朱彦鹏, 李凤岐, 杨校辉, 马孝瑞, 尹利洁

(1. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃 兰州 730050； 3. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

随着西北地区城镇化建设加快，兰州市逐步推进地铁项目建设，相应产生了大量地铁深基坑工程.现阶段，国内针对深基坑的相关研究较多[1-7].张勇等[8]利用非稳定渗流理论探讨了基坑降水引起基坑周围地面沉降的预测方法；周勇等[9]通过有限元法及实际监测数据对兰州某地铁车站基坑开挖降水过程中地下管道的位移进行了全面的分析；冯怀平等[10]利用流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中基坑的时间效应进行研究，并以地铁车站深基坑为例，对基坑降水开挖过程中的渗流固结进行了有限元计算；陈兴贤等[11]采用有限元数值分析方法对深基坑降水三维变参数非稳定渗流地面沉降耦合模型进行求解；周念清等[12]采用三维有限差分法对基坑降水进行数值模拟，分析了基坑降水施工对周边环境的影响.其主要集中在湿陷性黄土深基坑[3，9]、粉砂土深基坑[5]等，对于基坑降水、基坑开挖引起地面沉降的理论预测法、基本原理以及基坑监测研究较为系统，但是对于红砂岩深基坑开挖过程中考虑渗流的稳定性分析研究较为匮乏.

兰州市地质条件相对复杂，地下水是深基坑开挖过程中必须要面对的问题，红砂岩地层的出现为深基坑的施工带来又一技术难点.红砂岩地层遇水软化崩解、丧失强度，具有流塑性，国内外可供借鉴的经验较少.本文以兰州地铁东方红车站深基坑工程为例，现场实时监测红砂岩深基坑开挖过程中支护体系变形和基坑周边土体位移；采用三维数值模拟分别对开挖过程中的支护体系变形、渗流稳定性和周边土体位移进行模拟分析，并与结合监测结果进行了对比分析.

1 工程概况

兰州地铁东方红车站主体宽33.8～41.3 m，底板埋深约17.0 m.车站采用明挖法施工，车站主体结构形式为地下二层岛式.深基坑采用钻孔灌注桩围护结构和钢筋混凝土内支撑结合的支护方式.

1.1 工程地质概况

图1 监测点平面布置简图

表1 土层参数

1.2 水文地质条件

该场地揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系洪冲积卵石.地下水位埋深3.6～5.0 m，潜水含水层厚度约为20 m，水位高程1 512.49～1 513.14 m；卵石的渗透系数为50～70 m/d.

红砂岩属于湖相沉积岩，主要包括泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩及页岩等沉积岩类和粘土岩类，因其含有三价铁离子及丰富的氧化物，使岩石成红色、深红色或褐色.红砂岩在有些地方也称之为红石岩，因其湖相沉积的特点，其颗粒筛选性差，岩性以风化崩解特性为主，结构以软硬岩层交互成层为特征.红砂岩一般节理较发育，易风化，易崩解.工程建设初期的地勘报告认为红砂岩层是相对不透水层，但随着工程建设推进过程中所暴露出的问题，表明红砂岩层具有渗透性.依据一系列室内外试验结果，确定红砂岩的渗透系数量级介于10-4～10-2cm/s之间.根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)规定，岩土渗透系数量级区间处于10-4cm/s≤k<10-2cm/s时，渗透性等级认定为中等透水；红砂岩电镜扫描结果也表明红砂岩孔隙率较大，微观结构存在大量空隙，颗粒结构松散，呈现弱胶结性，这些进一步反应了该场地红砂岩具有一定的渗透性.红砂岩电镜扫描图见图2.

