李旭輝

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著地鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，基坑開挖深度逐漸增加，由此導(dǎo)致地下水問題，尤其是在地下水豐富且土層的滲透性強的地區(qū)，對地下水的控制更為重要。基坑降水施工中，基坑內(nèi)外形成水位差，坑外地下水向坑內(nèi)滲流，使土體應(yīng)力場和滲流場發(fā)生變化，在滲流力作用下可能導(dǎo)致坑內(nèi)出現(xiàn)噴涌和管涌現(xiàn)象，坑外則出現(xiàn)地表及周邊建筑物沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生[1]。本文研究結(jié)合某地鐵車站工程，采用有限元分析軟件PLAXIS建立平面模型，分析了富水砂卵石地層基坑開挖時考慮地下水滲流作用對基底隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及地表沉降的影響，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到了有益的結(jié)論，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

本站基坑埋深約18.0m，車站主體結(jié)構(gòu)長216m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20m，車站為地下兩層框架結(jié)構(gòu)。車站頂板覆土厚約3.12m，車站主體采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下800mm連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式。

基坑底部主要為透水性強的圓礫及卵石層，且周邊建筑物密集，為保證基坑開挖過程中，基坑及周邊構(gòu)筑物的安全，基底采用了袖閥管注漿加固措施，車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面形式如圖1所示。

2 計算原理

法國工程師達(dá)西（Darcy）進(jìn)行了大量的滲透實驗，得到了層流條件下，土中滲流速度與能量（水頭）損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即達(dá)西定律（Darcy's Law），建立了如下關(guān)系式：

式（1）中：q為滲透流量；k為反映土的透水性的系數(shù)，相當(dāng)于水力梯度i=1時的滲流速度；P為試驗裝置中土樣的斷面積；h1-h2為水頭差。由式（1）可知，滲透流量q與斷面積P及水頭差h1-h2成正比，與滲流長度l成反比，且與滲透系數(shù)有關(guān)，達(dá)西實驗認(rèn)為橫截面平均流速等于截面上任一點的滲流速度，引入水力梯度可表示為：

式（2）中：V為滲透流速；H為水頭；L為流線方向水頭面之間的距離。推廣到三維情況，微分形式的達(dá)西定律表示為：

式（3）中：V在笛卡爾坐標(biāo)系中沿x，y，z方向的分量分別為Vx，Vy，Vz，當(dāng)滲流發(fā)生在均勻各項同性介質(zhì)中時，k是不變的，則有：

對非均勻各向同性介質(zhì)k=k(x,y,z)依然成立。

3 PLAXIS有限元建模

3.1 計算模型

采用PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬，車站基坑是一個狹長基坑，在寬度方向上工程地質(zhì)條件差別不大，且?guī)缀螌ΨQ，采用基坑寬度的一半進(jìn)行平面問題計算，基坑寬度為20m，取其1/2為10m，根據(jù)模擬得到的結(jié)果及工程實踐經(jīng)驗，模型的計算寬度取3～4倍開挖深度，計算深度取2～4倍開挖深度，有限元模型的尺寸取60m×45m。根據(jù)施工現(xiàn)場情況考慮施工車輛、設(shè)備及材料等，地面超載按20kPa計算，模型如圖2所示。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 土體

根據(jù)該車站巖土工程勘察報告以及現(xiàn)場試驗得到各土層計算參數(shù)如表1。

表1 各土層主要計算參數(shù)

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土連續(xù)墻采用線彈性模型用板單元模擬；混凝土內(nèi)撐和鋼支撐都用錨錠桿模擬，具體計算參數(shù)如表2所示。

表2 圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 開挖引起的滲流場分析

當(dāng)基坑內(nèi)地下水位降至坑底以下0.5m，基坑開挖至基坑底部設(shè)計高程時，坑內(nèi)外有較大的水位差，當(dāng)考慮地下滲流時，由降水引起的滲流場如圖3所示。

由圖3可知，砂卵石地層滲透系數(shù)大，當(dāng)基坑內(nèi)外形成水位差時，地下連續(xù)墻不透水，導(dǎo)致坑外的地下水繞過地下連續(xù)墻底部向坑內(nèi)滲流，且在地連墻墻腳處滲流速度最大，由此產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了向上的滲流力，導(dǎo)致基坑開挖降水過程中滲流場及應(yīng)力場的變化。

