基坑开挖降水对周边环境的应力-渗流耦合效应分析

姚 栋

（中铁上海设计院集团有限公司 天津分院，天津 300071）

随着城市轨道交通事业的快速发展，地铁基坑深度不断增加，由于地铁站位一般设置在城市商业、居住等重点区域，周边建筑林立，加之地下管线排布错综复杂，所以地铁基坑开挖对周边环境的影响尤为敏感。基坑开挖及降水过程中控制好周边地表、建筑及地下管线变形成为研究重点。目前开展的研究一般仅针对单个基坑进行，通过有限元模拟基坑开挖降水，对基坑周边的建筑物或地下管线安全性开展评价，探讨不同围护结构参数或地层物理力学参数对地层固结的影响[1～5]。但对基坑仅进行开挖与降水+开挖两种不同工况下的对比分析较少且对于不同地质条件下的两处基坑在开挖降水过程中的应力-渗流耦合效应的对比分析尤为少见。本文对同一地区开挖深度范围内地层差别较大且地下水位深浅不一的两处基坑工程进行对比分析，选择更加安全、经济、合理的基坑围护结构形式及地下水处理方案。

1 基坑开挖降水方案

1.1 工程概况

A、B 两座地铁车站。A 站基坑标准段宽22.6 m、开挖深度为20 m，邻近基坑处有1 栋6 层居民楼且基坑两侧地下存在3根DN300 mm自来水管；B站基坑标准段宽21.9 m、开挖深度约为21 m，开挖影响范围内无地面建筑物，基坑北侧地下存在1 根DN500 mm 污水管、1 根DN500 mm 雨水管及1 根DN400 mm 自来水管，南侧地下存在1 根DN900 mm 雨水管、1 根DN800 mm自来水管及1根DN400 mm污水管。

两车站地下水均为孔隙潜水，无承压水。其中A站含水层主要为碎石，地下潜水埋深约为15.3 m；B 站含水层主要为黏质粉土、粉质黏土及角砾，地下潜水埋深约为7.4 m。见表1和表2。

表1 A站基坑范围内主要地层土性参数

表2 B站基坑开挖范围内主要地层土性参数

1.2 地下水处理措施

目前基坑设计中常用的地下水处理措施有两种：一是基坑周边设置止水帷幕，形成围闭空间，隔绝（截断式止水帷幕）或削弱（悬挂式止水帷幕）坑内外的水力联系，同时在坑内设置降水井抽水，降低坑内水位；二是坑外设置降水井进行区域性降水[6]。第一种优点是对地下水及周边环境扰动相对较小，可更有效节约和保护地下水资源；缺点是需另行设置或与围护结构结合设置止水帷幕，增加工期及投资；第二种刚好相反。为节省工期并降低投资，对2 座车站基坑外降水的可行性进行分析。

2 基坑开挖降水应力-渗流耦合分析

2.1 有限元模型建立

采用Midas GTS NX 软件进行建模。人工侧向边界及底边界取至3～5 倍基坑开挖深度；土体本构模型采用模拟土体卸载特性较好的修正摩尔-库伦模型，平面应变单元；围护桩、钢筋混凝土支撑、钢支撑、建筑物及管线采用弹性模型中的结构模型；建筑物采用平面应变单元模拟；其余单元采用梁单元进行模拟。

两基坑围护结构均采用直径1 m、间距1.5 m 钻孔灌注桩，基坑自上而下设置1根0.8 m×1 m混凝土支撑及3 道φ800 mm、壁厚16 mm 钢支撑。采用渗流边界中的节点水头模拟总水位及降水井，降水井设置在围护桩外侧2 m 位置，伸入坑底面以下6 m。模型两侧边界及底边界均采用位移约束条件。见图1。

