葉可炯

[上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200331]

0 引 言

近年，隨著我國城市地下空間開發(fā)的快速發(fā)展，超深基坑工程與日俱增，且臨近建（構(gòu)）筑物的密度越來越大，給基坑開挖的環(huán)境擾動(dòng)控制帶來了一系列的挑戰(zhàn)[1-7]。超深基坑施工的環(huán)境擾動(dòng)往往與許多因素相關(guān)，其中以地下連續(xù)墻的變形與接縫滲漏的影響最為顯著。

近十年來，地下連續(xù)墻的滲漏問題得到了逐步認(rèn)識(shí)和重視[8-11]。谷湘泉[9]通過對南昌地鐵一號(hào)線車站深基坑地下連續(xù)墻的滲漏水部位和滲漏量值進(jìn)行分析，得出以下兩點(diǎn)主要原因：（1）混凝在澆筑過程中受鋼筋約束，墻縫位置混凝土澆筑困難易產(chǎn)生離析，引起地墻縫處混凝土不密實(shí)而出現(xiàn)縫隙，從而引發(fā)滲漏；（2）地下連續(xù)墻在接縫處的夾泥也是造成地下連續(xù)墻滲漏的主要原因之一。國內(nèi)外大量學(xué)者的研究主要集中在對超深地下墻的滲漏檢測方法：聲吶法、電滲法、光纖測溫法、CT 成像法等的探索研究[10，11]，對基坑變形與滲漏的關(guān)系尚缺乏深入研究，特別是深基坑開挖工序及空間效應(yīng)導(dǎo)致的變形不均勻性引起的地下墻接縫張開問題，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

但是，國內(nèi)地鐵車站滲漏很多是發(fā)生在施工開挖到一定深度并產(chǎn)生較大變形后[12]，證明超深基坑的滲漏不僅由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的缺陷造成，基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)因開挖的空間效應(yīng)而產(chǎn)生的縱橫向不均勻變形，可能會(huì)使得地墻接縫出現(xiàn)某種程度的錯(cuò)動(dòng)張開，進(jìn)而也造成坑內(nèi)外水土連通。因此，本課題結(jié)合上海北橫通道某深基坑工程，采用數(shù)值模擬方法分析基坑開挖全過程地下墻的三維變形規(guī)律，建立基坑不同槽段部位變形與其接縫張開的關(guān)系，進(jìn)而判斷基坑地下墻接縫滲漏的安全，從而可為深基坑設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供有益的補(bǔ)充和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海楊樹浦港盾構(gòu)工作井開挖深度約為30.5 m，基坑外尺寸為74.8 m×（24.4～34.8）m（長×寬），圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1.2 m 的地下連續(xù)墻，長63 m，地下連續(xù)墻之間接縫采用銑接頭。內(nèi)襯厚度1.2 m，豎向設(shè)置6 道鋼筋混凝土支撐，見圖1、圖2。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

圖2 基坑支撐結(jié)構(gòu)平面示意圖（單位：mm）

工作井基坑采用順作法施工，從上往下依次開挖、澆筑第一至第六道支撐及圍檁（圍檁的詳細(xì)參數(shù)見表1，基坑施工工況見表2）。其中，盾構(gòu)穿越工作井時(shí)，部分內(nèi)襯墻、底板與B1 板（下二層板）已澆筑完畢，第三至第六道支撐已拆除，第一道與第二道支撐保留，阻礙盾構(gòu)過井的格構(gòu)柱已割除。盾構(gòu)過井完成后，由下向上依次澆注中隔墻、梁柱、B2～B4 板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，拆除第二道支撐，澆筑頂板。待頂板滿足強(qiáng)度要求后，拆除第一道支撐。上述結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后，鑿除剩余格構(gòu)柱，補(bǔ)澆筑孔洞，回填覆土，恢復(fù)交通。

