下，地下连续墙缺陷引起的地表沉降增量最大值位置距离基坑边缘较近，且随着降水深度的增加逐渐向远离基坑方向移动。这意味着无水平支撑且降水深度较小时，地下连续墙缺陷引起的地表沉降增大影响范围也较小。有水平支撑条件下，地下连续墙缺陷引起的地表沉降增量最大值位置不随降水深度变化而变化，且距离基坑边缘较远，与无支撑条件下降水深度为25 m时(降至上部含水层底部)一致。

(a) 无水平支撑

3 地下连续墙变形计算结果及分析

3.1 止水帷幕无渗漏条件下基坑预降水引发地下连续墙侧移

本节首先对地下连续墙无渗漏缺陷条件下基坑预降水引起地下连续墙侧移进行了模拟，计算结果如图9所示。由图9可以看出，基坑预降水引发的地下连续墙侧移根据是否完成第1道水平支撑分为2种：无水平支撑条件下地下连续墙产生悬臂式侧移，最大水平位移较大且发生在墙顶；有水平支撑条件下由于水平支撑的存在限制了地下连续墙顶部的侧移，使地下连续墙产生两端小中间大的鼓形位移，最大位移发生在深14 m处，且较无支撑情况下降水10、15、20、25 m分别减小了27.1 %、28.9 %、30.8 %、32.5 %。图10为基坑预降水产生的地下连续墙弯矩，其中正弯矩表示基坑内侧受拉。由图10可以看出，地下连续墙弯矩的反弯点位于上下两层土的交界面处。无水平支撑条件下地下连续墙正弯矩区弯矩幅值较小，最大弯矩位于负弯矩区深28 m处；有水平支撑条件下地下连续墙弯矩最大值位于正弯矩区深7 m处，且对应降水10、15、20、25 m的最大弯矩较无水平支撑条件下分别增大114 %、118 %、120 %、125 %。

(a) 无水平支撑

(a) 无水平支撑

3.2 止水帷幕有渗漏条件下基坑预降水引发地下连续墙侧移

图11为止水帷幕存在渗漏缺陷条件下基坑预降水引起的地下连续墙侧移，其中降水深度设置为15 m，止水帷幕缺陷位置设置在地下深15 m处，缺陷尺寸宽度取0.1 m，长度分别取0.5、1.0、2.0 m。由图11可以看出止水帷幕渗漏缺陷并不会改变地下连续墙侧移形式，且随着渗漏缺陷尺寸增大地下连续墙位移逐渐减小。这是由于地下连续墙外侧墙土界面处总压力减小(即水平有效应力σx′的增大小于孔隙水压力pw的减小)造成的。因此止水帷幕存在渗漏缺陷条件下基坑预降水引起的地下连续墙侧移稍小于无渗漏缺陷条件下地下连续墙侧移。

(a) 无水平支撑

4 结论

① 止水帷幕无渗漏缺陷条件下基坑预降水引起的周边地表沉降曲线形态分为拱肩形和凹形，其中降水前无水平支撑情况下为拱肩形，已完成第1道水平支撑情况下为凹形。且有水平支撑条件下降水引起的坑外地表沉降最大值小于无支撑状况。地下连续墙存在渗漏缺陷会导致降水引起的地表沉降增大，但不会改变地表沉降曲线的形式。

② 止水帷幕存在渗漏缺陷的情况下随着地下连续墙渗漏缺陷尺寸的增大和降水深度的增加，降水引起的周边地表沉降也随之增大。同时随着降水深度的增加，因地下连续墙存在缺陷而导致的周边地表沉降增量不断增大。故在满足工程需要的基础上应尽可能减少预降水阶段的坑内水位降深。

③ 止水帷幕无渗漏缺陷条件下基坑预降水引起的地下连续墙侧移根据有无水平支撑分为悬臂式和鼓形，无水平支撑条件下地下连续墙最大侧移发生在墙顶位置，有水平支撑条件下地下连续墙最大侧移位置在地下连续墙中部且小于无支撑状况。

④ 止水帷幕存在渗漏缺陷情况下基坑预降水引起的地下连续墙侧移稍小于无渗漏情况，这是因为止水帷幕渗漏缺陷的存在会引起坑外地下水位降低，使得基坑外部孔隙水压力降低，而地下连续墙外侧墙土界面处水平有效应力的增大小于孔隙水压力的减小，从而导致墙土界面处总压力减小，故地下连续墙侧移减小。

⑤ 由于本文所做的研究建立在广西南宁市地铁5号线广西大学站基坑工程基础之上，止水帷幕类型为落底式止水帷幕，故本文得到的止水帷幕存在渗漏缺陷条件下降水引发的基坑变形规律并不适用于采用悬挂式止水帷幕的基坑工程。针对悬挂式止水帷幕渗漏缺陷对基坑预降水过程的影响需要进行另外研究。