图2 红砂岩电镜扫描图

1.3 支护体系设计方案

根据基坑规范[13]规定：基坑安全等级按一级考虑；围护结构选取φ800@1400钻孔灌注桩，混凝土保护层厚度50 mm，围护桩考虑100 mm外放量，桩间采用钢筋网喷混凝土；沿基坑竖向设置三道钢筋混凝土支撑，第一道支撑截面尺寸1 000 mm×800 mm，第二、三道支撑截面尺寸1 200 mm×1 000 mm，在支撑相应高度设置冠梁和腰梁；主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300；桩间护壁混凝土强度等级为C20，其余均采用C35.围护结构平面布置示意图见图3.

图3 围护结构布置示意图Fig.3 Schematic layout of the surrounding structure

2 监测方案及结果分析

深基坑开挖从2月初持续至5月下旬，采用明挖顺做法施工.在基坑支护结构施工、基坑开挖和地下主体结构施工期间进行现场监测，及时获得基坑支护结构和基坑周边土体的变形等信息，并与预测值相比较，确定和调整下一步施工.主要施工步骤有：开挖至1.5 m浇筑第一道钢筋混凝土支撑；开挖至7.9 m浇筑第二道钢筋混凝土支撑；开挖至13.9 m浇筑第三道钢筋混凝土支撑；开挖至17 m达到设计开挖深度，完成底板施工；随车站主体结构浇筑，从下至上依次破除钢筋混凝土支撑.主要监测项目及仪器说明见表2.限于篇幅，本文仅选择典型部位桩体水平位移和基坑周边地表沉降的监测数据进行分析.基坑监测点平面布置情况见图1，测点布置剖面示意图见图4.

图4 监测点布置剖面示意图

表2 基坑主要监测项目

2.1 桩水平位移监测结果分析

选取基坑北侧S08、S09和基坑南侧S15、S17的4个监测点的桩体水平位移进行分析，同时对基坑围护桩位移变化的空间效应进行研究.

桩体水平位移随埋深和时间变化曲线见图5.

由图5可知：1) 桩身的整体位移大致表现为向基坑内侧前倾的“)”形曲线；2) 基坑底部桩体的水平位移较小，表明5.5 m的嵌固深度能较好地保证围护桩桩身稳定性.

每处测点桩体的最大水平位移均出现在第二道支撑附近，位于8 m左右的深度处，这是因为第二道支撑和上下两道支撑的间距达到6 m，对基坑侧壁土体的约束相对较小；第一道支撑距离地面1.5 m，第三道支撑距离坑底3.1 m，而且分别有冠梁和嵌固桩体，对土体起到限制作用，所以对应位置处的桩体水平位移较小，以上实测值均未超过允许值.由图5可知，在4月底到5月初这段时间内，桩体的水平位移监测值变化最大，这是因为第三道钢筋混凝土支撑设置之前，深基坑支护结构还没有形成完整的体系，支护结构的协同作用不能较好地发挥.

图5 桩体水平位移随埋深和时间变化曲线Fig.5 Variation curves of piles horizontal displacement with depth and time

比较4处测点最大桩体水平位移的监测值可知，S09桩测点大于S08桩测点，S15桩测点大于S17桩测点，表明基坑各边中点处桩体水平位移要大于中点旁桩体的水平位移；基坑北侧S09测点的监测值为所有桩体水平位移监测的最大值，这是由于基坑北侧存在高大办公楼的缘故，说明深基坑围护桩水平位移的变化规律有较为明显的空间效应.

对比采用横向钢支撑的兰州湿陷性黄土深基坑，吴意谦[3]给出的桩体最大水平位移(23.4 mm)大于本文测点的最大值，说明钢筋混凝土支撑能较好地控制深基坑支护体系位移.图5中个别曲线的某些点存在左右摆动的情况，究其原因主要有两方面：1) 临时加固支撑产生的约束作用会在桩体水平位移的监测中直接体现；2) 红砂岩地层的特殊渗透性要求基坑必须进行持续性降水，这种降水方式会对围护桩的水平位移产生影响.