表1 工作井基坑混凝土支撐截面

表2 施工工序

1.2 周邊環(huán)境與地質(zhì)條件

基坑周邊環(huán)境見圖3，基坑南北側(cè)為翻交后保持通行的周家嘴路，基坑北側(cè)有楊浦區(qū)中小企業(yè)園區(qū)（1～5 層磚混結(jié)構(gòu)距離基坑約9.73 m）、中化道達(dá)爾站（距離基坑約46 m）；基坑西側(cè)有楊樹浦港及其橋梁（距離基坑約64.14 m）；基坑南側(cè)有正在拆遷二鋼廠。需要保護(hù)的敏感建構(gòu)筑物較多，基坑安全等級及環(huán)境保護(hù)等級均按一級考慮，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與滲漏應(yīng)得到嚴(yán)格的控制。

圖3 基坑周圍環(huán)境圖

地層分布見圖1，自上而下為①1填土、②1褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土、③t黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤3-1粉質(zhì)黏土、⑤3t灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑧2t粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑧2粉質(zhì)黏土與粉砂互層、⑨1灰色粉砂。⑨灰色粉砂?；涌拥孜挥冖?-1粉質(zhì)黏土。

工程場地淺部地下水屬潛水類型，常年平均地下水位埋深為0.5～0.7 m。據(jù)地質(zhì)勘察資料，⑤3t層為微承壓水層，⑧2層、⑧2t層、⑨層為承壓水含水層并呈連通狀態(tài)。據(jù)上海地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，⑤3t微承壓水層水位埋深在3～11 m，⑧2、⑨層承壓含水層水位埋深在3～12 m。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 土體本構(gòu)模型及參數(shù)

為了模擬基坑開挖過程中土體存在的小應(yīng)變階段的非線性、應(yīng)力相關(guān)等特性，采用土體小應(yīng)變硬化模型（HHS）。土體的實(shí)際參數(shù)取值參考顧曉強(qiáng)[12]等研究，具體參數(shù)見表3。

表3 土體材料參數(shù)及取值

2.2 三維數(shù)值模型的建立

模型平面尺寸按地下連續(xù)墻深度的3 倍取值為200 m×200 m。考慮地下連續(xù)墻接縫對三維空間計(jì)算收斂及效率的影響，本模型將對地下連續(xù)墻進(jìn)行以下簡化：

（1）將地下連續(xù)墻視為連續(xù)的整體，建模時(shí)忽略接縫的影響；

（2）考慮到轉(zhuǎn)角混凝土腋角的存在，認(rèn)為轉(zhuǎn)角處為剛性。

計(jì)算模型見圖4。

圖4 深基坑三維計(jì)算模型

3 地下連續(xù)墻側(cè)向變形分析

3.1 地下連續(xù)墻側(cè)向位移的豎向變化規(guī)律

地下連續(xù)墻的側(cè)向位移變形云圖見圖5。可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)向位移最大發(fā)生在開挖面附近（-35.84 m）處，在第五～ 第六層支撐之間也較大。進(jìn)一步作出地下連續(xù)墻側(cè)移的豎向分布見圖6，可見隨著開挖深度不斷增加，地下連續(xù)墻的側(cè)向位移逐漸增大，同時(shí)最大側(cè)向位移點(diǎn)逐漸下移始終保持在開挖面附近。最終在基坑開挖到底時(shí)，坑底附近變形為最大。

圖5 地墻側(cè)向變形云圖

圖6 地下連續(xù)墻側(cè)向變形分布隨土體開挖變化

3.2 基坑長短邊最大側(cè)向位移的變化規(guī)律

基坑地連墻的長短邊在埋深36 m 處（由圖5 可知為最大側(cè)向變形位置附近）的最終水平位移分布見圖7，在土體卸荷的作用下，地連墻的長短邊均向基坑內(nèi)部發(fā)生形變，且均在拐角處變形較小，在地連墻中部變形較大，變形呈近似拋物線分布，基坑邊長越長變形越大，這與空間效應(yīng)吻合。

圖7 地下連續(xù)墻變形水平分布（z=-36 m）

4 地下連續(xù)墻接縫變形與滲漏風(fēng)險(xiǎn)分析

通過圖7 地下連續(xù)墻的變形可以看出，沿墻體法向的變形是由基坑外側(cè)指向基坑內(nèi)側(cè)且位移較大，是最主要的變形。

對本工程基坑北側(cè)17 幅地下墻（見圖2），從左到右將其編號(hào)為1-17，分別對其開挖面（深度30 m）處側(cè)向變形曲線進(jìn)行線性擬合，然后根據(jù)直線段斜率來求得每幅地下墻的轉(zhuǎn)角（見圖8 及式（1））。為考慮基坑角部空間效應(yīng)及地墻轉(zhuǎn)角槽段剛性影響，對轉(zhuǎn)角槽段擬合時(shí)將直線段截距取為0?？傻玫叵逻B續(xù)墻段間相對轉(zhuǎn)角見表4。

