紧邻地铁深基坑开挖对周边环境影响分析

张婉吟，孙昌利，张 挺，陈小丹

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广州 510635)

随着城市建设的发展，深基坑工程也向着更大更深的方向发展，而基坑工程的施工环境、影响因素越来越复杂，根据大量基坑失稳和变形破坏实例分析，可以看出因渗流引发的基坑失事占比很高[1-5]。在南方沿海地下水位较高的地区开挖基坑时，通常采取基坑降水与止水帷幕结合的方法来控制地下水的影响[6-8]，坑内外会出现水头差，地下水将在坑内外水头差的作用下发生渗流[9]。地下水的渗流引起的坑内外的孔隙压力和有效应力发生改变，不仅影响作用在围护结构上的水压力、土压力及侧压力计算，还影响基坑周围地表沉降和坑底的回弹变形计算，甚至引起管涌和流砂[10-12]。因此在基坑稳定和变形分析中必须高度重视地下水的渗流作用。

本文结合深圳某深基坑工程，应用有限元分析软件Midas/GTS的“应力-渗流-边坡”分析模块，分析基坑开挖引起的渗流场变化，以及地下水位变化情况下基坑周边与邻近地下结构的变形情况。

1 工程概况

某深基坑工程位于深圳西部填海区，含6层地下室，基坑宽度为80～100 m，总长度约为830 m，深度约为30 m。基坑东侧依次为地铁11号线、5号线、1号线车站，为减少基坑开挖对地铁车站的影响，本工程共分为8个独立基坑分别施工，每个基坑均采用地下连续墙支护及止水。基坑开挖采取跳挖方式，结合上盖塔楼的开发时序，其中2栋及4栋塔楼基坑先行施工。其中2栋基坑(T2)坑底高程为-23.2 m，尺寸为92.8 m×73.65 m，4栋基坑(T4)坑底高程为-25.7 m，尺寸为93.4 m×79.92 m。基坑平面位置关系示意见图1。

图1 T2及T4基坑周边环境概况示意

基坑采用“地下连续墙+环形内支撑”的支护形式，T1～T8地下连续墙均已施工完成，地下连续墙厚度为1.2 m，墙体深度约为48.2 m。基坑内地下水在土方开挖阶段以“坑内集水井抽水+排水沟明排”方式为主，局部管井降水为辅。

本文对现行施工的T2及T4基坑开挖过程展开研究。T4基坑支撑平面布置为环撑+对撑+局部角撑，环撑直径为40.8 m，对撑水平间距一般为9 m，竖向设置6道钢筋砼支撑，T4基坑第1道支撑平面布置示意见图2。基坑与地铁车站位置关系剖面示意见图3，地铁11号线下有桩基础，5号线与1号线为筏板基础，两侧通道下设置有抗拔桩。

图2 T4基坑第1道支撑平面布置示意

图3 T4基坑与地铁车站位置关系示意

2 地质条件

项目位于前海湾填海区，西侧约600 m外为前海湾海水，根据勘察资料，选取代表地质钻孔，场地内主要岩土层见图4所示。

图4 代表地质与地连墙位置关系示意

项目场地附近无地表水流，地下稳定水位高程为0～3 m。地连墙嵌固深度、坑底高程、地下水位高程与简化地层的位置关系如图4所示，参考工程地勘报告并结合广东省内经验，各岩土体的物理力学参数建议值见表1[13]。

表1 各岩土体的物理力学参数值

3 有限元分析

基坑引起周边的沉降分为开挖引起的沉降及降水引起的沉降，本文分两个模型分析，并与实测总沉降对比。

3.1 基坑开挖引起的变形分析

3.1.1有限元模型

基坑开挖引起的变形分析采用二维平面应变模型，数值有限元模型见图5，基坑开挖至坑底高程-25.7 m，分7次开挖，设6道支撑，直撑-环撑-直撑串联形式做了等效对撑刚度处理。

图5 开挖前后有限元模型示意

在计算基坑开挖引起的应力应变时，土体采用修正摩尔库伦本构，使用“应力”分析模块计算，模型左右施加法向约束，底部同时施加水平向和法向约束。基坑开挖按照实际施工过程，按“先撑后挖”的原则进行，主要模拟的施工过程见表2。

表2 开挖引起变形施工过程模拟

3.1.2结果率定及沉降分析

基坑开挖到底引起的水平位移云图见图6。总体上地连墙侧向变形中间大，两边小，呈纺锤体形状。并且，西侧围护结构水平位移趋势较东侧大，这是因为地铁结构侧土压力较小。西侧桩体水平位移最大值为29.4 mm，监测数据为20.86 mm；东侧桩体水平位移最大值为14.5 mm，监测数据为12.4 mm；西侧围护结构的理正深基坑单元计算结果桩体水平位移最大值为30 mm，与有限元结果29.4 mm基本吻合。结果对比列于表3。

基坑开挖到底引起的竖向位移见图7所示。地连墙西侧外地表沉降最大值为-14.3 mm。11号线车站底板竖向位移为-1.3 mm，5号线车站底板沉降值为-0.7 mm，1号线车站底板沉降值为-0.8 mm。开挖引起的地表沉降和地铁底板沉降值均较小，且地铁底板沉降值离基坑最近的是11号线沉降最大，5号线与1号线次之。

图7 基坑开挖引起竖向位移示意

3.2 降水引起的渗流场变化与变形分析

3.2.1三维有限元模型

根据现场情况，由于前期8个基坑的地连墙以及11号线、5号线、1号线车站以及车站底下抗拔桩均已施工，因此,将T1～T8基坑一起建模，T2及T4开挖到设计高程，坑内地下水位下降至坑底高程，1-1剖面位置如图8中所示，三维有限元模型如图8～图11所示。