2.2 地表沉降监测分析

选取深基坑南北侧6处测点的沉降监测结果进行地表沉降分析.通过图6沉降值随时间变化的曲线图可知：在深基坑开挖初期地表就开始沉降，但变化较小；随着开挖的进行，在4月下旬第三道钢筋混凝土支撑设置之前，沉降值的变化最大；当深基坑支

图6 沉降值随时间变化曲线Fig.6 Curve graph of the settlement value varies with time

护体系整体成形共同发挥作用后，沉降值的变化趋于稳定.

由图6可知：基坑北侧沉降监测点的沉降值明显大于南侧的沉降值，基坑两侧中点的沉降值大于边角点的沉降值，说明深基坑施工过程中周边区域的不同地面超载，使得支护体系的受力变得更加复杂，同时深基坑两侧土体沉降的变化表现出一定的空间效应.

红砂岩地层增加了降水工序的难度，为了达到良好的降水效果，采用持续性降水方法.这样，引起基坑周边土体有效应力增加，同时红砂岩层的特殊渗透性引起的土中渗流作用增强，导致地表沉降值增大；当降水进程和基坑开挖进程协调不佳时，基坑周边土体沉降的变化也会相应增大.最大沉降值是D09测点处出现的27.12 mm，大于吴意谦[3]测得的兰州湿陷性黄土深基坑周边土体的最大沉降值(16 mm)，不过满足规范[13]中的要求.综上，红砂岩地层的存在会增大深基坑在开挖过程中对周边土体的影响.

3 基坑开挖渗流模拟及对比分析

3.1 数值分析模型

数值模拟共分为两个阶段，第一阶段：深基坑施工阶段开挖与支护位移的有限元计算，本阶段模型见图7；第二阶段：深基坑渗流稳定性数值分析，对本实例涉及到的红砂岩地层的特殊渗透性进行模拟计算，渗流稳定性分析的有限元模型见图8.为了降低模型计算的空间边界效应，土体模型整体横断面长度一般取深基坑开挖横断面长度的3倍，因此本文模型的尺寸为143 m×100 m×40 m.土体的本构模型选用Mohr-Coulomb本构模型，详细的土层参数见表1，特殊红砂岩的渗透系数设为0.35 m/d.结合本地区经验，模型的地面超载设置为20kPa.

图7 深基坑开挖支护有限元模型Fig.7 Deep foundation pit finite element model of excavation and supporting

图8 深基坑开挖支护渗流分析模型

围护桩、钢筋混凝土支撑、混凝土冠梁及腰梁的材料特性参数根据《混凝土结构设计规范》选取；支护结构的截面尺寸见1.3节，采用梁单元进行模拟.网格划分采用自动网格划分和K-线面映射网格划分相结合的方式进行.模型底部设为固定边界，四周设定为法向约束边界，围护桩底部的边界条件设置为桩基抗扭转约束.

渗流分析多采用一次性降水，之后再设定施工阶段的开挖支护.本工程遇到的红砂岩地层的渗透特性表明：本地区红砂岩透水性明显，且具有弱胶结、强风化特性，虽为透水层但渗透系数相对较低.因此，为了与施工中持续降水的实际情况更接近，本文渗流数值模拟设定降水阶段与开挖支护施工阶段交替进行，开挖支护施工阶段的工况按照第2节所述的施工步骤设置.

3.2 基坑渗流模拟及沉降对比分析

深基坑降水和开挖时的土体卸荷会打破土体原有孔隙水压力的平衡，从而导致渗流作用的产生.图9是土体初始地应力分析中的孔隙水压力云图，云图分层良好，初始孔隙水压力整体呈水平分布，土体中的水保持相对平衡状态.随着基坑开挖的逐步进行以及持续降水作业，孔隙水压力失衡，在基坑内外侧产生水头差，深基坑发生渗流作用.

图9 初始孔隙水压力云图Fig.9 Cloud chart of Initial value for pore water pressure

深基坑开挖完成后的渗流场矢量图见图10，基坑侧壁附近渗流矢量相对密集且指向基坑内侧，这是由于基坑开挖完成后，基坑内外侧水压力差达到最大，坑外向坑内的渗流作用变大；基坑两侧土体以水平方向渗流为主，而且随深度的逐渐加大，流速越来越小，在土体模型底部渗流基本消失，与模拟设定的不透水边界一致，也同冯晓腊[14]等提出的深基坑降水计算三维水-土耦合模型相吻合.

