承压水地层中深基坑开挖变形特征的数值模拟研究

原海军

北京城市快轨建设管理有限公司 北京 100027

随着城市规模的不断扩大，城市人口剧增，为缓解交通压力，我国多个城市开始大力发展城市轨道交通建设，由此带来了大量的深基坑工程。我国的深基坑工程开挖过程中，由于各种原因发生了大量事故，其中承压水是深基坑工程施工过程中围护结构失稳破坏的关键因素[1-2]。因此，承压水引起的基坑变形特征研究具有一定的现实意义和工程价值。

目前，已经有许多学者对承压水控制问题进行了研究，并取得了一定成果。郑启宇等[3]采用流固耦合数值方法，研究了深基坑降承压水对墙体变形和地表沉降的影响；秦羽等[4]利用Plaxis有限元软件建立模型，分析了基坑在承压水条件下的变形稳定特征，验证了基坑开挖数值模拟手段的合理性；杨潇[5]将模拟结果与实测数据进行对比验证，分析了承压水降水后的水位分布及其引起的地层沉降规律；娄荣祥等[6]采用Visual Modflow有限差分法对基坑降水进行模拟，发现模拟结果与实际水位十分吻合；严驰等[7]发现在承压水层未完全隔断的情况下，降水对基坑的稳定性及抗突涌都有利，但会增大坑外地表沉降及围护墙底部位移；张刚等[8]通过建立三维流-固耦合模型，还原了基坑降水开挖施工过程中地下水渗流场的分布形式，并与降水沉降两步预估法计算所得结果进行比较，研究了降承压水引起的环境影响；邢皓枫等[9]通过理论分析和三维有限元模拟，研究了水平封堵位置以及封堵厚度等参数变化对基坑变形和周边环境的影响；李镜培等[10]设计了基坑突涌离心模型试验，模拟不同承压水位作用下黏性土体隔水层的突涌状态。

在上述研究的基础上，本文以北京上清桥站深基坑工程为依托，通过数值模拟，研究无地下水和含2层承压水的基坑变形特征及不同承压高度下的基坑变形特性，实现对高承压水复合地层中深基坑开挖变形的科学预测。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京地铁昌平线南延工程06标上清桥站位于清河北高速收费站西侧，周边规划为居住与商业区，如图1（a）所示。上清桥站为明挖岛式车站，采用双柱三跨结构形式，地下1层为综合管廊。车站中心里程为YK35＋772.00，站台宽度18.5 m，车站规模351.2 m×28.9 m，车站底板埋深32.652 m，中心里程处顶板覆土厚度7.772 m。上清桥站中心里程断面如图1（b）所示。

图1 上清桥站场地及典型断面

1.2 工程地质

上清桥站北扩大段地层自下而上分别为粉质黏土、细中砂、卵石、粉细砂、粉土、中粗砂、粉质黏土、中粗砂、粉细砂、粉质黏土、粉细砂、杂填土。南扩大段地层自下而上分别为粉质黏土、细中砂、粉质黏土、卵石、中粗砂、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉细砂、黏质粉土填土、杂填土。

场地赋存3层地下水，为潜水（二）、承压水（三）、承压水（四），如图2所示。根据区域地质资料分析，观测深度范围以下的砂土层、粉土层、碎石土层普遍呈饱和状态，均应视为含水层。

图2 地质剖面

1.3 施工方案

基坑围护结构采用C35、厚1 000 mm地下连续墙（简称地连墙）＋钢管支撑的围护支撑体系。基坑设5道支撑＋1道换撑（φ800 mm×20 mm），第1道支撑水平间距6 m，剩余钢支撑水平间距3 m，沿基坑跨中设置φ1 500 mm立柱桩，立柱上方设置格构柱，并采用连系梁（40a#槽钢）连接。

基坑开挖采用“纵向分区、竖向分层、随撑随挖、中间拉槽”的施工方法，纵向分为15个分仓，流水段开挖，竖向分层开挖，共分6层，做到随挖随撑，开挖至支撑设计标高底下50 cm处施作内支撑，开挖时采用中间拉槽，通过被动区对称留土的方式来控制围护结构变形。

