富水区深基坑降水对临近建筑物的影响分析

宋红红

(中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215151)

随着沿海地区城市地下隧道建设及高层建筑的建设，富水区深基坑的开挖日渐增多。由于城市规划用地紧张，往往需要在邻近建筑物周边进行施工，这就对施工提出了很高的要求。特别是在高地下水位的软土地区，在深基坑开挖时必须进行排水疏干，甚至需要对地下承压水层进行减压排水以防止基坑突涌等事故的发生。但与此同时，地下水位的降低使土中有效应力增加，土体的固结沉降会引起周围地表固结沉降，造成邻近建筑的不均匀沉降乃致产生倾斜与开裂，附近地下管线及既有隧道也会产生变形乃致影响结构安全。由此，对富水区深基坑降水支护开挖全过程的流固耦合分析不仅能够展现施工全过程对周边环境的影响，也能揭示地下水渗流场随时间的变化情况，能够让工程人员全面地预测工程中可能出现的问题并事先提出相应对策。

目前，国内外学者针对深基坑开挖对邻近建筑物的影响较多，但对于高地下水位的软土地区降水开挖流固耦合分析还很少。冯怀平[1]等依托地铁车站深基坑工程分析了地下连续墙变形和周围地面沉降随时间的变化规律，与实测数据对比证明考虑流固耦合更符合实际情况。樊祜传[2]基于分层总和法提出结合地层应力历史估算基坑降水引起建筑沉降的方法。目前研究[3-5]较少涉及富水区软土基坑施工对极近建筑的影响(最小距离小于基坑深度)。本文以具体工程为研究对象，利用ABAQUS数值模拟软件进行流固耦合分析，研究周围环境随施工变化情况，并和监测结果进行对比，用于提出建议并调整施工方案。

1 工程概述

1.1 工程概况

苏州国际快速物流通道二期工程——春申湖路快速化改造工程施工5标主线全长4.47 km，道路以隧道形式向东沿林家港河布线，在湖滨路东进入阳澄西湖，并在园区黄金水岸广场登陆接地。隧道整体采用围堰明挖法，其中入湖段将原林家港河进行疏干改道，明挖基坑施工建立在旧河道地层之上。入湖段长约1 380 m，基坑宽度32～40 m，深度18.75～24.63 m，属于大断面、大跨度的叠加城市地下明挖隧道工程。局部工程鸟瞰图见图1。入湖段从相城区教育组团间穿过，周边建筑物主要有苏州大学宿舍楼、相城中专宿舍楼、保险干校宿舍楼，周边管道有雨水管道及自来水管道等。其中保险干校宿舍楼为二层砖混结构浅基础建筑，离基坑最小距离为10 m，为紧邻基坑建筑，对基坑施工十分敏感。具体位置关系见图2。

图1 湖区段工程实况

图2 基坑及建筑位置关系

1.2 水文地质条件

本工程场地原为林家港河河道，作为施工场地具有工程性能差、地下水位高的特点。根据勘察成果，沿线场地地表下70.3 m深度范围内地基土构成除填土外，其余为第四系滨海、第四系河泛、河床相沉积物，一般由粘性土、粉(砂)土组成，土层分布见图3。

图3 围护结构剖面图(单位：m)

工程所在场地地下水分为松散浅层孔隙潜水和松散岩类孔隙(微)承压水。基坑东侧直接接入阳澄西湖，潜水层接受湖区补给，水位较高且变化较大。勘察期间测得的标高 0.48～2.09 m，变化幅度为 1～2 m。微承压水主要赋存于 ③-3、④-2粉土、粉砂层中，微承压水头标高在 1.23～1.34 m。承压水主要赋存于⑥-3、⑦-2层粉土、粉砂层中。据区域水文地质资料，⑦-2层承压水标高在-2.0 m 左右，水位变化一般在1 m 左右。

