0 引言

　　 随着我国城市化进程的迅速发展,地铁以其快速、安全、舒适等便民利民的特点,在许多城市交通中已负担起主要的乘客运输任务。在地铁修建过程中,由于城市地下环境的复杂性,如地下各种管线、建筑物地下基础等,需要严格控制其沉降变形,这对深基坑开挖控制土体变形措施提出了更高的技术要求。为避免由于深基坑降水开挖引起地表不均匀沉降而导致路面开裂、建筑物倾斜等安全事故,工程界对深基坑工程中灌注桩+旋喷桩的支护方案展开了多方面的研究 ^[1,2,3,4]。安关峰等 ^[5]采用基于MIDAS-GTS的三维有限元分析技术,通过改变旋喷群桩的布置方式、桩弹性模量、桩长、桩径、桩距等设计参数对旋喷群桩复合地基承载特性的影响进行了研究。刘红军等 ^[6]对青岛三星数码大厦基坑工程进行数值模拟计算,通过分析模拟得到基坑与支护结构的变形结果发现,旋喷桩止水锚杆能够明显地改变岩土组合地层中土体的应力分布,对基坑变形有很好的约束作用。周济民等 ^[7]通过调研国内基坑止水技术的应用现状,分析地下连续墙、钻孔咬合桩、旋喷桩和SMW桩的特点及其适用条件,论证了高压旋喷桩止水帷幕形式非常适用于富水砂卵石地层。

　　 目前,多数研究只集中在止水帷幕施工工艺的改进上,或者只集中在止水帷幕对土体的承载特性影响上,而对灌注桩+旋喷桩止水帷幕的降、止水和支护效果的研究鲜见报道,特别是在富水砂卵石地层,深基坑需要开挖至岩层时,对止水帷幕嵌入岩体深度的分析更需要进一步地研究。本文以长沙市轨道交通5号线二标晚报大道站深基坑工程为例,根据其所在区域的地层特点、地下水情况,制定止水帷幕水平位移和基坑周边地表沉降的监测方案,并对监测数据进行了分析; 采用ABAQUS对该基坑施工进行全过程数值模拟,在模拟过程中考虑止水帷幕的嵌入岩体深度和渗透等级对降水开挖过程中地表沉降及止水帷幕水平位移的影响,依据实际监测数据,在工程实践中分析止水帷幕和支护结构的作用效率,可为富水砂卵石地层深基坑止水帷幕的合理设计与基坑安全施工提供参考依据。

1 工程概况

1.1 车站概况

　　 长沙市轨道交通5号线二标晚报大道站位于万家丽路与晚报大道交叉路口。车站基坑全长325.5m,标准段基坑宽22.9m、深19.184m,盾构井处基坑宽26.8m、深20.194m,换乘处基坑深度为28.084m。车站范围内现有地面较平坦,车站中心里程处地面高程为32.00m。车站两端均采用盾构法施工,本车站采用明挖法施工。车站深基坑开挖面积约7 633.4m²,基坑环境平面图如图1所示。

　　 图1 基坑环境平面图  

1.2 工程及水文地质概况

　　 车站深基坑施工场地范围内地层从上至下分别由素填土、杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、中粗砂、圆砾、卵石、残积粉质黏土、强风化砾岩、中风化砾岩等构成。将相邻且岩、土性质相近的土层简化后,地层结构共分为5层:第一层为填土层(素填土、杂填土),第二层为粉质黏土层(淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土),第三层为细沙圆砾层(粉细砂、中粗砂、圆砾、卵石、残积粉质黏土),第四层为强风化砾岩层,第五层为中风化砾岩层。工程地质情况见图2。

　　 图2 工程地质剖面图   

　　 本工程场地包含松散岩层孔隙水(上层滞水、孔隙承压水)及红层裂隙水两大类型。上层滞水赋存于人工填土中,其稳定水位埋深0.2～4.8m,孔隙承压水稳定水位埋深5.1～8.5m; 红层裂隙水一般透水性差,水量甚微。

