趙延林， 李 明

(黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

目前，人們對于出行便利性的要求逐漸增加，地鐵開始逐漸在各大城市中普及。與之對應的地鐵深基坑工程逐漸增多，與以往不同的是，深基坑工程的施工環(huán)境變得十分復雜。既有建筑物、構(gòu)筑物、地下管線與交通運輸?shù)缆范紝⑹艿焦こ淌┕さ挠绊憽！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》及其他一些地方性規(guī)范都對既有設施的變形控制提出了要求。當工程的施工地點位于高水位地區(qū)時，滲流場的變化將加大既有設施所受的影響。因此，研究高水位下深基坑工程施工對周邊既有設施的變形控制措施顯得十分必要。

學者們在兼顧有效性與經(jīng)濟性的前提下，努力探索著控制深基坑與既有設施變形的方法與措施。袁斌等[1]運用FLAC3D對比分析了6種降水方案，結(jié)果表明：止水帷幕的存在對周邊地表沉降的控制效果十分顯著。吳紹升[2]通過單井抽水、回灌實驗，得出在保障基坑安全開挖的前提下，在基坑周邊淺基礎(chǔ)建筑群附近布設回灌井，是一種控制地面沉降、保護基坑周邊環(huán)境的措施。劉偉等[3]提出了在深厚富水地層的深基坑工程設置帶有抗浮錨桿的全封閉止水帷幕技術(shù)方案，并通過一實際工程案例證明了此方案的可行性。張磊等[4]在進行室內(nèi)耦合模型試驗后，得出了在降水防滲的同時，增設回灌井對坑外不均勻沉降具有良好的控制效果。張宏洲等[5]運用軟件pmwin對廊坊市某一實際工程進行分析，得出在一定范圍內(nèi)遠離基坑邊處的回灌效果優(yōu)于近處。薛秀麗等[6]依托天津市某一實際地鐵深基坑工程，分析了基坑寬度、降水深度、降水時間、土層滲透性等對降水引發(fā)基坑變形特性的影響規(guī)律，得出了降水井錯位排布以控制開挖前降水引發(fā)基坑變形的方法。 田瑛[7]對一工程實例進行數(shù)據(jù)分析，得出了先降水后支護這一施工工序?qū)ι罨幼冃尉哂幸欢ǖ目刂菩Ч＠铉萚8]通過對一減壓降水計算模型進行計算，得出采用懸掛式止水帷幕結(jié)合坑內(nèi)減壓降水的墻-井系統(tǒng)可有效減小坑內(nèi)降水量或坑外水頭降深。劉祥勇等[9]通過展開一系列單井抽灌和群井抽灌現(xiàn)場試驗，得出在敏感建筑物保護區(qū)域做到抽灌一體化，可盡量減小因降水引起的附加變形。司鵬飛[10]運用有限差分軟件FLAC3D對上海市某一實際工程進行模擬分析，結(jié)果表明：增強圍護樁剛度、坑底加固和設置臨時圍堰的方案能夠較為有效地減小臨水基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形，降低臨水基坑對周圍環(huán)境的影響。陳凌銅等[11]運用軟件PLAXIS對杭州某一實際工程進行分析，研究表明：當深基坑工程采用懸掛式止水帷幕時，增加其深度可以減小坑外地表沉降與地下管線的變形。曾超峰等[12]通過開展基坑抽水模型試驗與三維數(shù)值分析，探究了內(nèi)隔墻對于限制開挖前抽水引發(fā)基坑變形的有效性，研究發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)隔墻深度大于5倍基坑寬度時，內(nèi)隔墻將體現(xiàn)較明顯的變形限制作用。鄭堅杰[13]通過南京一實際地鐵基坑預降水試驗，得出在按需降水、沉降區(qū)域采取注漿等控制基坑變形的方法與措施。鄭剛等[14]通過監(jiān)測天津地鐵6號線某車站基坑工程降水與回灌過程中的水位變化與地表沉降數(shù)據(jù)，得出在回灌全面開啟后，基坑鄰近區(qū)的水位得到控制，地表沉降發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。

