李新军
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北，武汉，430063）
【摘 要】基坑事故大都由地下水控制失效引起的，砂卵石地层透水性好、富水性强、水源补给充沛，地下水的影响更为明显。研究在富水砂卵石地层中深基坑开挖和水位下降引起的地面沉降、基底渗透稳定等影响与变化规律，具有十分重要的现实意义。对长沙富水砂卵石地层地铁深基坑降水与开挖施工过程进行了渗流应力耦合数值模拟，计算结果表明，砂卵石地层中基坑开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围更大；最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为较陡；地表沉降速度初期较快，后期较慢；最大渗流力主要分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处。针对长沙砂卵石地层深基坑特点，提出了相应的风险控制措施与围护结构选型建议。
【关键词】砂卵石地层；深基坑；渗流应力耦合；数值模拟
邻建筑、管线、道路等设施下沉、开裂，乃至破坏。同时，随着基坑内水位的下降，坑内外的水头差增大，地下水将在坑内外水头差的作用下发生渗流，在渗透水流的作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中悬浮、移动，形成空洞并逐渐扩大或流失，引发流土、管涌等渗透破坏，最终导致地层塌陷、基坑坍塌等事故 [1-3]。
对于土体，随着地下水的渗流，孔隙水压力变小，有效应力增加，土骨架产生压缩和变形，这种变形反过来又影响了土体本身的渗透性能与渗流状态。因此，基坑降水与开挖施工过程中土体内渗流场与应力场的变化是一个相互作用相互耦合的过程，即渗流场与应力场的流固耦合[4-6]。
本文以长沙富水砂卵石地层地铁深基坑为背景，利用有限差分程序FLAC3D在渗流应力耦合计算模式下对深基坑开挖引起的变形特性进行了数值计算与分析，对基坑降水与开挖施工过程中引起的地面沉降、渗流压力、地下连续墙嵌固深度影响等结果进行了探讨，获得了一些有意义的规律，可为今后类似工程的设计与施工提供参考。
1、工程背景及实例
1.1 工程概况
长沙市轨道交通某地铁站为地下两层岛式车站，车站总长208.6m，标准段净宽22.0m，顶板覆土约3.5m，底板埋深约为18.5m。车站基坑采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙加内支撑体系。
车站基坑地处湘江西侧，场地内土层自上而下依次为：杂填土、淤泥质土、粉质粘土、细砂、粗砂、圆砾、卵石。基坑底部主要为透水性较强的砂、砾及卵石等富水含水层。本工程主要土层参数如表1所示。
表1 土层物理力学参数表
2、流固耦合模型的建立
2.1 渗流场与应力场耦合方程
基于比奥固结理论，从连续介质的基本方程出发，建立能反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的方程[7]。
2.2 三维流固耦合模型求解流程
使用有限元方法对渗透系数矩阵和水头矩阵进行迭代计算，并根据有效应力原理求解有效应力增量，代入渗透系数分布矩阵并反复迭代，直至满足求解精度。三维流固耦合模型计算流程如图1所示。
2.3 施工过程数值模拟
利用FLAC3D软件，使用fish语言编制程序，建立反应降水与开挖施工过程的数值模型，进行流固耦合计算。基坑周边土体视为弹塑性介质，本构模型采用采用弹塑性Mohr（摩尔-库伦）模型，流体模型采用各向同性fl_iso模型。土体加载准则和塑性流动准则分别采用线性硬化Druck-Prager准则和非关联流动准则[8]。
基坑采用分步施工方式，地下连续墙嵌固深度10.0m，视为弹性考虑。地下初始水位为地面以下3.0m，竖向设置三道支撑分四步开挖。因为第一道支撑深度仅为1m，且在基坑初始水位以上，第一步和第二步施工影响合并为一步。具体工况如下：第一步基坑开挖至8.0m，水位降至9.0m，第二步基坑开挖至14.0m，水位降至15.0m，第三步地下水位降至地面以下19.0m，基坑开挖至18.0m。
3、计算结果及分析
3.1 地表沉降结果
随着基坑降水与开挖施工的进行，基坑周边地表逐渐产生沉降。通过程序设置监测点，各施工工况结束后地表沉降结果如图2所示，图3为地表最
终沉降结果云图。
结果显示，地表沉降曲线呈抛物线形状，沉降影响范围及沉降值均随着基坑深度的增加显著变大，地表最大沉降位移点往基坑外侧移动，地表沉降最大影响范围约为基坑深度的4倍，这比一般的软弱粘土和中等软弱粘土基坑2倍左右的影响范围要大。地表沉降最大值达48.2mm。
与软土地层基坑施工引起的周边地表沉降相比，砂卵石地层中基坑施工引起的地表沉降值与沉降影响范围均要大，这是由砂卵石本身低粘聚力、高渗透性的特性决定的。同时，砂卵石层中地表最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为更陡，这是因为砂卵石层粘聚力低，地下连续墙与土体间的摩擦力较小，制约土体下沉能力弱，因此靠近围护结构体处土体沉降量比其他地层基坑大。