图8 有限元计算模型俯视示意

图9 T2及T4开挖到底示意

图10 地下连续墙及地铁车站的相对关系

图11 地铁车站及抗拔桩

本模型仅研究基坑降水引起周边的渗流场变化及沉降，不涉及基坑开挖，因此土体本构关系可采用摩尔库伦模型，并使用GTS中的“应力-渗流-边坡”分析模块计算。模型四周与底部施加法向约束，地下水位边界条件根据地形东高西低的特点确定，东侧地下水位H=3 m，模型西侧为前海湾海水，边界取海平面高程H=0 m，南北两侧均从3 m线性降低至0 m。土体、地连墙、地铁车站均使用3D实体单元，抗拔桩使用植入式梁单元。主要模拟的施工过程见表4。

表4 施工过程模拟

3.2.2计算结果分析

1) 基坑降水引起的渗流场分析

砾砂层内初始总水头云图见图12，总水头从东向西由3 m递减到0 m。T2、T4基坑地下连续墙内的南北侧初始水头值约1.5 m，T2基坑西侧初始水头1.0 m，T4基坑西侧初始水头0.8 m。

图12 砾砂层内渗流总水头示意(初始渗流场)

当T2和T4基坑开挖至设计标高时，砾砂层内渗流总水头云图如图13所示。土层部分的等水头线分布稀疏，说明水力梯度较小，地下水浸润线坡度较平缓，降落漏斗较大，说明基坑开挖降水引起的影响范围较大。模型1-1剖面的浸润线如图14所示，从图中可知由于T1～T8基坑已施工的连续墙存在阻水作用，坑内地下水位基本呈阶梯状分布，坑外地下水位从边界向基坑缓慢下降。

图13 砾砂层内渗流总水头示意(开挖后)

2) T2、T4基坑周边地下水位对比分析

T2、T4基坑附近的地下水位高程结果如图15所示，基坑西侧地下水位为-7.6～-9.3 m，T1基坑内地下水位为-11.2 m，T3基坑内地下水位为-16.3 m，T5基坑内地下水位为-11.6 m。

图15 T2、T4基坑局部水位高程示意(单位：m)

从图15中提取地下水位高程数据并与监测结果水位数据进行对比(见表5)，通过对比可以看到基坑降水后周边的地下水位数据有限元计算结果与监测结果吻合程度较好。

表5 地下水位高程 m

3) 降水引起的地表沉降分析

降水引起的T2、T4周围局部地表沉降值见图16，图16中的沉降值为降水引起的最终沉降量。以T4基坑西侧水位下降至-9.3 m高程点为例，该点初始地下水位高程为0.8 m，水位降深为10.1 m。通过分层总和法计算得该点的总沉降量为115 mm，较有限元结果96.9 mm偏高，可能原因是有限元计算出的地表沉降受连续墙的竖向约束影响，但数值分析沉降值与理论结果差别较小，结果基本合理。

图16 T2、T4基坑局部地表沉降示意(单位：mm)

以上所得均为最终沉降量，若是要与监测值对照还需要考虑各土层不同时间的固结度。根据地下水位监测数据，该项目地下水位下降较大的时间段约6个月，因此固结时间取6个月。除淤泥、粘土、粉质粘土层外，由于其他土层透水性较强认为在施工期间已经完成固结。在考虑固结度时间为6个月的情况下，降水引起的地表沉降量为25.6 mm，叠加开挖引起的沉降14.3 mm，地表总沉降量为39.9 mm。此代表计算点地表沉降观测点的累积沉降量是27.5 mm，小于计算值，计算结果偏安全。

4) 降水引起的地铁车站底板沉降分析

有限元计算基坑降水引起的T2、T4基坑代表横断面地铁车站底板沉降见图17。相同横断面地铁车站底板垂直位移监测成果数据见图18，两图的沉降数据统计见表6。从表6沉降数据可知，有限元计算的地铁底板沉降数值与监测结果的变形趋势基本一致，即离基坑最近的11号线沉降最大，5号线次之，1号线最远沉降最小。从数值上来看，T2、T4基坑有限元结果均比监测值偏大，偏于保守。

图17 T2、T4基坑横断面地铁车站底板沉降示意(单位：mm)

图18 地铁车站底板垂直位移监测成果示意(单位：mm)

表6 地铁车站底板沉降对比 mm

4 结语

1) 建立T4基坑二维平面应变开挖模型，地连墙水平位移最大值有限元29.4 mm/理正30 mm/测斜20.86 mm，有限元与理正结果比较接近，计算基本合理。基坑西侧地连墙外地表沉降-14.3 mm，11号线底板沉降-1.3 mm，5号线底板沉降-0.7 mm，1号线底板沉降-0.8 mm，开挖引起的沉降值较小，沉降主要由降水引起。

2) T2、T4基坑降水引起的渗流。建立T1～T8基坑与地铁结构的整体降水模型，T2、T4基坑周边最终地下水位高程与监测结果基本吻合，渗流计算基本合理。

3) T2、T4基坑降水引起的地表沉降。代表计算点引起的最终地表沉降：分层总和法115 mm/有限元96.9 mm，证明有限元计算降水引起的沉降结果基本合理。考虑固结度且叠加开挖影响的地表沉降：有限元39.9 mm/监测27.5 mm，有限元结果大于监测结果，原因可能为实际水位降深不同，且计算点比监测点离地连墙远，沉降较大。

4) T2、T4基坑降水引起的地铁车站底板沉降。有限元计算的地铁底板沉降数值与监测结果的变形趋势基本一致。