图10 渗流场矢量图Fig.10 Vector map of seepage field

降水的持续进行，可以降低渗流作用对深基坑支护体系的影响，但是由此造成的土体有效应力的增加会使深基坑周边土体沉降增大.选取沉降监测值最大的测点D09的实测值和两项模拟中D09测点每个工况下竖向位移值，绘制沉降值对比分析曲线散点图,见图11.由图11可知，D09测点两项模拟各工况竖向位移结果散点值和实际监测值曲线的变化趋势基本一致；考虑渗流作用的模拟结果均位于监测值曲线以下，即渗流条件下的模型沉降值大于沉降实测值和基坑开挖支护模拟沉降值.因此，渗流分析能为红砂岩深基坑沉降监测提供较为可靠的参考.

图11 沉降值对比分析曲线图Fig.11 Comparative analysis curve of settlement

3.3桩水平位移的模拟结果和实测结果对比分析

选取两个阶段的模拟结果和实测值进行比较分析.模拟值提取S15桩对应节点数据，实测值选取S15测点在基坑开挖完成的监测结果，依此绘制的桩体水平位移对比曲线见图12.

图12 桩体水平位移对比分析曲线Fig.12 Comparative analysis curve of pile horizontal displacement

从曲线图中可以看出：1) 渗流模拟分析结果明显大于开挖支护模拟结果和实际监测结果；2) 实际监测结果曲线和开挖支护模拟曲线拟合效果较好，10m 深度以下监测结果要比开挖支护模拟结果略大；3) 三条位移曲线变化趋势基本一致.

综上所述，施工开挖支护模拟计算结果与实际监测值相比偏小，这也与吴意谦[3]文中不考虑渗流作用的湿陷性黄土深基坑施工开挖支护模拟值略小于监测值的结果一致，因此考虑渗流作用的模拟能为深基坑施工提供安全性更高的科学建议.因此，对于有红砂岩地层的深基坑，渗流分析能更好地反映深基坑开挖支护及降水过程所引起的基坑周边土体位移的变化.

4 结语

1) 桩体水平位移监测结果表明：红砂岩层的存在导致桩体水平位移部分点的监测值出现左右摆动的情况；围护桩的水平位移随桩的深度先增大后减小，整体呈“)”形前倾，最大水平位移22.35 mm，满足规范中≤0.40%H的允许值；

2) 深基坑周边地表沉降在开挖完成后趋于稳定，由于红砂岩层渗透特性而采用的持续性降水措施使得深基坑出现27.12 mm的沉降监测值，大于兰州湿陷性黄土深基坑周边土体的最大沉降值16 mm，不过仍满足规范要求.

3) 深基坑南北侧的桩体水平位移和沉降监测结果的对比反映出桩体水平位移监测值和沉降监测值变化的空间效应显著，在深基坑开挖支护和施工后期的支护优化都应予以重视.

4) 两项模拟计算结果和现场实测值曲线走向大致相同，而且开挖支护模拟和实测值较为接近.渗流数值分析表明：深基坑开挖和降水引起土体孔隙水压力失衡，产生的渗流作用在基坑开挖完成后达到最大，考虑渗流作用的模拟能较为安全地反映实际位移变化情况.渗流分析结果和监测结果有较好的一致性，也进一步说明渗流作用是基坑周边土体及支护结构产生位移的主要原因.

5) 红砂岩地层的渗透特性提高了降水的难度；相比湿陷性黄土深基坑，红砂岩深基坑开挖过程对周边环境的影响更大；钢筋混凝土围护桩加钢筋混凝土支撑的支护体系，能将深基坑开挖引起的位移较好地控制在允许值范围之内，可为兰州地区类似深基坑支护体系的设计提供借鉴.