由上述分析可知，在考慮流固耦合的情況下，合理的施工方式、設置止水帷幕及回灌井均可以較好地控制基坑變形，其中，設置回灌井相對較為高效與經(jīng)濟。

筆者運用有限元軟件MIDAS GTS NX，基于流固耦合及三維固結(jié)理論，從回灌井布置位置和回灌面積兩個角度，研究控制深基坑工程周邊建筑物沉降的方法與措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程位于江蘇省蘇州市工業(yè)區(qū)內(nèi)，為新建高鐵地下車站深基坑工程，大體沿東西向布置，總長度為175.0 m，寬度為18.9 m，開挖深度為17.4 m。工程位于市中心大道與兩高架橋交叉口的中間位置，基坑中部南側(cè)約22.0 m外有一民用建筑物，北側(cè)緊鄰綠化帶。周邊環(huán)境相對復雜，對基坑變形控制要求較高。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，本工程場地土層信息 見表1。

場地地下水主要分為以下3類。

(1)潛水：存在范圍廣泛，主要存在于黏性土層中，水位埋深為1.75～3.80 m，穩(wěn)定水位埋深為1.50～2.70 m。

(2)微承壓水：存在范圍較小，主要存在于粉土層中，最高微承壓水頭標高為1.70 m。

(3)承壓水：存在范圍很小，主要存在于較深的粉土層中，穩(wěn)定水頭約為1 m，且封閉條件良好。

表1 場地土層信息

1.3 基坑支護方案

基坑支護方案為地連墻+內(nèi)支撐，內(nèi)支撐共4道。冠梁與地連墻均選取C35混凝土，懸掛式地連墻深度為31 m，厚度為0.8 m，冠梁設于頂部，截面尺寸為1.0 m×1.0 m；第1道內(nèi)支撐采用C30混凝土，與冠梁處于同一平面，截面尺寸為0.8 m×0.9 m，水平間距為6 m；其余3道內(nèi)支撐均采用Q235鋼，直徑0.609 m，管壁厚度16 mm，水平間距為3 m，距離基坑頂面的距離分別為5.0、8.5、11.0 m?；又ёo剖面見圖1。

1.4 降水方案

運用管井進行坑內(nèi)降水，共設立32口降水井，沿基坑邊緣等距分布，井深為36 m，井直徑為600 mm，井間距為5 m。單井出水量為160 m3/d，共降水約21 d。

1.5 回灌方案

運用管井進行坑外回灌，共設立15口回灌井。回灌井距基坑邊緣3 m，井深為14 m，井直徑為600 mm，井間距為10 m，單井回灌量為160 m3/d，回灌到粉質(zhì)黏土土層。

1.6 土方開挖方案

共進行5步開挖，分別挖至地表下1.4、7.0、11.0、14.5與17.4 m。同時，在前4步開挖進行的過程中，施工冠梁、第1道混凝土支撐與各鋼支撐，并為鋼支撐施加300、500、450 kN的預應力。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸與網(wǎng)格劃分

運用有限元軟件MIDAS GTS NX建立三維基坑計算模型如圖2所示。選取長度為24 m的標準段，依據(jù)建模經(jīng)驗[15]，基坑開挖的影響范圍：水平方向為開挖深度的3～4倍，豎直方向為開挖深度的2～4倍，故確定模型的長、寬、高分別為24、159、70 m。

為在保持計算精度的同時兼顧模型的計算效率，將基坑部分的網(wǎng)格尺寸定為2 m，外地層部分的網(wǎng)格尺寸定為5 m。采用三維網(wǎng)格模擬土體，采用二維網(wǎng)格模擬地連墻、降水井、回灌井與樓板，采用一維網(wǎng)格模擬內(nèi)支撐、柱、梁與樁基。

2.2 單元模型與邊界條件

將參數(shù)信息較為接近的土層進行合并可提高計算效率。土體采用實體單元，本構(gòu)模型選擇修正摩爾庫倫模型，地連墻采用板單元，內(nèi)支撐、柱、梁與樁基采用梁單元，計算類型選擇應力-滲流-邊坡(滲流場與應力場單向耦合)，計算理論為彈塑性計算理論。模擬時，為兼顧模型模擬的精確性與計算的收斂性，預先在井出現(xiàn)的位置生成截面尺寸為2 m×2 m、深度分別為36 m與14 m的網(wǎng)格，隨后通過軟件的析取功能，賦予相同的屬性。之后捕捉各井濾水段網(wǎng)格節(jié)點，分別定義節(jié)點流量函數(shù)。

基坑外建筑物為一民用建筑，框架結(jié)構(gòu)，共12層，層高3 m，樁基礎(chǔ)，深度14 m。采用板單元模擬樓板，采用梁單元模擬建筑物的梁、柱與樁基。梁、柱與樓板材料均為C35混凝土，梁寬0.4 m，梁高0.6 m。柱直徑0.5 m，樓板厚度0.8 m，并在建筑物除頂樓外的各層樓板上施加2 kN/m2的活荷載。降水井、回灌井與建筑物網(wǎng)格如圖3與圖4所示。

