富水软土地区不同降水开挖工况下深基坑变形研究*

李曙光，吴应明，王洪坤

(中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

0 引言

近年来，地铁车站向着深、长、大的方向发展，深基坑工程在城市轨道交通建设中更加普遍[1-3]。而在我国南方富水软土地区进行深基坑作业前，为营造一个干燥的施工环境，现场常采取基坑降水的方式控制地下水的影响。富水软土地区地铁车站基坑降水及开挖共同作用下引起的基坑及周围土层的变形规律和影响因素成为城市轨道交通建设的关键。

目前，对于深基坑降水开挖渗流的研究已取得了较多成果。Helm等[4]发现地下水渗流运动会导致土体中应力的变化，进而引起基坑周围地表沉降。纪佑军等[5]通过对基坑工程中渗流场、应力场耦合作用下的地下水渗流有限元模拟计算，研究了基坑降水过程中地下水运动情况，得到基坑开挖时周边土体变形规律和几种在开挖过程中可能出现的破坏形式。霍润科等[6]借助现场监测数据，运用PLAXIS有限元软件，分析得出深基坑开挖进程中土体和支护结构的变形规律。周勇、陈永才等[7-8]研究了基坑开挖降水进程中周边地下管道的位移，借助ADINA有限元软件建立三维模型，通过有限元分析和现场监测数据，得到了地下管道的变形规律。张刚等[9]通过对上海某基坑工程降水引起的地表沉降进行现场试验研究，通过现场监测数据分析得到地下水渗流和地表沉降规律，运用数值模拟方法，计算基坑降水过程中地面沉降情况及沉降影响范围。

在分析以往案例经验和科研成果的基础上，本文以苏州市轨道交通S1线帆路站深基坑施工项目为例，通过有限元分析软件MIDAS GTS/NX数值模拟，考虑了一次降水和分步降水两种开挖工况，重点分析基坑降水开挖过程中地下连续墙变形、基坑周围地表沉降、支撑轴力的变化规律，为工程的顺利施工提供指导。

1 工程概况

苏州市轨道交通S1线，呈东西走向，全长41.27km。全线共设28座车站，全部为地下车站，线路西起苏州工业园区阳澄湖半岛南侧的唯亭站，东至昆山花桥镇的花桥站，途经苏州工业园区、沪宁城际铁路阳澄湖站、昆山主城区、沪宁城际铁路花桥站、昆山花桥镇。S1线平均站间距1.502km，最大站间距4.215km，为阳澄湖南站—渔家灯火站，最小站间距0.923km，为祖冲之路站—文化艺术中心站。

S1线帆路站基坑主体长度503m，建筑面积27 616.2m2，因车站基坑体量较大，如对整个基坑工程进行数值模拟过于复杂，也不利于分析研究，故选取具有代表性的5号基坑～轴标准段进行三维数值建模分析。此处基坑深度17.86m，采用地下连续墙加内支撑的围护方案，共有5层内支撑，第1层内支撑为混凝土支撑，其余为钢支撑，基坑支撑剖面如图1所示。

图1 基坑支护结构剖面

该基坑属于萧绍冲海相沉积平原地貌单元，地表水发育，主要为梅山江支流和鹅池溇，水面高程约3.000m，水深1.5～2.0m；地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙潜水、孔隙承压水；基坑开挖范围地层土体复杂，简化后的土体材料参数如表1所示。

表1 建模土层物理参数

2 不同工况基坑降水数值模拟

2.1 数值模型建立

为有效表达基坑降水开挖过程中坑外地表沉降和围护结构的变形规律，且不影响计算结果的前提下，对数值模型进行简化，具体假定如下。

1)在基坑降水开挖过程中，地下水符合达西定律，且各层土x，y，z方向的渗透系数是定值，不随时间和空间改变。

2)根据施工现场工况，模拟降水工况不考虑降水井的位置和降水速率，采用水头边界条件模拟降水。

3)基坑降水开挖过程中不考虑动荷载对土体性质的影响，初始应力场分析只考虑自重。

数值模拟中考虑水头边界条件，MIDAS GTS/NX软件通过节点水头定义地下水水位，通过设置节点水头位置，随着基坑开挖进程即时激活和钝化节点水头，实现模拟基坑降水的目的。实际基坑尺寸为30m(长)×22.7m(宽)×17.86m(深)，根据基坑影响分区(见表2)，最终确定数值模型的几何尺寸为163m(长)×30m(宽)×67m(高)。表2中，H为基坑设计深度(m)，φ为土体内摩擦角(°)；表中0.7H或H·tan(45°-φ/2)取较大值。土体及基坑的几何模型如图2所示。

表2 基坑工程影响分区

2.2 两种不同降水工况

2.2.1一次性降水工况

一次降水工况采用修正-本构模型，在渗流应力耦合状态下进行计算。基坑在开挖之前进行预降水，将基坑内地下水的水位一次性降到底板以下1m的位置，然后再依次开挖。计算模型共划分成19 199个节点，24 257个单元，基坑模型网格划分如图3所示。

