隔水帷幕对深基坑降水开挖变形控制的影响
陈凌铜 朱丹 杨超 曾怡婷 徐长节
摘 要：依托杭州沿江大道地下綜合管廊深基坑工程，土体采用HSS模型进行有限元数值模拟，分析基坑降水开挖下基坑及邻近管线的变形，模拟结果与监测结果吻合较好，验证了有限元计算模型和参数选取的合理性。基于模拟提出隔断式基坑降水优化方案，并研究稳态渗流下隔水帷幕插入深度不同时基坑及邻近管线的变形响应。结果表明：随着悬挂式隔水帷幕深度加深，坑内外水头差线性增大，围护结构侧移峰值线性增大，管线竖向位移、坑外地表沉降线性减小;相较于悬挂式隔水帷幕，隔断式隔水帷幕对控制基坑降水引起的坑外地表沉降及邻近管线变形均有着显著优势，但对于围护结构变形控制则不利。
关键词：降水开挖;隔水帷幕;基坑变形;渗流;HSS模型
中图分类号：TU46 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2020）04-0024-09
收稿日期：2020-06-11
基金项目：国家杰出青年科学基金（51725802）;国家自然科学基金（51878276）;浙江省自然科学基金委员会华东院联合基金（LHZ19E080001）;国家自然科学基金高铁联合基金（U1934208）
作者简介：陈凌铜（1987- ），男，主要从事水务排水及市政基础设施研究，E-mail：
252362747@qq.com。
徐长节（通信作者），男，教授，博士生导师，E-mail：
xucj@zju.edu.cn。
Received：2020-06-11
Foundation items：The National Science Fund for Distinguished Young Scholars （No. 51725802）; National Natural Science Foundation of China （No. 51878276）; Zhejiang Province Natural Science Fund Committee- East China Mutual Funds （No. LHZ19E080001）; National Natural Science Foundation of China-High Speed Railway Joint Fund （No. U1934208）
Author brief：CHEN Lingtong （1987- ）， main research interests：
water drainage and municipal infrastructure construction project management， E-mail：
252362747@qq.com.
XU Changjie （corresponding author）， professor， doctoral supervisor， E-mail：
xucj@zju.edu.cn.
Influence of waterproof curtain on deformation control of deep foundation pit dewatering and excavation
CHEN Lingtong1，ZHU Dan2，YANG Chao3，ZENG Yiting4，XU Changjie4，5
（1.Hangzhou Water Holding Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310009， P. R. China; 2. Hangzhou CBD Construction Development Co.， Ltd.， Hangzhou 310020， P. R. China; 3. Hangzhou Municipal Facilities Supervision Center， Hangzhou 310003， P. R. China; 4.Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， P. R. China; 5. Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， P. R. China）
Abstract：
Based on the deep foundation pit project of the utility tunnel of Yanjiang Avenue in Hangzhou， the HSS model was used for finite element numerical simulation to analyze the deformation of the foundation pit and adjacent pipelines under the dewatering excavation of the foundation pit. The simulation results are in good agreement with the monitoring results， which verifies the rationality of the finite element calculation and parameter selection. Based on the results， an optimized plan for dewatering of the partitioned foundation pit has been proposed， and the deformation response of the foundation pit and adjacent pipelines was studied when the penetration depth of the water-insulating curtain was different under steady-state seepage. The research results show that as the depth of the suspended waterproof curtain increases， the head difference of ground water between the inside and outside of the pit and the peak value of the lateral displacement of the retaining structure increases linearly， and the vertical displacement of the pipeline and the surface settlement outside the pit decrease linearly; Compared with the suspended waterproof curtain， the waterproof curtain has significant advantages in controlling the surface settlement outside the pit and the deformation of adjacent pipelines， however it is more unfavorable for the deformation control of the retaining structure.