1.3 支护及降水方案

为研究施工对邻近建筑物影响，选取距离基坑最近建筑，即保险干校宿舍楼进行研究。此断面基坑宽度38.6 m，底部深20 m，围护结构型式采用地下连续墙与两道混凝土支撑加3道钢支撑。北侧地面标高-1 m，地下连续墙厚度1 m，深43.5 m；南侧地面标高+3 m，地下连续墙厚度1.2 m，深47.5 m，分幅宽度平均为6 m。地下连续墙兼做止水帷幕，且已穿透⑥-1黏土不透水层，为落底式止水帷幕，相比悬挂式止水帷幕能够更有效地减少降水对坑外土体的影响。围护结构横剖面如图3所示。

一、三道撑选用钢筋混凝土支撑，C30混凝土；第二、四、五道为钢支撑，分别为∅609 mm钢管与∅800 mm钢管，壁厚均为16 mm。每道钢筋混凝土支撑处设置冠梁、圈梁和两根临时支撑立柱，利用隧道主体结构钻孔灌注桩作为基础，采用型钢格构柱，型钢立柱在穿越顶、底板的范围内需设置止水片。

深基坑施工时，必须采取有效措施严格控制好地下水，以防对基坑工程本身及对周围环境造成不利影响。由于潜水层及微承压水层埋深较浅，已被开挖基坑揭穿，故通过在坑内布设若干疏干井与轻型井点对土层进行封闭式降水疏干处理，并要求在基坑开挖前 20 d提前预抽水，且确保井点降水水位在开挖面以下1 m。针对⑥-3及⑦-2层承压水，基于抽水试验及基坑底板稳定性验算，此区段承压水位需降低13.5 m方能满足处于抗突涌稳定状态。

2 监测方案及结果

为保证基坑施工安全及保护周边环境，整个施工过程中持续对地表、建筑沉降及地下连续墙侧移等变形进行密切关注。邻近基坑各建筑均在边线均匀布设10个沉降监测点，而沿基坑纵向每20 m左右布设一个沉降监测断面，每个断面5个沉降点。图2所示保险干校为两层筏板基础框架结构，走向基本与基坑方向平行，最近角点距离小于10 m，最远角点相距17 m。图4为保险干校宿舍楼各测点沉降随开挖变化情况。

由图4可知，建筑靠近基坑长边沉降最大值为50.19 mm,远离基坑边沉降最大值仅为35.65 mm，且靠近基坑边沉降总体远大于远离基坑边沉降。这呈现了建筑将产生向基坑内倾斜趋势，威胁基坑安全。又由于建筑并非完全与基坑平行，则同一长边处距离基坑越近沉降越大。分析各点沉降随时间变化情况可知，在第三层开挖前沉降稳定增大，但在第四层开挖阶段沉降突然增大，约占总沉降的40%。综上所述，应对建筑最靠近基坑的横断面，即5、6测点所在断面进行建模分析，且特别关注第四层开挖阶段沉降变化情况。

图4 建筑沉降随开挖变化情况

3 开挖降水数值模拟

选用ABAQUS有限元分析软件建立深基坑及临近建筑的二维数值模型，模拟开挖支护降水全施工过程对周边环境的影响。由于隧道径向长度远超基坑剖面尺寸，可视为平面应变问题求解[6]，故建立二维模型。

3.1 基本假定

(1)假设地下水分布稳定，土体正常饱和，渗流符合达西定律，稳定静水位根据区域水文地质资料取-1 m。

(2)施工开始前假设土体及建筑已正常固结沉降完毕。模型边界外地下水可进行补给。地下连续墙渗透系数为0。

3.2 本构模型

计算全程考虑渗流固结，由于考虑流固耦合时降水影响范围远大于开挖影响范围，综合空间效应与非完整井假设[7]，最终将模型水平尺寸取为基坑深度的10倍，几何尺寸为238.6 m(x)×93.0 m(y)，共计8 546个单元，9 188个节点。建筑每层加上相应荷载[8]，基坑附近地表也附加施工荷载。具体数值模型如图5所示。