图3 一次性降水工况模型网格划分

2.2.2分步降水工况

与一次降水工况相同，分步降水数值模型中同样采用修正莫尔-库伦本构模型，在渗流应力耦合条件下进行计算，相应的材料参数、材料属性不改变，修改水头边界条件，进行6次降水、6次开挖。6次降水的深度分别为-2，-6，-9.6，-12.76，-15.76，-18.86m，6次开挖深度分别为-1，-4，-8.6，-11.76，-14.76，-17.86m。分步降水开挖节点水头边界条件模型如图4所示。

图4 分步降水开挖水头边界模型

3 有限元计算结果对比分析

3.1 一次性降水对围护墙体变形影响分析

基坑一共有5道内支撑，包括1道钢筋混凝土支撑和4道钢支撑，内支撑轴力随着基坑开挖的进程在不断的变化波动并逐渐趋于稳定，而数值模拟基坑开挖时内支撑是一次性激活受力，消除了现场施工中内支撑施工的时空效应，数值模拟中只能得到每次开挖工况下所对应内支撑的支撑轴力，通过单元结果提取功能，提取各开挖工况下5道内支撑轴力，绘制成变化曲线如图5所示。

图5 内支撑轴力变化曲线

由图5可知：第1道混凝土支撑安装完成时支撑轴力是580kN，随着基坑开挖的进程，到第2道钢支撑安装完成前，第1道混凝土支撑轴力迅速增大到2 785kN，而在第2道钢支撑安装完成之后混凝土轴力减小至1 145kN，这是由于在第2道钢支撑安装之前第1道混凝土支撑为主要受力结构，当第2道钢支撑安装之后，分担了混凝土支撑承受的侧向水土压力，所以混凝土轴力减小，后续的开挖中规律相同。

而混凝土支撑在第2道钢支撑施工完成后就开始减小，到开挖工况4时减小成负值，可能由于随着基坑的开挖，地下连续墙的变形增大使得墙体顶部受到拉力所致。其余4道钢支撑轴力在增大到一定值后就趋于稳定，第2～5道钢支撑轴力最大值为1 204，1 276，843，975kN，5道支撑在开挖期间均未超过轴力设计控制值，但现场施工中仍要密切关注混凝土支撑内力变化所带来的影响。

3.2 不同降水工况围护墙体变形分析

两种工况开挖至-1m和-17.86m时地下连续墙变形位移曲线如图6所示。

图6 两种工况地下连续墙水平位移

由图6可知：一次性降水开挖工况的墙体位移最大值为44.63mm，分步降水开挖工况的墙体位移最大值为38.81mm，减小5.82mm，约降低13.04%，说明在基坑降水方案中，分步降水开挖对基坑围护结构变形影响相对较小。

一次性降水开挖工况下第1次开挖后的地下连续墙位移最大值是11.99mm，约占最终开挖完成后最大位移值的26.86%，开挖完成后的最大值是44.63mm；分步降水开挖工况下第1次开挖后的地下连续墙位移最大值是7.84mm，约占最终开挖完成后最大位移值的20.2%，开挖完成后的最大值是38.81mm。说明一次性降水及分步降水对基坑开挖后围护结构变形均有很大的影响，因此在现场施工中应引起重视，条件允许的情况下尽可能采用分步降水开挖方案。

3.3 不同降水工况对地表沉降影响分析

两种工况开挖至-1m和-17.86m时周围地表沉降曲线如图7所示。

图7 两种工况周围地表沉降曲线

从图7可以得出，分步降水开挖工况下模拟值均小于一次性降水开挖工况下的地表沉降值，地表最大沉降点出现在距基坑边缘5～15m。一次性降水开挖工况地表沉降最大值为33.45mm，分步降水开挖工况地表沉降最大值为28.04mm，减小5.41mm，约降低16.2%。

一次性降水开挖工况中第1次开挖后的地表变形最大值是11.52mm，约占最终开挖完成后最大位移变形值的34.5%，开挖完成后的最大值是33.45mm；分步降水开挖工况中第1次开挖后的地表变形最大值是8.84mm，约占最终开挖完成后最大位移变形值的31.5%，开挖完成后的最大值为28.04mm。

总体而言，降水开挖对基坑周围地表沉降影响同地下连续墙变形类似，一次性降水开挖工况下对基坑变形的影响要远大于分步降水开挖工况。因此，在现场施工中应重视降水方案设置的合理性，加强在降水过程中对基坑的监测工作，且在条件允许的情况下尽量采用分步降水开挖方案，减小降水对基坑的影响，保证现场施工安全。

4 现场监测

4.1 地下连续墙位移分析

车站共设置了51个地下连续墙深层水平位移的测斜监测点(ZQT)和34个土体深层水平位移的测斜监测点(TST)，选取墙体西侧测点ZQT19，TST11，提取各监测点的实测数据，绘制监测孔不同深度位置的地下连续墙和土体深层位移随基坑开挖深度的变化关系曲线，如图8所示。