Keywords：foundation pit excavation and dewatering; waterproof curtain; foundation pit deformation; seepage; HSS model
随着城市地下空间开发利用规模不断扩大，深基坑工程与既有建（构）筑物邻近的情况越发常见，基坑变形控制要求更加严格，工程降水对周边环境的影响也越来越得到重视，因此，基坑及周边环境变形控制研究在深基坑降水及开挖工程中具有重要意义。
徐长节等[1]运用PLAXIS就某基坑施工对邻近隧道的影响及变性控制方法进行了数值研究。陈志伟等[2]通过模拟分析了紧邻既有地铁隧道的深基坑开挖和降水的渗流场及变形。张治国等[3]研究了基坑降水及加固等施工措施对基坑开挖过程中地下连续墙水平侧移、坑外地层以及隧道变形的影响规律。谢康和等[4]和施成华等[5]推导了考虑渗流作用的基坑降水地表沉降计算公式。周念清等[6-7]模拟降水期间基坑内外地下水位分布，并研究了地连墙深度对地表沉降的控制作用。张军等[8]模拟了地连墙墙体厚度不同时的受力和变形特点。Zeng等[9-10]基于工程实测及有限元模拟研究了开挖前群井预降水问题，分析了基坑宽度、降水深度等因素对支护墙及周边环境变形的影响规律。Goh等[11]通过有限元分析研究了地下水下降作用下影响地基沉降性能的关键参数，并开发人工神经网络模型估计最大地面沉降。周勇等[12]和李大勇等[13]对深基坑降水开挖下邻近地下管线的变形进行了数值模拟研究。何绍衡等[14]建立三维流固耦合模型分析开挖前预降水深度、止水帷幕深度对基坑变形性状的影响。
对于存在邻近管线的基坑降水开挖这一复杂情况，往往采用隔断式基坑降水，隔水帷幕深入不透水层隔断基坑内外水力联系，但如果地下含水层深厚，由于造价和技术的限制隔水帷幕很難隔断含水层，此时将采用悬挂式隔水帷幕。悬挂式隔水帷幕降水需要考虑坑外水位及地下水渗流作用，现有相关研究仍有待完善。笔者基于邻近既有超大直径污水管线的杭州沿江大道地下综合管廊深基坑工程进行数值模拟分析，提出隔断式基坑降水开挖施工优化方案，并进一步模拟分析了稳态渗流情况下不同隔水帷幕深度的基坑和管线变形规律，可为相似工程的变形控制提供参考。
1 工程概况及模型建立
1.1 工程概况
杭州沿江大道地下综合管廊深基坑工程开挖长度约3 650 m，一般段基坑开挖宽度10.3～10.7 m，开挖深度5.0～16 m，基坑等级为一级。如图1所示，基坑附近有2根型号D2400的预应力钢筒混凝土污水管，需严格控制变形。污水管线埋深6.4～9 m，与基坑边缘净距约4.0 m。
场地地处钱塘江冲海积平原，场地地面标高一般6.50～12.50 m，地下水位平均标高为4.93 m。基坑涉及土层以杂填土、粉土、粉砂层为主，土体具有高压缩性且部分土层缺失，渗透性好，含水层厚度为20.0～26.4 m。隔水帷幕进入下部不透水层，采用隔断式基坑降水方法，以减小基坑外地下水，降低对周边环境变形影响。
基坑标准段围护结构主要采用钻孔灌注桩结合三轴水泥搅拌桩止水，本文模拟研究断面选取1 000 mm钻孔灌注桩围护段，基坑支护横剖面如图1所示。冠梁顶标高8.3 m，地下水位标高5.4 m，基坑开挖深度为9 m，宽度为10.7 m，围护结构采用1 000 @1 200钻孔桩，围护桩长26 m，三轴水泥搅拌桩隔水帷幕深入⑥1层不透水层超过2 m。内支撑采用1道800 mm×800 mm @8 000钢筋混凝土支撑，结合2道609×16 @4 000钢管支撑，第2、3道钢支撑分别施加1 000、800 kN预应力。基坑坑底两侧3 m裙边进行三轴水泥搅拌桩土体加固，加固深度为3 m，坑底加固与围护桩间隙采用高压旋喷桩注浆。两根既有污水管线位于基坑以南，走向与基坑基本平行，外径2.76 m，厚度0.18 m，管线中心埋深约6.5 m，管道中心距为3.5 m，管道与基坑净距4.0 m。坑内降水采用800 mm管井，管井间距10～15 m，之字型交错布置，施工期间地下水位控制在基坑底以下0.5 m。
1.2 有限元模型尺寸及参数
工程属狭长型基坑，基坑纵向开挖长度平行于管线方向，且大于9倍的开挖深度，基坑管线相互作用达到平面应变状态[15]，可简化为平面应变问题进行分析，故采用PLAXIS 2D建模分析计算，土体模型选取HSS模型（小应变土体硬化模型）。HSS模型考虑了土体在加载卸载再加载应力路径下刚度的不同，以及小应变状态下的刚度变化，适用于敏感环境下土体开挖及挡墙变形控制、隧道建设等问题的分析研究[16]。为减小边界条件对模拟的影响，模型水平边界至基坑边缘距离取5倍基坑开挖深度，且该距离超过基坑降水影响半径，模型深度取5倍开挖深度，所以，模型尺寸为120 m×50 m，模型示意图如图2所示。模型采用标准固定边界，即顶面自由，侧面设置水平约束，底面设置固定约束。水力边界设置为底部闭合，左右边界设置为渗流边界。