1.3 止水帷幕设计方案

　　 基坑开挖过程中,为保证施工安全,基坑内地下水位需要始终降至开挖面1m以下,采用钻孔灌注桩+支撑+桩间止水帷幕的支护形式。车站主体基坑标准段和盾构段采用直径1 000mm、间距为1 200mm的钻孔灌注桩+竖向三道支撑+桩间止水帷幕的支护形式,基底位于中风化砾岩,止水帷幕插入中风化砾岩深度为3m。止水帷幕由旋喷桩+钻孔灌注桩形成,其中旋喷桩采用三重管注浆,桩径0.8m,与钻孔灌注桩咬合0.25m,图3为止水帷幕结构图。

　　 图3 止水帷幕结构图  

2 监测方案及数据分析

2.1 监测方案

　　 为确保基坑施工的安全、顺利进行,需要对其进行现场监测。本文为研究止水帷幕变形和地表沉降情况,主要对以下2项指标进行现场监测与分析:1)止水帷幕水平位移; 2)基坑周边地表沉降。主要监测仪器有水准仪、测斜管、测斜仪等(表1,其中H为基坑深度)。监测点布置:止水帷幕水平位移监测选取ZQT14桩体,在其桩体体内布置探头,探头间距0.5m,基坑地表沉降监测选择地表沉降最严重区域,即基坑西北端盾构井处3个监测点,即D17-1,D17-2,D17-3监测点,测点间距5m,各监测点具体位置如图1所示。

　　 监测方案 表1

2.2 止水帷幕水平位移分析

　　 钻孔灌注桩作为止水帷幕主要围护结构,其变形大小也是基坑安全的重要指标,并直接影响基坑周边地表沉降 ^[8]。选取4个具有代表性的时间点的监测数据进行分析,ZQT14桩身水平位移监测结果见图4。结果表明:1)随着基坑开挖逐步进行,桩顶水平位移变大,而桩底水平位移无明显变化; 2)在基坑开挖初期,桩变形为前倾形曲线,且桩顶水平位移最大; 3)随着基坑的进一步开挖和内支撑的施作,桩体变形曲线逐渐向“弓”字形变化,且最大水平位移发生部位随之下移。当基坑开挖结束时(开挖至深度20.194m),桩体最大水平位移为8.06mm,约位于桩体深度约10.1m处。

2.3 基坑周边地表沉降分析

　　 D17-1,D17-2,D17-3监测点沉降监测结果见图5。与一般黏性土层基坑开挖不同,富水砂卵石地层墙后土体的沉降很大,这是由于富水砂卵石地层与桩体之间的摩擦力很小。沉降最大值处于距离基坑2m左右的位置,为16.95 mm,沉降不大,可以满足基坑设计中关于地面最大沉降的控制要求。由于施工环境和地质复杂性,并考虑到人为误差和仪器设备误差,虽局部监测点位的沉降在部分时间上有所降低,但总体上各监测点的沉降曲线形态是类似的,且随开挖加深而逐步增大,开挖结束后趋于稳定。

　　 图4 桩体水平位移监测结果

　　 图5 地表沉降曲线  

3 有限元数值模拟

3.1 模型建立

　　 晚报大道站深基坑为狭长形,可采用 ABAQUS二维平面有限元模型分析计算,模型计算区域由基坑开挖与降水对周边土体沉降的影响范围确定。根据车站基坑地质条件,结合前人的研究成果和基坑降水开挖实际影响范围观测资料 ^[9],本次模拟设定施工过程影响范围为基坑周边向外各取3倍开挖深度 ^[9],即可包含基坑开挖过程中主要影响区和次要影响区。本次模拟区域为基坑西北端盾构井横截面,基坑开挖深度为20.2m、宽26.8m,依据对称性原则,选取一半的实际工程尺寸进行模拟,模型尺寸73.4m×43.7m。在竖向,参照岩土工程勘察资料,以地面以下43.7 m深度为界,层位剖分参照场地典型钻孔资料进行,地层分布及计算参数如表2所示。基坑周边土体视为弹塑性介质,本构模型采用弹塑性摩尔-库伦模型。