4.2 滲流作用對周邊土體沉降影響分析

計算選取的斷面為車站中心里程處的斷面，在車站中心里程處的東西側(cè)地表分別布置了6個地表沉降觀測點，點號分別為A017～A022，A049～A054。由于東西兩側(cè)的測點位置及監(jiān)測結(jié)果基本一致，在基坑開挖至基坑底面時，選取A017～A022六個測點處的地表沉降監(jiān)測值與計算值進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖4中考慮滲流、不考慮滲流兩種不同情況下的計算值以及現(xiàn)場監(jiān)測值可以看出，三條沉降曲線的走向基本一致，在遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，沉降量最大值大致處于墻后9m左右的位置，且考慮滲流條件下沉降值最大為34mm左右，比不考慮滲流條件的最大值27mm增加了近26%。隨著前后距離的增大，3條曲線逐漸趨于緩和。根據(jù)考慮與不考慮滲流兩種情況對比，滲流作用對基坑周邊土體沉降影響很大。根據(jù)有效應(yīng)力原理土層中的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加上孔隙水壓力，在坑內(nèi)進(jìn)行降水作業(yè)中，隨著孔隙水壓力的降低，必然會增加土中的有效應(yīng)力，促使其壓密含水層，導(dǎo)致地表土層的沉降[2]。

4.3 滲流對基底隆起的影響分析

在開挖至基坑底面后，在基坑中心里程處布置13個觀測點觀測基底隆起量，點號為L040～L052。由于數(shù)值模擬采用1/2基坑寬度進(jìn)行模擬，所以采用L040～L046七個測點處的監(jiān)測值和計算值進(jìn)行對比分析，基坑底部隆起的主要原因是基坑開挖過程就是一個底部土體卸載過程，在土體卸載過程中土體原有的平衡被打破，底部土體回彈。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對土體產(chǎn)生的擠壓也是基坑隆起的原因。

由圖5中不考慮滲流、考慮滲流影響下開挖至基底時基底隆起曲線及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)隆起曲線可知，三條曲線走向大致相同，坑底隆起量隨著墻后距離的增加而增大；不考慮滲流條件下，由于地下連續(xù)墻與土的相互作用，墻后距離近的土體變形較小，考慮滲流條件下由于存在滲流場降低了地下連續(xù)墻與土的相互作用，使墻后土體隆起量較不考慮滲流條件下隆起量大，基坑中部的隆起量為36mm左右，較不考慮滲流條件下的28mm增加了約29%，表明滲流作用對基底回彈變形影響明顯[3]。

4.4 滲流對地下連續(xù)墻的水平位移影響分析

地下連續(xù)墻水平位移的監(jiān)測采用測斜管監(jiān)測，在基坑四周每隔20m布置測量斷面，選取中心里程處的測量斷面C008，提取水平位移數(shù)據(jù)并與模擬得到的地連墻水平位移計算值進(jìn)行對比，如圖6所示。

由圖6可知，三條曲線走向基本一致，地連墻水平位移量在深度方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，未考慮滲流耦合時地連墻最大水平位移量為13.52mm，考慮滲流耦合時最大水平位移量為18.78mm，增加近38%，考慮滲流與不考慮滲流條件下地連墻底部的位移量分別為1.4mm與7.18mm，底部位移變化量尤為明顯。

由以上分析可知，基坑開挖降水中的滲流作用對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響很大，滲流作用增大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土的有效應(yīng)力，減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土的有效應(yīng)力，離墻體越近的位置滲流速度越快，產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮滲流作用下增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量[4]。地表沉降、坑底隆起及地連墻水平位移中現(xiàn)場取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬得到的計算結(jié)果比較吻合，驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在地下水位高且土的透水性強的地層中，進(jìn)行深基坑施工時采用基底注漿加固是一項有效防止?jié)B流的措施，對控制地表沉降、坑底隆起及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移都有較好的效果。

5 結(jié)論

本文依托某地鐵車站工程，利用有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)已取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程在坑內(nèi)進(jìn)行降水過程中，由于水位差的存在會形成滲流場，產(chǎn)生的滲流力在基坑外側(cè)方向斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了向上的滲流力，滲流速度在地連墻附近最大。

（2）地表沉降曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下均呈現(xiàn)拋物線的形狀，最大沉降值發(fā)生位置基本一致，考慮滲流比不考慮滲流條件下，每一點的沉降值都較大，滲流作用對地表沉降的影響大。

（3）坑底隆起曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下變化趨勢基本一致，隨著墻后距離的增加而增大，由于地下連續(xù)墻與土的相互作用，兩種條件下地連墻附近坑底隆起量較基坑中心的隆起量小，考慮滲流比不考慮滲流條件下，每一點的隆起量都較大，滲流作用對坑底隆起的影響大，可以采取基底加固措施防止?jié)B流的影響。

（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線在考慮滲流與不考慮滲流條件下走向基本一致，由于存在滲流場，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的有效應(yīng)力發(fā)生變化，增大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力，增加了變形量。因此，滲流作用對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響大，應(yīng)適當(dāng)采取加固措施。

（5）現(xiàn)場監(jiān)測值形成的曲線與基坑隆起、地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線趨勢基本一致，由于施工中采用袖閥管進(jìn)行注漿加固，而模擬時并未考慮，現(xiàn)場監(jiān)測值曲線中每一點變形量都比模擬計算得到的曲線小，與實際工程相符，說明基坑加固作為防滲的一項措施，可以有效抑制滲流，從而保證基坑的安全。