根据工程地质勘察报告，并结合已有工程模拟及试验经验[17-18]，模型土层参数取值如表1所示。γsat由式γsat=γwe1+e+γ1+w计算得到，其中w为含水率，e为孔隙比，γW为水重度。Gref0由式Gref0=ρV2s确定，其中ρ为土体密度，Vs为现场波速测试结果。本文取割线模量减小到70%初始值时的剪切应变水平γ0.7=0.000 2，但对于黏土层，取γ0.7=0.000 3。其他参数取建议值[19]：取卸载再加载泊松比vur=0.2，静止土压力系数K0=1-sin ′，破坏比Rf=0.9，剪胀角ψ取默认值0。加固区土体采用摩尔库伦模型，仅考虑加固对土体模量和强度的提升，不考虑加固区对渗透系数的影响，加固区模量为初始模量的3倍。
土体采用15节点三角形平面应变单元模拟，钻孔灌注桩围护结构采用板单元模拟，桩与土体间采用界面单元模拟，隔水帷幕通过设置界面单元透水性模拟其截水性能，内支撑采用锚定杆单元模拟，管道采用板单元模拟。具体参数如表2、表3所示，钻孔灌注桩按抗弯刚度相等的原则等效成一定厚度连续墙，由bt312=πd464/1.2计算得等效厚度t=0.789 m，其中b为地连墙长度，此处取每延米;d为钻孔灌注桩直径。
模拟工况如表4所示，模拟步骤通过激活相应结构或者冻结相关土层实现。模拟不考虑由管线施工产生的变形，故生成既有管线后需进行位移清零，HSS模型重置位移为零后，会重置模型中土体的应变历史张量，这将使得当前计算阶段重新计算应变。降水模拟可通过设置水头实现，地下水位控制在开挖面以下0.5 m。算例隔水帷幕深入不透水层超过2 m，完全切断坑内外的水力联系。通过将坑底1 m以上的土体设为干类组，并将坑底1 m以下土体水头设为-9.5 m，并将坑底不透水层⑥1的水位设置为内插，以实现坑内降水。由于工程案例不涉及地下水渗流，孔压计算类型选用潜水位。
2 模拟结果验证
为验证模型的可靠性和参数取值的合理性，将模拟结果与现场实测数据进行对比，图3所示为围护结构水平位移的模拟值与实测值，模拟得到的曲线与实测曲线基本吻合，且变形形式相同;14 m以下深度监测值略小于模拟值，但二者差距小于2 mm，且此处非危险截面，故误差影响可忽略。此外，模拟得到的管线1、2变形如图4所示，管线1、2竖向位移增量分别为4.41、3.71 mm，管线1、2沉降监测的平均值分别为4.02、3.60 mm，误差均在10%以内。此误差在合理范围内，可验证模型的合理性。
3 隔断式基坑降水方案优化
由于隔水帷幕深入不透水层，切断了基坑内外水力联系，隔断式基坑仅需疏干坑内地下水即可。为了优化隔断式基坑降水方案，调整本工程施工工况进行模拟，对比3种施工方案对工程的影响，分别为如表4所示的原方案：分级降水开挖;方案1：先进行一次性坑内降水，再逐级开挖;方案2：先加第一道支撑，再进行一次性降水，最后逐级开挖。
图5、图6所示为各方案围护结构侧移和地表沉降，3个方案围护结构变形和地表沉降形式相同，变形峰值所在位置相同;方案1围护结构侧移和地表沉降均大于原方案，方案1围护结构侧移峰值比原方案大15.7%，地表沉降峰值比原方案大23.1%;方案2围护结构侧移和地表沉降均与原方案几乎一致。此外，方案1、2管线总位移分别为原方案的1.3倍和1倍。可见隔断式基坑降水方案的差异对周边沉降控制及管线变形仍然具有较大影响，在降水作用下，围护结构由于坑内外的水头差受到侧向水压力，发生侧移，降水前先加支撑可由支撑和土体共同承担侧向水压力，减小开挖前降水的影响。故隔断式基坑降水可考虑先加第一道支撑，随后一次性疏干坑内地下水，再进行开挖的施工方案，既可以减小降水对基坑变形控制的不利影响，又能简化施工过程，节省工期，节约造价。
4 参数分析
为研究隔水帷幕深度对基坑降水开挖变形控制的影响，分别设置隔水帷幕深度为10、12、14、16、18 m，分析地下水渗流场，以及围护结构侧移、地表沉降、邻近管线变形响应规律。由于隔水帷幕未切断坑内外水力联系，降水及开挖阶段的孔压计算类型选用稳定渗流分析，通过设定坑内外水头设置基坑降水水力边界条件;通过激活不同深度挡墙界面在渗流分析中的活性，实现不同深度隔水帷幕的设置。