　　 各地层及止水帷幕参数及取值 表2

　　 在网格划分中,各地层均选用4节点的孔压单元CPE4P模拟; 在Load模块中定义边界条件; 在初始分析步中,限制两端水平位移,底部边界则为固定边界。有限元软件ABAQUS中提供了两种方法用于模拟实际工程中的接触问题,本模型采用面-面接触模拟土体与止水帷幕之间的接触,并在分析时选择了止水帷幕表面为主要面、土体表面为从属面。每个接触对相互作用必须调用接触属性,本文采用有限滑动的库伦摩擦模型,摩擦因数取土层与止水帷幕0.5、砂卵石层与止水帷幕0.25 ^[10]。

3.2 降水开挖过程模拟

　　 基坑的开挖和支撑结构的架设都采用生死单元法实现。在开挖步将开挖土体杀死,然后加上支护结构,即通过*Model Change命令来实现土体和支撑结构的移除和添加。基坑降水开挖过程采用分步施工方式,止水帷幕嵌固深度为3m,视为弹性。地下初始水位为地面,因为第一道支撑深度仅为1m,且在基坑初始水位处,竖向设置3道支撑分3步开挖。具体工况如下:第一步,基坑开挖至深度6.8m,水位降至深度7.8m;第二步,基坑开挖至深度13.1m,水位降至深度14.1m;第三步基坑开挖至基底标高20.194 m,水位降至深度21.2m。

3.3 初始地应力

　　 初始地应力是在工程模拟中需要考虑的重要因素。本课题根据现场已经测得的某些点的地应力值,通过简单回归得到初始地应力,通常表现为在不同的区域,给出一组以深度为自变量的地应力分布函数。ABAQUS模拟时在内部施加自重荷载,在部分边界上施加相应的面力荷载,以通过求解得到的地应力场作为初始地应力场。

4 模拟结果分析

4.1 模拟结果与监测结果对比

　　 有限元模拟的地表沉降云图如图6所示,从图6可以看出,地表沉降主要发生在距离基坑10m范围内,距离基坑10～20m内也有较小的沉降。基坑外土体沉降整体呈凹槽形,由于基坑已开挖至风化岩层,坑底岩层隆起较小,对施工影响不大。图7为模拟得到的水平位移云图,其主要位移区域在8～18m深度,距离基坑20m内。

　　 图6 地表沉降云图/m   

　　 图7 水平位移云图/m   

　　 为验证模拟的合理性,取模拟的周边地表沉降值与实测地表沉降值进行对比,如图8所示(每步开挖实测值为D17-1,D17-2,D17-3监测点的值)。由图可以看出,采用ABAQUS模拟的基坑周边地表沉降曲线形态近似抛物线,与D17-1,D17-2,D17-3监测点实测地表沉降曲线基本吻合,在距离基坑10m范围内地表沉降模拟值略大于实测值,在距离基坑10～20m内地表沉降模拟值略小于实测值。地表沉降最大值约处于距离基坑2m的位置,为17.41mm,与该点沉降实测值16.95mm差别很小。止水帷幕水平位移实测值与模拟值对比如图9所示(每步开挖实测值为ZQT14的值)。可见止水帷幕水平位移模拟值与实测值也十分相近,变形趋势相同,即随开挖加深,由前倾形曲线变为弓字形曲线,且水平位移最大值位于10～12m深度,为11.31mm,与该点实测值8.06mm差别较小。

4.2 渗透系数及支撑结构分析

　　 图10为考虑止水帷幕的渗透系数变化引起周边地表沉降及止水帷幕水平位移的对比。在该工况中,由于止水帷幕完全隔断承压含水层,此时降水对周边地表沉降已基本无影响。在止水帷幕渗透系数变化的情况下引起地表沉降及止水帷幕水平位移变化不大,沉降最大差值为1.68mm,水平位移最大差值为1.31mm。

