原海軍

北京城市快軌建設(shè)管理有限公司 北京 100027

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市人口劇增，為緩解交通壓力，我國多個(gè)城市開始大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，由此帶來了大量的深基坑工程。我國的深基坑工程開挖過程中，由于各種原因發(fā)生了大量事故，其中承壓水是深基坑工程施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵因素[1-2]。因此，承壓水引起的基坑變形特征研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)承壓水控制問題進(jìn)行了研究，并取得了一定成果。鄭啟宇等[3]采用流固耦合數(shù)值方法，研究了深基坑降承壓水對(duì)墻體變形和地表沉降的影響；秦羽等[4]利用Plaxis有限元軟件建立模型，分析了基坑在承壓水條件下的變形穩(wěn)定特征，驗(yàn)證了基坑開挖數(shù)值模擬手段的合理性；楊瀟[5]將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析了承壓水降水后的水位分布及其引起的地層沉降規(guī)律；婁榮祥等[6]采用Visual Modflow有限差分法對(duì)基坑降水進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際水位十分吻合；嚴(yán)馳等[7]發(fā)現(xiàn)在承壓水層未完全隔斷的情況下，降水對(duì)基坑的穩(wěn)定性及抗突涌都有利，但會(huì)增大坑外地表沉降及圍護(hù)墻底部位移；張剛等[8]通過建立三維流-固耦合模型，還原了基坑降水開挖施工過程中地下水滲流場(chǎng)的分布形式，并與降水沉降兩步預(yù)估法計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行比較，研究了降承壓水引起的環(huán)境影響；邢皓楓等[9]通過理論分析和三維有限元模擬，研究了水平封堵位置以及封堵厚度等參數(shù)變化對(duì)基坑變形和周邊環(huán)境的影響；李鏡培等[10]設(shè)計(jì)了基坑突涌離心模型試驗(yàn)，模擬不同承壓水位作用下黏性土體隔水層的突涌狀態(tài)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以北京上清橋站深基坑工程為依托，通過數(shù)值模擬，研究無地下水和含2層承壓水的基坑變形特征及不同承壓高度下的基坑變形特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)高承壓水復(fù)合地層中深基坑開挖變形的科學(xué)預(yù)測(cè)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵昌平線南延工程06標(biāo)上清橋站位于清河北高速收費(fèi)站西側(cè)，周邊規(guī)劃為居住與商業(yè)區(qū)，如圖1（a）所示。上清橋站為明挖島式車站，采用雙柱三跨結(jié)構(gòu)形式，地下1層為綜合管廊。車站中心里程為YK35＋772.00，站臺(tái)寬度18.5 m，車站規(guī)模351.2 m×28.9 m，車站底板埋深32.652 m，中心里程處頂板覆土厚度7.772 m。上清橋站中心里程斷面如圖1（b）所示。

圖1 上清橋站場(chǎng)地及典型斷面

1.2 工程地質(zhì)

上清橋站北擴(kuò)大段地層自下而上分別為粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、卵石、粉細(xì)砂、粉土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、雜填土。南擴(kuò)大段地層自下而上分別為粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、粉質(zhì)黏土、卵石、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、黏質(zhì)粉土填土、雜填土。

場(chǎng)地賦存3層地下水，為潛水（二）、承壓水（三）、承壓水（四），如圖2所示。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析，觀測(cè)深度范圍以下的砂土層、粉土層、碎石土層普遍呈飽和狀態(tài)，均應(yīng)視為含水層。

圖2 地質(zhì)剖面

1.3 施工方案

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用C35、厚1 000 mm地下連續(xù)墻（簡稱地連墻）＋鋼管支撐的圍護(hù)支撐體系?；釉O(shè)5道支撐＋1道換撐（φ800 mm×20 mm），第1道支撐水平間距6 m，剩余鋼支撐水平間距3 m，沿基坑跨中設(shè)置φ1 500 mm立柱樁，立柱上方設(shè)置格構(gòu)柱，并采用連系梁（40a#槽鋼）連接。

基坑開挖采用“縱向分區(qū)、豎向分層、隨撐隨挖、中間拉槽”的施工方法，縱向分為15個(gè)分倉，流水段開挖，豎向分層開挖，共分6層，做到隨挖隨撐，開挖至支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高底下50 cm處施作內(nèi)支撐，開挖時(shí)采用中間拉槽，通過被動(dòng)區(qū)對(duì)稱留土的方式來控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

2 數(shù)值模型

2.1 建立模型

采用Midas GTS NX建立模型，包含87 559個(gè)單元和161 971個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型長595 m、寬255 m、高68 m，基坑區(qū)域長352.3 m、寬34.6 m、高30.5 m，如圖3（a）所示。指定沿基坑開挖方向?yàn)閤軸負(fù)方向（沿基坑長邊方向）。豎直向上為z軸正方向，依據(jù)右手法則確定y軸。x軸負(fù)方向?yàn)榛颖眰?cè)，x軸正方向?yàn)榛幽蟼?cè)；y軸負(fù)方向?yàn)榛游鱾?cè)，y軸正方向?yàn)榛訓(xùn)|側(cè)。數(shù)值模型頂部（地表）為自由邊界，左右邊界設(shè)定為水平約束，底部邊界設(shè)定為豎向約束。