定義地表2 m下均為潛水。模型上表面為自由邊界，其余各表面均進行自動約束。借助軟件中的界面功能在基坑兩側(cè)生成止水帷幕。

2.3 模型參數(shù)

土體模型的各項參數(shù)見表1，支護體系的各項參數(shù)見表2。

表2 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 模擬方案

2.4.1 回灌井位置

為探究回灌井布置位置對坑外建筑物沉降的控制效果，共建立5個對比模型，回灌井與基坑邊緣的距離為d分別為3、7、11、14、17 m(圖5)。

2.4.2 回灌面積

文中選擇的增大回灌面積的方法為調(diào)整回灌井的傾斜角度。為研究其控制效果，共建立4個用于對比的模型，定義回灌井傾斜角為α，各模型的α值分別為0°、10°、20°、30°?；毓嗑畠A斜角度示意圖如圖6所示。

2.5 模擬結(jié)果驗證

2.5.1 坑外地表沉降

坑外地表沉降sd的監(jiān)測值與模擬值對比如圖7所示 。由圖7可知，監(jiān)測值與模擬值的沉降分布規(guī)律大體相同，隨著與基坑邊緣距離l的增加，均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，且兩數(shù)值均于距基坑邊緣約1倍開挖深度處達到最大值。整體分析，兩數(shù)值周邊地表沉降平均差值為1.06 mm，約為9.32%。

2.5.2 地連墻水平位移

地連墻水平位移sh的監(jiān)測值與模擬值對比如圖8所示。由圖8可知，模擬值與監(jiān)測值所呈現(xiàn)出的位移分布規(guī)律基本相同，均為隨著與地表距離h的增加，先增大后減小，且兩數(shù)值均于距地表約1倍開挖深度處達到最大值。整體分析，兩數(shù)值的地連墻水平位移平均差值為2.48 mm，約為10.39%。

3 結(jié)果分析

3.1 回灌井布置位置控制效果

3.1.1 建筑物沉降

建筑物鄰近基坑側(cè)沉降隨回灌井布置位置變化曲線如圖9所示。建筑物不均勻沉降隨回灌井布置位置的變化曲線如圖10所示。

由圖9可知，隨著回灌井與基坑邊緣距離d的增加，建筑物沉降先減小后增大。當回灌井位于距基坑邊緣3～11 m范圍內(nèi)時，建筑物沉降sj變化較小。當距離分別為7、11 m時，相較于距離3 m的情況，建筑物沉降分別增大了約-8.6%、27.82%。而當回灌井位于距基坑邊緣11～17 m范圍內(nèi)時，建筑物沉降變化較大，當距離分別為14、17 m時，相較于距離3 m的情況，建筑物沉降分別增大了約96.63%、157.00%。由此可見，當回灌井位于與基坑邊緣距離為3～11 m時，其對建筑物沉降的控制效果較好。

由圖10可知，隨著回灌井與基坑邊緣距離的增加，建筑物不均勻沉降逐漸增大。當回灌井位于距基坑邊緣3～11 m時，不均勻沉降變化較小，當回灌井位于距基坑邊緣11～17 m時，不均勻沉降變化較大。當回灌井距基坑邊緣14 m與17 m時，不均勻沉降分別增加了約324.81%與440.74%。

3.1.2 基坑地連墻水平位移

地連墻水平位移隨回灌井布置位置的變化曲線如圖11所示。地連墻最大水平位移shmax隨回灌井布置位置變化曲線如圖12所示。

由圖11可知，與無回灌時位移快速增大又快速減小不同的是，在回灌井布置位置不同的條件下，隨著深度的增加，地連墻水平位移先緩慢增大，在深度約為10 m處急劇增大，后又快速減小，最后逐漸趨近于0。且各地連墻水平變形走勢基本相同，最大墻身水平位移均出現(xiàn)在深度約為15 m處。隨著回灌井距離的增加，地連墻水平變形逐漸增大。同時，從圖中還可以看出，地連墻7～20 m深度范圍內(nèi)(0.4～1.1倍開挖深度的區(qū)域)為受回灌井布置位置影響相對顯著的區(qū)域。

由圖12可知，地連墻最大水平位移隨著回灌井與基坑邊緣距離的增加而逐漸增大，且接近線性變化?？梢越频卣J為，回灌井與基坑邊緣的距離每增加1 m，地連墻最大水平位移便增大0.96 mm。