图5 数值模型

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，视为理想弹塑性材料，采用8节点平面应变CPE8RP孔压单元，各土层物理力学指标见表1，土层弹性模量统一取为压缩模量的8倍[9]。地下连续墙与立柱视为线弹性材料，采用8节点平面应变CPE8R单元，横撑采用B21单元，线弹性材料物理参数取值见表2。实际分析中根据等效刚度法调整相应尺寸[10]，同时使用“升温法”施加钢支撑预应力[11]，具体见式(1)。

表1 土层物理力学参数

表2 支护结构参数

(1)

式中：F为内支撑预加轴力(N)；A为内支撑截面面积(m2)；E为钢支撑弹性模量(Pa)；α为内支撑钢管的热膨胀系数，取为10-5/℃；Δt为内支撑预加轴力所对应升温度数(℃)。具体数值计算见表3。

表3 钢支撑预应力设置

3.3 边界条件

正式开挖前应先进行地应力平衡并建立孔隙水渗流场。模型两侧设置水平位移边界条件，底部设置水平、竖直边界条件。地下水潜水与承压水孔隙水压力初始设置沿深度线性分布，潜水在-1 m深度处设置自由透水面，⑥-3与⑦-2层承压水水位为-2 m，底部不透水。两侧将稳定后的孔隙水压力固定，模拟外界水流补给。在各开挖工序前设置坑内开挖面下1 m处孔隙水压力为0模拟基坑潜水疏干，在第三次开挖前使承压水水头降低13.5 m以模拟基坑减压降水，通过生死单元法模拟基坑土体开挖[12]。根据现场施工实际时间设置分析步时长，以分析基坑变形随时间变化。

4 计算结果分析

4.1 渗流与孔压分析

图6与图7分别为开挖完成时孔隙水压力云图与地下水渗流路径图，可见坑内水头有效降低的同时坑外水头未出现明显下降，由此能有效减小坑外地表沉降。隔水帷幕两侧渗流多为竖向渗流，且坑外相对隔水层以上渗流较小，远离隔水帷幕区域渗流多为水平向补给渗流，图中较大水平渗流主要是由于⑦-2层粉土渗透系数较大所致。同时渗流路径绕过了隔水帷幕底部向坑内流动，呈现出了明显的降落漏斗。坑底的等孔压曲线也随开挖降水逐渐出现下凹弧度，与渗流情况相符。

图6 孔隙水压力云图(单位：kPa) 图7 地下水渗流场(单位：m/d)

4.2 地下连续墙侧向变形

图8是南侧地下连续墙经过数值模拟计算得出的侧向位移模拟值与现场各开挖步实际监测值。图9是不同开挖深度下墙身侧向位移模拟值。通过数据对比可得：

图8 开挖过程中地下连续墙侧移模拟值与实测值对比

图9 不同开挖深度下墙身侧向位移模拟值

(1)针对地下连续墙侧向位移模拟值曲线，可见在施工初期阶段曲线较为平滑，且顶端与底部向坑内的侧向位移较小，开挖面处较大，呈“凸”字形状。但随着开挖深度逐渐增加，-12.0 m至-20.0 m处侧移速率明显减缓，基本控制在一定范围之中，且在-16.5 m及-20.0 m处显示出回缩的趋势，此深度范围正与基坑横支撑布置深度吻合。在开挖末期，基坑底部附近地下连续墙出现了较大侧向位移，最大侧向位移位于坑底以下0.5 m左右，最大侧移值δm=42 mm大于实测值34.96 mm。此时，侧向位移曲线不再光滑，而变成了浅层随深度增大、中层变化不明显、深层呈纺锤形的三段式曲线。

(2)通过地下连续墙侧向位移实测值分析，可见地下连续墙最大侧向位移值及最大侧向位移深度都在不断地增大，最大侧向位移由-17.0 m深度处的19.53 mm(开挖至-13.0 m)，-19.0 m深度处的28.1 mm(开挖至-16.5 m)最终发展至-21.5 m(开挖至-21 m)深度处的34.96 mm，小于控制值0.18%he=36.00 mm(he为基坑开挖深度)，这是由于深层土体没有有效支护结构支撑所引起的。对比模拟值也展现同样的变化规律，最大侧移深度由最开始的-15.0 m深度逐渐增大至-21.5 m，与实测数据吻合。可以看出，采用数值模拟方法可以得到基坑围护结构随施工变形的趋势，能够作为分析基坑性状一种有效手段。