2 数值模型

2.1 建立模型

采用Midas GTS NX建立模型，包含87 559个单元和161 971个节点。模型长595 m、宽255 m、高68 m，基坑区域长352.3 m、宽34.6 m、高30.5 m，如图3（a）所示。指定沿基坑开挖方向为x轴负方向（沿基坑长边方向）。竖直向上为z轴正方向，依据右手法则确定y轴。x轴负方向为基坑北侧，x轴正方向为基坑南侧；y轴负方向为基坑西侧，y轴正方向为基坑东侧。数值模型顶部（地表）为自由边界，左右边界设定为水平约束，底部边界设定为竖向约束。

地层为4.95 m厚杂填土、8.1 m厚中粗砂、16.9 m厚粉质黏土、4 m厚粉细砂、4.55 m厚卵石圆砾、39.5 m厚粉质黏土。基坑区域分5层，开挖厚度依次为6.0、9.0、7.0、5.5、3.0 m。地连墙深46.65 m，嵌入土层16.15 m，如图3（b）所示。由于存在1层潜水和2层承压水，故在数值模型中地表以下10.0、17.0以及28.5 m三处水平面上设置节点水头。

图3 模型建立

2.2 计算参数

将地层简化为6层，采用修正摩尔-库仑模型，可以改善摩尔-库仑本构引起基坑隆起过大的问题，钢、混凝土支撑及地连墙结构使用弹性本构。根据岩土工程勘察报告以及相关规范确定计算参数，如表1所示。地层采用3D实体单元模拟，地连墙采用2D板单元，钢支撑、混凝土支撑采用1D梁单元。

表1 计算参数

2.3 数值方案

共设计6组数值方案，如表2所示。方案1按照上清桥站工程实际设定地层中存在1层潜水和2层承压水工况，承压水水头高度2 m，方案2设定地层中无地下水工况，方案3～6设定地层中存在1层潜水和2层承压水，但是更改承压水头高度，分别是1、3、4、5 m。3组方案的步骤一致，先施工地连墙，再按照实际施工顺序进行土方开挖、降水和支撑。基坑水平方向分为15仓，竖直方向分为5层。

表2 数值模拟方案

3 数值模拟结果

3.1 有无承压水影响

上清桥站基坑15仓施工完成后，方案1、方案2的地层z轴方向变形云图如图4所示。

图4 地层z轴方向变形云图

由图4可知，方案1地表变形特征表现为从北扩大段至南扩大段由隆起逐渐变为沉降。北扩大段一侧土方先行开挖，依次是标准段、南扩大段，北扩大段区域开挖过程中进行了4次坑内降水，此时南扩大段还没有进行开挖，降水引起南扩大段沉降值达18.84 mm。在开挖和降水的共同作用下，地表竖向变形呈“北隆起、南沉降”的趋势。方案2地表变形则比较均匀，变形值也较小，沉降值最大为6.39 mm，为方案1的0.34倍。

上清桥站基坑15仓施工完成后，方案1、方案2的地连墙y轴方向变形云图如图5所示。

图5 地连墙y轴方向变形云图

由图5可知，方案1地连墙y轴方向变形主要体现在地连墙东西两侧，第1层土开挖时，变形区域集中在第1仓处，此时东侧最大变形值10.8 mm，西侧最大变形值11.55 mm。基坑第6仓开挖时，东侧和西侧最大变形值分别为16.14 mm和15.07 mm，第15仓开挖完成后，东侧最大变形值达到16.16 mm。第15仓开挖完成后，方案2东侧地连墙最大变形值为15.94 mm，与方案1的差值较小。下面通过典型变形曲线进一步分析2组方案变形特征。