3.1.3 地連墻彎矩

地連墻彎矩M、最大彎矩Mmax隨回灌井布置位置變化影響曲線如圖13、14所示。

由圖13可知，在回灌井布置位置不同的條件下，地連墻彎矩隨深度的變化走勢基本相同，除最大正彎矩區(qū)域內(nèi)彎矩數(shù)值有較為明顯的差異外，其余各對應彎矩值基本相同。最大彎矩及最小彎矩均位于深度約14.0 m及15.5 m處。由圖14可知，隨著回灌井與基坑邊緣距離的增加，地連墻彎矩逐漸增大，且近似為線性變化?？梢哉J為，回灌井與基坑邊緣的距離每增加1 m，地連墻最大彎矩便增大2.06 kN·m。

3.1.4 滲流場分析

當回灌井與基坑邊緣的距離d為3、17 m時，建筑物底部水位情況如圖15所示。由圖15可知，當回灌井分別位于距基坑邊緣3 m與17 m時，建筑物底部的水位高度分別為12.25 m與15.25 m。當回灌井與基坑邊緣的距離為17 m時，相對于3 m的情況，建筑物底部的水位被抬高了24.49%，表明回灌井與建筑物間的距離越小，對建筑物附近的水位控制效果越好。觀察土體內(nèi)水位曲面的形狀可知，回灌井與基坑邊緣的距離越大，對基坑附近土體水位控制的效果越差。

當d為3、11、17 m時，回灌井底部附近土體內(nèi)水的流徑如圖16所示。由圖16可知，當回灌井距離基坑較近時，降水井與回灌井兩濾水段間會直接形成流徑，這將直接降低基坑內(nèi)部降水井的降水效率，同時也將在一定程度上影響回灌井的水位控制效果。隨著回灌井與基坑邊緣距離的增加，這種影響則會逐漸減小。

縱觀基坑外部全部土體，當回灌井距建筑物較近時，雖然可以較好地控制建筑物附近土體的水位，但建筑物附近土體內(nèi)的水位變化并不大；而基坑附近的土體卻由于水位變化較為明顯而發(fā)生較為顯著的固結(jié)沉降，致使建筑物發(fā)生較大的沉降。而當回灌井距基坑較近時，降水井與回灌井又會互相“沖突”，無法盡最大程度控制基坑附近土體的水位，進而導致該部分土體的固結(jié)沉降無法得到最大限度的控制，最終導致建筑物沉降控制效果不佳。綜合考量，要想通過控制坑外水位變化來控制建筑物的沉降，回灌井需設置在距基坑邊緣7～11 m的范圍內(nèi)(0.4～0.6倍開挖深度的區(qū)域)。

3.2 回灌井傾斜角控制效果

依據(jù)上述分析結(jié)果，選定回灌井與基坑邊緣的距離為7 m進行回灌井傾斜角的研究。

3.2.1 建筑物沉降

建筑物鄰近基坑側(cè)沉降隨回灌井傾角變化曲線如圖17所示，由圖17可知，回灌井傾角越大，建筑物沉降越小，且接近線性變化?？梢越频卣J為，回灌井傾斜角度α每增加10°，建筑物沉降便減小0.71 mm。

建筑物不均勻沉降隨回灌井傾角變化曲線如圖18所示。由圖18可知，建筑物不均勻沉降隨著回灌井傾斜角度的增大而逐漸增大，且同樣接近于線性變化。可以認為，回灌井傾斜角度每增加10°，建筑物不均勻沉降便增大0.74 mm。

3.2.2 地連墻水平位移

地連墻水平位移隨回灌井傾角變化曲線如圖19所示。由圖19可知，在回灌井傾斜角不同的條件下，隨著深度的增加，地連墻水平位移先緩慢增大，后在同一深度處突然增大，后又快速減小，最后緩緩趨近于0。變形除頂部至10 m深度范圍內(nèi)有較大差異外，其余部分的走勢基本相同，最大墻身水平位移均出現(xiàn)在深度約為16 m處。同時，隨著回灌井傾斜角度的增大，地連墻水平變形逐漸增大。從圖中也可以看出，地連墻頂部0.5倍開挖深度區(qū)域為受回灌井傾斜角影響相對顯著的區(qū)域。

當回灌井傾斜角α為0°、30°時，回灌井側(cè)坑外土體內(nèi)水的流徑如圖20所示。

由圖20可知，回灌井在發(fā)揮作用時，會使得地連墻外側(cè)淺層土體中的水產(chǎn)生指向基坑外的流徑，進而在滲透力的作用下，降低該部分土體對地連墻的荷載。而當回灌井傾斜角發(fā)生變化時，則會改變該部分土中水指向坑外的流徑，進而增大該部分土體對地連墻的壓力。