地層為4.95 m厚雜填土、8.1 m厚中粗砂、16.9 m厚粉質(zhì)黏土、4 m厚粉細(xì)砂、4.55 m厚卵石圓礫、39.5 m厚粉質(zhì)黏土?；訁^(qū)域分5層，開挖厚度依次為6.0、9.0、7.0、5.5、3.0 m。地連墻深46.65 m，嵌入土層16.15 m，如圖3（b）所示。由于存在1層潛水和2層承壓水，故在數(shù)值模型中地表以下10.0、17.0以及28.5 m三處水平面上設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭。

圖3 模型建立

2.2 計(jì)算參數(shù)

將地層簡化為6層，采用修正摩爾-庫侖模型，可以改善摩爾-庫侖本構(gòu)引起基坑隆起過大的問題，鋼、混凝土支撐及地連墻結(jié)構(gòu)使用彈性本構(gòu)。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告以及相關(guān)規(guī)范確定計(jì)算參數(shù)，如表1所示。地層采用3D實(shí)體單元模擬，地連墻采用2D板單元，鋼支撐、混凝土支撐采用1D梁單元。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值方案

共設(shè)計(jì)6組數(shù)值方案，如表2所示。方案1按照上清橋站工程實(shí)際設(shè)定地層中存在1層潛水和2層承壓水工況，承壓水水頭高度2 m，方案2設(shè)定地層中無地下水工況，方案3～6設(shè)定地層中存在1層潛水和2層承壓水，但是更改承壓水頭高度，分別是1、3、4、5 m。3組方案的步驟一致，先施工地連墻，再按照實(shí)際施工順序進(jìn)行土方開挖、降水和支撐?；铀椒较蚍譃?5倉，豎直方向分為5層。

表2 數(shù)值模擬方案

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 有無承壓水影響

上清橋站基坑15倉施工完成后，方案1、方案2的地層z軸方向變形云圖如圖4所示。

圖4 地層z軸方向變形云圖

由圖4可知，方案1地表變形特征表現(xiàn)為從北擴(kuò)大段至南擴(kuò)大段由隆起逐漸變?yōu)槌两怠１睌U(kuò)大段一側(cè)土方先行開挖，依次是標(biāo)準(zhǔn)段、南擴(kuò)大段，北擴(kuò)大段區(qū)域開挖過程中進(jìn)行了4次坑內(nèi)降水，此時(shí)南擴(kuò)大段還沒有進(jìn)行開挖，降水引起南擴(kuò)大段沉降值達(dá)18.84 mm。在開挖和降水的共同作用下，地表豎向變形呈“北隆起、南沉降”的趨勢(shì)。方案2地表變形則比較均勻，變形值也較小，沉降值最大為6.39 mm，為方案1的0.34倍。

上清橋站基坑15倉施工完成后，方案1、方案2的地連墻y軸方向變形云圖如圖5所示。

圖5 地連墻y軸方向變形云圖

由圖5可知，方案1地連墻y軸方向變形主要體現(xiàn)在地連墻東西兩側(cè)，第1層土開挖時(shí)，變形區(qū)域集中在第1倉處，此時(shí)東側(cè)最大變形值10.8 mm，西側(cè)最大變形值11.55 mm?；拥?倉開挖時(shí)，東側(cè)和西側(cè)最大變形值分別為16.14 mm和15.07 mm，第15倉開挖完成后，東側(cè)最大變形值達(dá)到16.16 mm。第15倉開挖完成后，方案2東側(cè)地連墻最大變形值為15.94 mm，與方案1的差值較小。下面通過典型變形曲線進(jìn)一步分析2組方案變形特征。

通過對(duì)比方案1和方案2，研究無地下水和含2層承壓水工況下的深基坑變形特征，變形特征研究內(nèi)容包括地表沉降和地連墻水平位移。

基坑第15倉開挖完成后，2組模擬方案最終地表豎向位移曲線的對(duì)比如圖6所示。

圖6 最終地表豎向位移比較

基坑北擴(kuò)大段和南擴(kuò)大段存在斜撐和直撐，基坑周邊地表變形比標(biāo)準(zhǔn)段的數(shù)值小。相比北擴(kuò)大段，由于施工方向是從北向南，南擴(kuò)大段受到施工擾動(dòng)的影響大，并且施作直撐時(shí)間較晚，因此南擴(kuò)大段的地表變形更大。相比無地下水工況，地層中存在潛水和2層承壓水時(shí)，地表沉降顯著增加，最終的北側(cè)和南側(cè)最大地表沉降分別為5.19 mm和11.27 mm，如圖6（a）所示。由圖6（b）可以得知，基坑?xùn)|西側(cè)比南北側(cè)地表沉降更大。無地下水工況下基坑?xùn)|西側(cè)地表沉降變化幅度較小，而存在地下水工況近似呈勺形，東西側(cè)地表沉降的差別主要體現(xiàn)在基坑標(biāo)準(zhǔn)段和南擴(kuò)大段，受異形地連墻形狀影響，最大地表沉降發(fā)生在距離南擴(kuò)大段基坑長度1/4的位置，沉降量為18.65 mm，為無地下水工況下地表沉降量的3倍。