通过对比方案1和方案2，研究无地下水和含2层承压水工况下的深基坑变形特征，变形特征研究内容包括地表沉降和地连墙水平位移。

基坑第15仓开挖完成后，2组模拟方案最终地表竖向位移曲线的对比如图6所示。

图6 最终地表竖向位移比较

基坑北扩大段和南扩大段存在斜撑和直撑，基坑周边地表变形比标准段的数值小。相比北扩大段，由于施工方向是从北向南，南扩大段受到施工扰动的影响大，并且施作直撑时间较晚，因此南扩大段的地表变形更大。相比无地下水工况，地层中存在潜水和2层承压水时，地表沉降显著增加，最终的北侧和南侧最大地表沉降分别为5.19 mm和11.27 mm，如图6（a）所示。由图6（b）可以得知，基坑东西侧比南北侧地表沉降更大。无地下水工况下基坑东西侧地表沉降变化幅度较小，而存在地下水工况近似呈勺形，东西侧地表沉降的差别主要体现在基坑标准段和南扩大段，受异形地连墙形状影响，最大地表沉降发生在距离南扩大段基坑长度1/4的位置，沉降量为18.65 mm，为无地下水工况下地表沉降量的3倍。

基坑第15仓开挖完成后，2组模拟方案地连墙水平变形随深度变化的对比如图7所示。其中，图7（a）给出基坑南侧和北侧地连墙中心截面；图7（b）给出基坑西侧地连墙3处典型部位，分别位于北扩大段、标准段和南扩大段。

图7 地连墙最终水平位移比较

由图7可知，相比于无承压水工况，存在2层承压水时，由于作用在地连墙水平方向的荷载增大，导致地连墙水平位移更大，尤其是对基坑东侧和西侧的影响更加显著，极大地增加了施工风险和难度。基坑南、北扩大段由于斜撑的作用，地连墙水平位移相比东西侧更小。通过模拟得到方案1最大的地表沉降和地连墙水平位移均小于16 mm，远小于现场地连墙变形控制值30 mm。因此现场采用边开挖、降水、边支撑的方案是可行的，能够有效控制变形。

3.2 承压水高度的影响

设计5组工况，通过改变承压水水头高度来研究承压水水头高度变化对基坑变形的影响，5组工况的承压水头高度分别为1、2、3、4、5 m。由于模拟结果呈现对称性，因此选择基坑纵向、横向各一侧的变形结果进行分析。

不同承压水高度下的地表沉降变形表现为：承压水高度5 m＞承压水高度4 m＞承压水高度3 m＞承压水高度2 m＞承压水高度1 m。基坑南北两侧地表沉降表现为凹槽形，地表最大沉降值大致位于距离南侧地连墙20 m处。基坑东西两侧地表沉降变形趋势大致相同，表现为瓢形，距离基坑北侧地连墙0～90 m的地表变形较缓，90～350 m变形呈现凹槽形，地表变形最大位置出现在基坑北侧地连墙240 m处（图8）。

图8 地表最终竖向位移比较

基坑不同位置处不同承压高度下的地连墙水平位移如图9所示。由图9可知，各位置不同承压高度的地连墙水平位移变形趋势大致相同。基坑北侧地连墙水平位移变形值基本相似。地连墙深度17 m以下，基坑西侧地连墙水平位移变形差异较小，在地连墙深度17 m以上，基坑西侧地连墙水平位移表现为随承压高度的增加而不断增大，该位置与承压水节点水头位置相对应，即地连墙在承压水地层中变形明显。

图9 基坑地连墙水平位移

因此，不同承压水高度下，基坑南北两侧地连墙变形受承压水影响较小，东西两侧相对大些，存在承压水部位地连墙变形明显。

4 结语

1）存在地下水工况时，在开挖和降水的共同作用下，地表竖向变形呈“北隆起、南沉降”的趋势；无地下水工况的地表变形则比较均匀，变形值也较小。

2）存在地下水工况时，东西侧地表沉降近似呈勺形，最大地表沉降发生在距离南扩大段基坑长度1/4的位置，最大沉降量为无地下水工况的3倍；存在2层承压水时，地连墙水平位移更大，尤其是对基坑东侧和西侧的影响更加显著。基坑南、北扩大段受斜撑和直撑的共同作用，地连墙水平位移相比东西侧更小；存在地下水工况时，模拟得到的地表沉降和地连墙水平位移均小于现场地连墙变形控制值30 mm，因此现场采用边开挖、降水、边支撑的方案是可行的。

3）不同承压水高度下，基坑地表沉降表现为随承压高度不断增加，基坑南北两侧地连墙变形受承压水影响较小，东西两侧相对大些，且存在承压水部位的地连墙变形明显。