4.3 基坑外地表及建筑沉降

基坑周边浅基础建筑物较多，其中距离基坑最近处为10 m。图10为基坑施工完成后竖向位移云图，图11为坑外地表沉降情况，可见降水开挖对邻近建筑物沉降影响较大，越靠近建筑地表沉降越大。地表最大沉降处一直位于建筑基础下，且靠近基坑处建筑角点沉降大于远离基坑角点，这造成了建筑向基坑方向倾斜的趋势。建筑之外地表沉降随距离变大逐渐减小，但影响范围随基坑施工逐渐扩大，这主要是由于降水过程对地下近处远处渗流场都有影响，远处地下水水平向补给引起土体有效应力增大，从而使远处地表土体产生沉降。

图10 施工完成后地层沉降云图(单位：m)

图11 降水开挖对地表沉降影响

由图11可知，基坑外地表最大沉降处离基坑19 m，位于建筑基础下，大小为50.0 mm，超过地表沉降控制值28.5 mm。为保证建筑安全，及时强化基坑支护，并对建筑进行跟踪加密监测，经建筑单位允许继续施工。根据实测值，建筑靠近基坑角点最终沉降值为-50.52 mm，另一侧角点最终沉降值为-36.33 mm，造成了建筑的不均匀沉降，差异沉降法计算求得最大局部倾斜值为0.835‰。

为考虑建筑基础不同边线长度对沉降的影响，将各边线实测差异沉降值除以其长度得到各边线实测倾斜率如图12所示。可见建筑垂直于基坑边线侧倾斜率远大于平行侧，且距离基坑更近侧向基坑内倾斜更大，最终倾斜率为0.855‰，与模拟值吻合，但小于规范规定的2‰。对于软土层地基，过大的沉降量与沉降速率引起的不均匀沉降可能会导致建筑物开裂或地下管道弯折，所以有必要在施工时严密监测沉降情况。对比《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)，平均沉降量与倾斜量均小于变形允许值。

图12 实测建筑各边倾斜率

通过有限元模拟及实测数据的联合分析地下连续墙的竖向位移，认为北侧地下连续墙自开挖起始终处于回弹状态，最大回弹量为8 mm。而紧贴墙体的土体却随开挖逐渐沉降，表现出与墙体错开位移的趋势。地下连续墙竖向位移主要是由于坑内土体开挖的卸荷效应所导致的回弹，靠近地下连续墙的土体也受到墙体的摩擦阻力限制，沉降的幅度不如建筑基础处大，从而形成勺型地表曲线。因此，在分析墙体周围的地表土体位移时，应当将墙体与土体通过摩擦模型进行面与面接触而非绑定，才能够更好地模拟结果。

5 结论

(1)落底式隔水帷幕打穿到承压水层下部，强迫地下水绕流，延长渗流路径。且由于上隔水层阻水效果好，渗流主要发生在上隔水层以下，所以对基坑外水头影响较小。由此，基坑内封闭式降水能够有效减小降水开挖对周边环境的影响。但同时承压水降压会产生基坑内外水位差，导致地下连续墙深处受到向坑内的压力，使地下连续墙水平位移向坑内方向增大。

(2)地下连续墙最终侧向位移为三段式曲线，上部随深度增大，中部受横支撑限制变形较小，开挖面以下没有有效支撑、呈纺锤形曲线。最大侧向位移位置随基坑开挖逐渐下移，并始终处于开挖面以下，最终位于坑底下0.5 m左右。

(3)地表沉降随基坑开挖深度增大而增大，沉降最大值位于建筑基础下，地表沉降曲线呈勺型分布。由于基坑开挖影响，建筑垂直于基坑边线侧向坑内沉降更大，不均匀沉降易造成建筑开裂。本工程最终倾斜率为0.855‰，小于规范允许值。