图1 基坑二维数值模型

2.2 施工条件及各建构筑物变形控制值确定

第一阶段激活各土层、管线、建筑物及总水位，进行初始渗流场分析；第二阶段激活整体边界及自重作用，进行初始应力场分析，位移清零；第三阶段模拟施作围护桩，之后各阶段依次开挖土层至各道支撑下1 m 并施作对应支撑且需在开挖至地下水位地层的工况之前添加降水井启动工况，激活降水井，对降水过程进行瞬态模拟，将地下水位降至坑底以下，最终开挖至坑底。另外定义了一组施工，除第一阶段不再进行初始渗流场分析及取消降水施工阶段外，其余工况与前一施工各工况一致。各建构筑物的变形控制值见表3。

表3 各建筑物变形控制值

2.3 计算结果分析

对两种工况进行分析，最终得到基坑开挖施工和基坑降水+开挖施工两种变形结果。模型水平向变形较小，不作为地表及周边建（构）筑物变形控制项；变形较大的竖向结果见图2和图3。

图2 A站竖向位移

图3 B站竖向位移

两基坑在不同施工过程中建筑物及管线变形结果见表4和表5。

表4 A站在不同施工阶段下建筑物及管线变形

表5 B站在不同施工阶段下管线变形对比

从表4 和表5 可以看出：坑外降水对A 站基坑地表建筑、地下管线变形影响有限，可满足变形控制要求；但对B 站基坑周边管线变形影响较大，基坑开挖及坑外降水的耦合效应导致基坑周边地表及管线沉降远超控制值，可能发生地下管线破裂、接口脱开等风险，故不应采用坑外降水方案。

B站基坑地下水位较高，坑外降水风险较大，考虑采用止水方案处理地下水。同样建立二维有限元模型，在围护桩处增设不透水的界面单元用来模拟止水帷幕，在坑内设置2 排降水井，伸入坑底面以下6 m。见图4。

图4 B站基坑止水+坑内降水方案

B 站基坑在止水+坑内降水施工过程中管线变形结果见表6。

表6 B站止水+坑内降水方案管线变形mm

止水方案对B 站基坑周边管线沉降影响有限，采用止水+坑内降水方案可满足地下管线变形控制要求，故B站采用止水+坑内降水方案处理地下水。

3 沉降监测对比分析

两处基坑均已开始施工，其中A 站采用坑外降水方案，而B 站采用止水+坑内降水方案。施工期间，对基坑周边地表、建筑物及管线沉降、地下水位等进行了全程监测。见表7和表8。

表7 A站沉降数据mm

表8 B站沉降数据mm

有限元模拟计算的地下管线等线性结构的变形结果虽略大于现场监测结果，但总体误差处于可接受范围；而建筑物实际发生的沉降量远小于有限元计算结果，说明二维有限元模型由于无法考虑建筑物等空间结构的整体稳定性影响，与实际变形偏差较大，建议在处理该种问题时，采用三维模型进行模拟计算。

4 结论

1）通过有限元软件对基坑开挖降水过程进行应力-渗流单向耦合分析，可以有效预测基坑在降水及开挖过程中地表及地下管线的变形量，对设计及施工具有指导意义。在开展基坑工程设计工作之前，应对基坑开挖对周边地下管线的影响进行分析评估，结合分析结果选择安全、经济、有效的围护结构。

2）基坑降水引起的渗流问题对基坑周边环境有一定影响，若含水层为承载力较差的粉土或黏性土且地下水位较高时，即使基坑周边环境比较简单，也应慎重选择坑外降水方案，降水引起的渗流问题将导致地面及基坑周边建构筑物产生较大变形，容易对基坑产生次生风险。相反，若含水层为承载力较强的碎石、卵石等地层时，由于地层骨架效应较好，降水引起的地层变形有限，可优先考虑坑外降水方案，降低工程投资的同时亦可提高施工效率。

3）若对邻近基坑的地面建筑等空间结构开展安全预评估，由于二维有限元模型无法考虑建筑物等空间结构的整体稳定性影响，易导致计算结果失真，建议采用三维有限元模型进行模拟分析。