　　 基坑开挖过程也是土体卸荷过程,在有无横向支撑结构的情况下地表沉降变化巨大,见图11。在没有支撑的情况下,地表沉降最大值处于距离基坑不到1m的位置,为764.46mm,止水帷幕水平位移最大值位于帷幕顶部,达887.98mm; 实际工况下,地表沉降最大值、止水帷幕水平位移最大值处于距离基坑2m的位置,分别为17.41,10.64mm; 控制支撑位移为0的情况下,地表沉降最大值、止水帷幕水平位移最大值处于距离基坑4m的位置,分别为2.72,2.43mm。因此,富水砂卵石地层在完全隔断承压含水层情况下,基坑降水开挖过程所引起的地表沉降主要是由土体开挖卸荷所导致的。可见,在实际工程中控制支撑及围护结构的位移将是控制周边地表沉降的重中之重。

4.3 嵌入岩体深度分析

　　 随着坑内土体逐步开挖,原土层自身初始应力场平衡被打破,内力重新分布,坑外土体对旋喷桩的侧向挤压力会导致止水帷幕发生水平位移。由于钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕已完全隔断承压含水层,并嵌入岩体,故保证止水帷幕足够的嵌入岩体深度可以限制其水平位移处在一定的范围之内,避免引起较大的地表沉降。模拟了止水帷幕嵌入岩体深度分别为1,3,5,7,9m五种工况,得到各地表沉降情况及止水帷幕水平位移情况,如图12所示。由图可知:1)止水帷幕嵌入岩体1m时,止水帷幕和基坑底部岩体咬合松动,模拟失效,需要对中风化岩层作弹性处理。2)止水帷幕嵌入岩体越深,地表沉降及止水帷幕水平位移越小; 且当止水帷幕嵌入岩体深度大于7m或小于3m时,坑外地表沉降及止水帷幕水平位移变化趋势趋于平缓; 止水帷幕嵌入岩体深度大于7m时,止水帷幕水平位移最大值约为10mm,坑外地表沉降最大值约为13mm; 止水帷幕嵌入岩体深度小于3m时,坑外地表沉降最大值约为18mm,止水帷幕水平位移最大值约为16mm; 止水帷幕嵌入岩体深度处于3～7m之间时,坑外地表沉降值及止水帷幕水平位移值以较大的速率变化。

　　 图8 坑外地表沉降实测值与模拟值对比 

　　 图9 止水帷幕水平位移实测值与 模拟值对比 

　　 图10 止水帷幕渗透系数变化引起 沉降及止水帷幕水平位移对比

　　 图11 有无横向支撑结构下地表沉降 及止水帷幕水平位移的对比

　　 图12 不同止水帷幕嵌入岩体深度下 地表沉降及止水帷幕水平位移的对比 

5 结论

　　 (1)现场实测值与数值模拟值结果表明,该深基坑采用钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕的设计方案是合理可行的,地表沉降实测值满足要求,有限元数值模拟结果与实际结果相符。

　　 (2)由于止水帷幕完全隔断承压含水层,其渗透系数对土体变形影响不大,地表沉降主要是由于开挖卸荷引起的止水帷幕侧向位移,进而导致基坑周边地表沉降。

　　 (3)横向支撑可以有效地控制止水帷幕水平位移,以达到控制基坑周边地表沉降的目的。所以,施加预应力、加强刚度等控制支撑及围护结构位移的措施将是控制周边地表沉降的重点。

　　 (4)止水帷幕嵌入岩体越深,坑外地表沉降及止水帷幕水平位移越小,且嵌入岩体深度小于3m时,易导致止水帷幕和基坑底部岩体咬合松动,模拟失效。止水帷幕嵌入岩体深度大于7m时,坑外地表沉降及止水帷幕水平位移的变化则很小,考虑安全施工及经济效益,对于该类地层环境深基坑降水开挖,其止水帷幕嵌入岩体深度建议保持3～7m为宜。