通过FLAC3D在基坑周边设置监测点，监测地表沉降与时间的关系，如图4所示。结果显示，在基坑施工初期，地表沉降速度非常快，后期沉降速度较慢。整体而言，砂卵石基坑地表沉降速度在前期快于软土地层基坑，沉降值较大，后期沉降速度比软土地层慢，沉降值较小。分析认为，降水引起地层压密导致地面沉降，地层压密的时间及其延滞效应与土体渗透能力密切相关，砂卵石地层孔隙大，透水能力强，压密时间短，速度快，而粘性土的压密时间较长，速度慢。
3.2 渗流场分布
随着基坑降水与开挖，坑外地下水位不断下降，周边土体内形成一个运动渗流场，土体中的孔隙水压力降低，孔压分布不均匀，通过流固耦合模拟计算，水位降落后渗流场场速度矢量分布及孔压云图如下图所示。
渗流速度矢量分布反应了地下水流流动，坑内外存在水头差，基坑外速度矢量指向基坑内。连续墙附近流失最密，最大值分布在坑角和连续墙底部之间，所以该区域最容易产生管涌、流土等破坏。图6同时看出，渗流主要发生在4~7层土层中，这是因为4~7层为砂卵石层，渗透性强，第3、4层土分别为淤泥质土和粉质粘土，渗透性弱。在这种深厚富水砂卵石层中，在连续降水过程中，坑内土体在渗透水流的作用下，砂性土层的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，并不断被水流带走，土体孔隙不断扩大，渗流速度增加，增加了发生流沙和管涌等风险。
3.3 渗流压力分析
渗流压力是地下水渗流时作用在土体骨架上的力，是动水坡降所引起的，渗流压力与水力坡度成正比。不同降水与开挖深度时连续墙背渗流压力结果如图6所示。
结果显示，随着降水及开挖深度的增加，连续墙两侧的水力坡降增大，渗流力最大值分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处，基坑开挖深度愈大，渗流力越大，这也与流速矢量分布一致。
为研究抗渗帷幕深度对防渗的影响，对地下连续墙嵌固深度分别为5m、10m、15m时进行渗流压力计算，如图7所示。结果表明，随着地下连续墙嵌固深度的增大，地下水渗流路径增长，水头损失增大，渗流速度变小，渗流压力随着减小。计算同时显示地下连续墙长度的增加量与渗流压力的减小值并不构成正比关系，即：地下连续墙越长，单位长度地连墙对渗流压力减小的贡献越小。
3.4 施工风险及围护结构选型
结合长沙地区地层分布与特点，富水砂卵石层往往与江河有水力联系，水位较高。分析表明，在该地层基坑降水与开挖施工过程中，引起地表沉降值与影响范围偏大，极有可能对周边环境产生破坏影响。同时，由于地下水位过高，砂卵石层粘聚力低，渗透性大，加大了基坑内外的水头差，降低了土体强度，地下水的微承压性特征更加大了该地层发生流土管涌等渗透破坏的可能。
计算结果与分析表明，对于本基坑，砂卵石层十分厚，地下水丰富，如采用悬挂式防渗帷幕加基坑内降水的方式，地面沉降大，影响范围广，极有可能对周边产生灾害影响。另外由于降水与开挖施工过程中渗流压力大，土体粘聚力低，发生管涌流沙等渗透破坏风险非常大。而且地下连续墙插入深度大，实施比较困难且不经济。因此，从围护结构选型上，建议采用注浆水平封底，与地连墙防渗帷幕形成封闭截水，封闭渗水通道，从根本上加固土体，能较好解决富水厚砂卵石层中的地下水风险。
4、结论
（1）以长沙富水砂卵石地层地铁深基坑为背景，利用有限差分程序FLAC3D在流固耦合计算模式下对深基坑开挖引起的变形特性进行了数值计算与分析。
（2）结果显示，砂卵石地层中基坑降水与开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围均较其他地层大；最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为较陡；地表沉降速度初期较快，后期较慢。
（3）随着降水及开挖深度的增加，连续墙两侧的水力坡降增大，渗流力最大值分布在连续墙嵌固深度范围内偏下处；地下连续墙长度的增加量与渗流压力的减小值并不构成正比关系。
（4）针对长沙富水砂卵石地层深基坑施工引起的变形特点，提出了相应的风险控制措施与围护结构选型建议。
参考文献：
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[8]王韬,韩煊,赵先宇,等.FLAC3D数值模拟方法及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.
论文作者:李新军
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/15
标签：基坑论文; 卵石论文; 地表论文; 地层论文; 深度论文; 孔隙论文; 地下论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;