4.1 不同深度隔水帷幕稳态渗流场分析
图7所示为不同深度隔水帷幕对应稳态渗流场，由图可见流速最快处为坑角，水流在隔水帷幕底部会出现绕流，在管线处也可以观察到饶流现象，流速越大，绕流现象越明显。坑底水位埋深为9.5 m，10 m深度隔水帷幕对坑底降水的坑外补给阻拦作用较小，坑外浅层地下水水平流向基坑，深层地下水斜向上流向基坑;当隔水帷幕深度增大，坑壁外侧地下水流向沿隔水帷幕向下，到了隔水帷幕以下区域，地下水流向基本水平。
4.2 不同深度隔水帷幕对工程变形影响分析
图8所示为不同深度隔水帷幕对应的基坑右侧围护结构变形，隔水帷幕深度对围护结构变形分布形式没有影响，但对变形的大小影响较大。隔水帷幕插入深度越深，对应的围护结构变形越大，10～18 m隔水帷幕对应的围护结构变形峰值分别为隔断式隔水帷幕的70.3%、73.9%、77.4%、81.3%、85.8%，可见，随着隔水帷幕深度加深，围护结构变形峰值基本呈等差增长。隔水帷幕设置越深，坑外水头变化越小，坑内外水头差越大，围护结构受到的侧向水压力越大，且在稳态渗流下围护结构还受到向坑内的渗流力;同时，由于圍护结构外侧渗流场向下，土体受到向下的渗流力，重力增大，主动土压力增大，坑内受到向上的渗流力，重力减小，被动土压力减小，对围护结构变形更为不利。不同隔水帷幕深度对应的坑内外水头差如图9所示，将12～18 m深度隔水帷幕进行线性拟合得到图9中的表格，R2大于0.99，可见，坑内外水头差随隔水帷幕加深呈线性减小。但当深度大于18 m后，水头差迅速增大，这是由于20 m以下为不透水层，当隔水帷幕接近隔水底板时，此线性规律将不再适用。
图10所示为不同深度隔水帷幕对应基坑右侧的坑外地表沉降，由图可见，隔水帷幕插入深度越大，地表沉降越小，沉降分布形式及峰值所在位置与隔断式基坑相同。10、18 m隔水帷幕的地表沉降峰值分别比隔断式基坑大86.7%、52.1%，这是由于隔水帷幕深度越大，坑外水位变化越小，由降水引起的附加应力越小，土体沉降越小。虽然坑外地表沉降随着隔水帷幕加深得到有效控制，但在沉降控制要求严格的区域施工，还是选用隔断式隔水帷幕为优。
图11所示为各项位移相对值随隔水帷幕深度变化，w为不同深度隔水帷幕对应的位移，w0为隔断式隔水帷幕对应的位移，可见，各项位移随隔水帷幕深度变化趋势基本呈线性，线性拟合见表5。各曲线的线性相关数接近于±1，说明各项位移与隔水帷幕深度相关性很强，管线竖向位移和地表沉降与隔水帷幕深度呈负相关，其余两项位移与隔水帷幕深度呈正相关;管线水平位移、地表沉降、围护结构位移拟合方程的R2均大于0.97，且调整后R2与R2差距小于0.01，说明线性拟合度非常高;管线竖向位移的调整后R2也接近0.9，线性拟合度较好，但低于其他3条绘图的拟合度，这是由于管线竖向位移与围护结构变形以及地表沉降均有着密切联系，而围护结构变形和地表沉降与隔水帷幕深度之间的相关性相反，所以导致管线竖向位移的线性拟合度稍差。管线水平位移的斜率只有0.004 48，管线竖向位移斜率为水平位移的10倍，可见隔水帷幕深度对管线水平位移的影响可以忽略，对管线竖向位移影响较大，这是因为管线竖向位移与所受竖向附加应力有直接关系，隔水帷幕深度对坑外水位影响较大，从而影响附加应力，而管线水平方向主要受渗透力影响，渗透力较小，往往可忽略。
5 结论与建议
基于工程实例进行数值模拟分析，提出隔断式基坑降水开挖施工优化方案，并进一步改变隔水帷幕深度进行系列模拟，分析了渗流场分布及坑内外水头差变化规律，并得到隔水帷幕对基坑围护结构及周边环境变形的影响规律，主要结论如下：
1）采用PLAXIS有限元软件进行模拟研究，土体模型采用HSS模型，模拟结果与监测结果吻合较好，有限元计算模型和参数选取合理，可为相关工程数值分析提供参考借鉴。
2）隔断式基坑降水可采用先施工第一道支撑，再一次性降水到坑底的施工方案，该方案既可以有效控制降水对基坑及周边建构筑物变形的影响，又可以简化施工工序，节省工时，节约造价。
3）采用悬挂式隔水帷幕隔水时，当隔水帷幕远离不透水层时，随着隔水帷幕深度加深，坑内外水头差线性增大，围护结构位移线性增大，邻近管线竖向位移、坑外地表沉降线性减小;切断坑内外水力联系对控制坑外地表沉降及邻近管线变形均有着显著优势，但对于围护结构变形控制更为不利。参考文献：
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（编辑 胡玲）
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