地連墻頂部水平位移受回灌井傾角影響變化曲線如圖21所示。由圖21可知，地連墻水平位移隨回灌井傾角的增大而逐漸增大。當回灌井傾斜角在0°～10°時，相較于0°的情況，當傾角為10°時，位移增大了約9.42%。而當回灌井傾斜角在10°～30°時，相較于0°的情況，當傾角為20°、30°時，位移增大了約139.89%、359.42%。由此可見，當回灌井傾角在0°～10°時，基坑地連墻受影響較小。

3.2.3 地連墻彎矩

地連墻彎矩隨回灌井傾角變化影響曲線如圖22所示。

由圖22可知，隨著回灌井傾斜角的增大，地連墻彎矩逐漸增大。但彎矩變化的幅度卻很小，幾乎可以忽略不計。當回灌井傾斜角由0°增大到30°時，地連墻最大彎矩由113.75 kN·m增大到125.12 kN·m，彎矩僅增大了約10 %。

3.2.4 滲流場分析

當α為0°、30°時，建筑物底部水位情況如圖23所示?；毓嗑撞扛浇馏w內(nèi)水的流徑如圖24所示。

由圖23可知，當α分別為0°與30°時，建筑物底部的水位高度分別為13.08 m與18.87 m。當回灌井的傾斜角為30°時，相對于0°的情況，建筑物底部的水位被抬高了44.27%。同時也可以看出，回灌井的傾斜角度越大，對建筑物附近的水位控制效果越好。觀察兩圖土體內(nèi)水位曲面的形狀可知，回灌井的傾斜角度越大，水位得到控制的范圍越大。

由圖24可知，當回灌井按傳統(tǒng)形式布置時，由于兩井濾水段間所存在的直接流經(jīng)，會干擾基坑內(nèi)部的降水情況及坑外水位的控制能力。而當回灌井向著建筑物方向發(fā)生傾斜時，則會在一定程度上減少對基坑內(nèi)部降水的干擾，同時，提高對建筑物附近水位的控制效率。

綜合分析，當回灌井的傾角發(fā)生變化時，可以提高回灌井對坑外土體內(nèi)水位的控制面積與控制程度，進而減小坑外土體的固結(jié)沉降?？蓛A斜的角度也不宜過大，過大的傾斜會使得建筑物兩側(cè)產(chǎn)生過大的水位差，進而增大建筑物的不均勻沉降。同時，傾斜角過大也會增大坑外土體對地連墻的土壓力，進而增大地連墻的水平位移。因此，要想通過調(diào)整回灌井傾斜角來增大對坑外建筑的沉降控制效果，回灌井傾角應在10°～20°范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)隨著回灌井與基坑邊緣距離的增大，建筑物沉降、不均勻沉降、地連墻水平位移與彎矩均逐漸增大，其中地連墻水平位移與彎矩均接近為線性變化。建筑物不均勻沉降受回灌井布置位置影響較大，當回灌井位于距基坑邊緣11～17 m時，不均勻沉降最大可增加440.74%。

(2)隨著回灌井傾斜角的增大，建筑物沉降逐漸減小，不均勻沉降、地連墻水平位移與彎矩均逐漸增大，且均接近線性變化。地連墻水平位移受回灌井傾斜角影響較大，當回灌井傾斜角在20°～30°時，頂部水平位移最大可增加359.42%。

(3)地連墻水平位移在回灌井布置位置與回灌井傾斜角兩因素作用下的受影響顯著區(qū)是不同的。前者的受影響顯著區(qū)為地連墻0.4～1.1倍開挖深度的區(qū)域，后者的受影響顯著區(qū)為地連墻0.5倍開挖深度以上的全部區(qū)域。

(4)當回灌井處于距基坑邊緣0.4～0.6倍開挖深度時，回灌井對坑外土體沉降的控制效果較好。同時，將回灌井向建筑物方向傾斜10°～20°，也可以起到良好的沉降控制效果。

(5)無論是優(yōu)化回灌井的布置位置還是增大回灌井的傾斜角度，都將會影響到建筑物以及基坑自身的變形。因此，在選擇沉降控制方案時，需要進行全面、綜合的考量。對比之下，增大回灌井的傾斜角可以在對建筑物與深基坑工程本身造成較小影響的前提下，較好地控制建筑物沉降。