基坑第15倉開挖完成后，2組模擬方案地連墻水平變形隨深度變化的對(duì)比如圖7所示。其中，圖7（a）給出基坑南側(cè)和北側(cè)地連墻中心截面；圖7（b）給出基坑西側(cè)地連墻3處典型部位，分別位于北擴(kuò)大段、標(biāo)準(zhǔn)段和南擴(kuò)大段。

圖7 地連墻最終水平位移比較

由圖7可知，相比于無承壓水工況，存在2層承壓水時(shí)，由于作用在地連墻水平方向的荷載增大，導(dǎo)致地連墻水平位移更大，尤其是對(duì)基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)的影響更加顯著，極大地增加了施工風(fēng)險(xiǎn)和難度?；幽?、北擴(kuò)大段由于斜撐的作用，地連墻水平位移相比東西側(cè)更小。通過模擬得到方案1最大的地表沉降和地連墻水平位移均小于16 mm，遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)地連墻變形控制值30 mm。因此現(xiàn)場(chǎng)采用邊開挖、降水、邊支撐的方案是可行的，能夠有效控制變形。

3.2 承壓水高度的影響

設(shè)計(jì)5組工況，通過改變承壓水水頭高度來研究承壓水水頭高度變化對(duì)基坑變形的影響，5組工況的承壓水頭高度分別為1、2、3、4、5 m。由于模擬結(jié)果呈現(xiàn)對(duì)稱性，因此選擇基坑縱向、橫向各一側(cè)的變形結(jié)果進(jìn)行分析。

不同承壓水高度下的地表沉降變形表現(xiàn)為：承壓水高度5 m＞承壓水高度4 m＞承壓水高度3 m＞承壓水高度2 m＞承壓水高度1 m?；幽媳眱蓚?cè)地表沉降表現(xiàn)為凹槽形，地表最大沉降值大致位于距離南側(cè)地連墻20 m處。基坑?xùn)|西兩側(cè)地表沉降變形趨勢(shì)大致相同，表現(xiàn)為瓢形，距離基坑北側(cè)地連墻0～90 m的地表變形較緩，90～350 m變形呈現(xiàn)凹槽形，地表變形最大位置出現(xiàn)在基坑北側(cè)地連墻240 m處（圖8）。

圖8 地表最終豎向位移比較

基坑不同位置處不同承壓高度下的地連墻水平位移如圖9所示。由圖9可知，各位置不同承壓高度的地連墻水平位移變形趨勢(shì)大致相同。基坑北側(cè)地連墻水平位移變形值基本相似。地連墻深度17 m以下，基坑西側(cè)地連墻水平位移變形差異較小，在地連墻深度17 m以上，基坑西側(cè)地連墻水平位移表現(xiàn)為隨承壓高度的增加而不斷增大，該位置與承壓水節(jié)點(diǎn)水頭位置相對(duì)應(yīng)，即地連墻在承壓水地層中變形明顯。

圖9 基坑地連墻水平位移

因此，不同承壓水高度下，基坑南北兩側(cè)地連墻變形受承壓水影響較小，東西兩側(cè)相對(duì)大些，存在承壓水部位地連墻變形明顯。

4 結(jié)語

1）存在地下水工況時(shí)，在開挖和降水的共同作用下，地表豎向變形呈“北隆起、南沉降”的趨勢(shì)；無地下水工況的地表變形則比較均勻，變形值也較小。

2）存在地下水工況時(shí)，東西側(cè)地表沉降近似呈勺形，最大地表沉降發(fā)生在距離南擴(kuò)大段基坑長度1/4的位置，最大沉降量為無地下水工況的3倍；存在2層承壓水時(shí)，地連墻水平位移更大，尤其是對(duì)基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)的影響更加顯著?；幽?、北擴(kuò)大段受斜撐和直撐的共同作用，地連墻水平位移相比東西側(cè)更小；存在地下水工況時(shí)，模擬得到的地表沉降和地連墻水平位移均小于現(xiàn)場(chǎng)地連墻變形控制值30 mm，因此現(xiàn)場(chǎng)采用邊開挖、降水、邊支撐的方案是可行的。

3）不同承壓水高度下，基坑地表沉降表現(xiàn)為隨承壓高度不斷增加，基坑南北兩側(cè)地連墻變形受承壓水影響較小，東西兩側(cè)相對(duì)大些，且存在承壓水部位的地連墻變形明顯。