图8 ZQT19墙体水平位移曲线(左)和TST11土体水平位移曲线(右)

通过图8可以看出，地下连续墙体水平位移呈“勺”形曲线，墙体水平位移沿着墙体深度方向先增大，达到峰值点后逐渐减小最后趋于稳定。随着基坑开挖深度的增加，墙体水平位移最大值不断增加，同时向下移动，ZQT19处开挖的位移最大值为8.87，17.91，31.88，42.59，47.28，53.13mm，土体深层累计水平位移最大值57.03mm，超过了红色预警值，土体最大水平位移的位置和墙体一致，并且在不同开挖工况下土体深层水平位移均大于地下连续墙的位移，原因可能是土体性质较软，易压缩，在地下水位下降并且基坑开挖的情况下，土体中应力重新分布，挤压土体使得土体向基坑一侧移动，引起土体深处水平位移增大。

4.2 周围地表沉降分析

车站共设置了226个地表竖向位移监测点，监测点数量比较多，现选取墙体东侧测点DBC31，提取各监测点的实测数据进行分析。为了全面反映地表竖向位移的变化规律，5个测点位置不等距，且距基坑边缘由近及远分别为2，5，15，30，50m。整理所选监测点的数据，可得到每个监测点处地表累计沉降值随基坑降水开挖工况的变化关系和基坑不同开挖时期不同位置监测点处地表累计沉降值与距基坑边缘距离的关系，如图9所示。

由地表沉降变化曲线可得监测点沿着远离基坑方向沉降值先迅速增加后减小最后趋于稳定，距基坑边缘较近和较远处土体累计沉降值小，距基坑5～15m的范围内土体累计沉降值最大，说明不同开挖深度下土体最大沉降值不在墙体的边缘处，而是在距墙体有一定距离的位置。由地表沉降时程曲线可得，在基坑开挖初期，地表沉降量较小，变形主要在基坑边缘处，随着基坑开挖深度的增加，地表累计沉降值逐渐增加，地表沉降量最大值出现在距离基坑边缘5m处，最大累计沉降值为28.01mm，满足规范设计要求的不超过0.2%H(35.72mm)。

4.3 支撑轴力分析

车站共设置了32组轴力监测点，选取监测点ZCL24，ZCL24-1是第1道混凝土支撑轴力监测点，ZCL24-(2～5)是第2～5道钢支撑轴力监测点，提取监测数据进行分析，支撑轴力时程曲线和地下连续墙顶水平位移时程曲线如图10所示。

图10 ZCL24支撑轴力时程曲线和地下连续墙顶水平位移时程曲线

由图10可知：在基坑开挖初期，第1道混凝土支撑轴力较小，随着基坑开挖的进行，轴力迅速增大，当开挖至第2道钢支撑位置时，轴力达到峰值3 441.4kN，随着第2道钢支撑的架设，混凝土支撑轴力逐渐减小，随着基坑继续开挖和钢支撑架设，第1道混凝土支撑轴力持续减小，开挖至距基坑底部4～5m左右时，混凝土支撑轴力变为负值，最小值为-1 188kN，且逐渐稳定在300～600kN范围内。验证了深基坑支护第1道支撑用混凝土材料而不用钢支撑，防止钢支撑由于受到拉力节点破坏而掉落，从而发生事故。其余4道钢支撑轴力随着基坑开挖深度的增加呈现出先增大后趋于稳定的规律，第2～5道钢支撑的最大支撑轴力分别是1 551，2 062，776，1 130kN，均在控制范围内。

5 结语

1)地下连续墙的变形随深度增加逐渐增大，后逐渐减小直至趋于稳定，变形呈中间大、两头小的“勺”形曲线。随着基坑开挖，墙体最大水平位移值不断增大，最大位移由墙体中上部向中下部移动，每一开挖工况下的最大位移均在开挖面附近。

2)基坑周围地表沉降分布形态符合沉降槽曲线，基坑降水开挖影响范围符合设计要求。随着基坑降水开挖的进程地表沉降最大值在各开挖工况下逐渐增大，仅在小范围波动，沉降值均在基坑设计控制范围内。

3)分步降水开挖工况下地下连续墙水平位移最大值下降13.04%，周围地表沉降最大值下降16.2%，均较一次性降水小。表明分步降水开挖对基坑变形的影响较小，在现场施工中尽量采用分步降水开挖方案。

4)通过对施工现场地下连续墙变形、基坑周围地表沉降、支撑轴力的监测数据进行分析，地下连续墙深层水平位移最大值为53.13mm，基坑周围地表沉降最大值为38.39mm，第1～5道内支撑轴力最大值分别为3 441.4，1 551，2 062，776，1 130kN，其变化规律同数值模拟结果具有较好的吻合度，验证了数值模拟的准确性。