表4 地下連續(xù)墻段之間相對轉(zhuǎn)角 單位：（°）

圖8 相對轉(zhuǎn)角計(jì)算示意圖

式中：θ 為地墻接縫相對轉(zhuǎn)角；a1、a2分別為相鄰兩段地墻的變形斜率。

為了更直觀表示轉(zhuǎn)角隨位置的變化關(guān)系，變化趨勢制見圖8?？梢钥闯龅叵逻B續(xù)墻在基坑邊兩端部的2-3 幅地墻相對轉(zhuǎn)角明顯大于中間部位轉(zhuǎn)角，且越靠近端部增加較快。最大轉(zhuǎn)角分別發(fā)生在基坑北側(cè)左右兩端鄰近轉(zhuǎn)角槽段的地下墻接縫。應(yīng)該指出的是，本文中由于將基坑邊轉(zhuǎn)角槽段考慮為剛性，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)角處相鄰槽段相對轉(zhuǎn)角偏大。如果轉(zhuǎn)角處槽段發(fā)生一定轉(zhuǎn)動(dòng)，則使得該處鄰近槽段相對轉(zhuǎn)角減小。但是，基坑鄰近角部的相對轉(zhuǎn)角大于中部的總體趨勢不變。

根據(jù)地墻厚度為1.2 m，采用式（2）計(jì)算得出每段地墻接縫間的最大寬度見表5。接縫張開最大為17.15 mm，張開較大，存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。地墻中間的接縫均存在不同程度的變形，為了更直觀體現(xiàn)接縫的變化情況，作圖如圖9 所示。地下連續(xù)墻接縫張開寬度分布見圖10。

圖9 地下連續(xù)墻接頭轉(zhuǎn)角分布（單位：°）

圖10 地下連續(xù)墻接縫張開寬度分布（單位：mm）

表5 地下連續(xù)墻段之間接縫張開寬度

式中：d 為地墻厚度；l 為接縫張開寬度；θ 為接縫轉(zhuǎn)角。

根據(jù)以上對地下連續(xù)墻接縫變形分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在垂直方向，滲漏多發(fā)生在基坑開挖面附近，及圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大處；

（2）靠近基坑轉(zhuǎn)角的地下連續(xù)墻接縫相對變形較大，易出現(xiàn)滲漏；

（3）在基坑邊中部，墻體的相對轉(zhuǎn)角較小，但總位移較大，也是薄弱點(diǎn)。

因此，對長邊基坑的深部進(jìn)行局部地基加固或支撐加強(qiáng)控制基坑變形是有效防止基坑因圍護(hù)墻體變形造成滲漏的有效手段。

5 結(jié) 論

采用三維數(shù)值模擬手段對上海某深基坑超深地下連續(xù)墻的變形進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移及位置隨開挖深度增大而下移。當(dāng)基坑開挖深度大于12 m 及20 m兩個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)側(cè)向位移增長速度顯著。平面上來看，地下連續(xù)墻的最大水平位移發(fā)生在基坑單邊的中點(diǎn)附近，向兩側(cè)逐步減小，這主要是基坑角部空間剛度大于側(cè)邊的效應(yīng)引起的。

（2）與側(cè)向變形分布規(guī)律不同，基坑的接縫轉(zhuǎn)角與張開大小則是由基坑邊中點(diǎn)向兩端逐漸增大，這說明地下墻接縫張開滲漏的危險(xiǎn)點(diǎn)并不是發(fā)生在基坑中點(diǎn)最大側(cè)向變形處，而是基坑邊中部與角部之間、靠角部較近的位置。

（3）通過對基坑長短邊的墻體位移分析，當(dāng)開挖深度較大時(shí)，長邊位移較短邊位移明顯增大，因此對長邊基坑的深部進(jìn)行局部地基加固或支撐加強(qiáng)是控制基坑變形的重要手段。