深圳富水软弱地层深基坑施工对周边环境影响分析
喻伟1，陈鑫磊2，张学民2
(1. 中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518052；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)
摘 要：以深圳地铁10号线福田口岸站基坑工程为依托，采用三维有限元数值模拟，分析富水软弱地层中深基坑降水及开挖对基坑周边地表沉降、地连墙受力变形与周边建筑物变形的影响。研究结果表明：本工程基坑施工过程中，周边地表沉降最大位置位于距地连墙10～20 m范围区间，最大影响范围界限为60 m，沉降最大值达到40.8 mm，其中在淤泥层的施工对周边地表沉降影响最大，降水阶段中最大沉降值达到9.4 mm，开挖阶段中最大沉降值达到7.4 mm；开挖过程中，地连墙变形在淤泥层开挖时变形最明显，变形最大值达到22.56 mm，而基坑坑内降水则对地连墙的水平变形起到一定的抑制作用；基坑开挖使周边建筑物产生较为明显向坑内的水平位移，最大水平变形达7.83 mm，对竖向沉降的影响较小。
关键词：深基坑施工；地连墙；坑内降水；数值模拟
近年来，国内外位于富水软弱地层的长、大、深基坑工程案例较多[1-2]，该类基坑开挖尺寸大，施工地质条件复杂。深圳地区广泛分布海河相沉积淤泥质黏土及砂卵石地层，地层覆水丰富且软弱，该地区的深基坑工程将会对周边环境及建筑产生较大的影响。基坑施工对周边环境的影响主要来源于基坑开挖和基坑降水2个方面，许多学者对该领域开展了较为有益的研究。在基坑开挖方面，冯晓腊等[3]以武汉老铺片商业及住宅项目深基坑工程为背景，采用有限元软件PLAXIS对其进行了基坑开挖全过程的数值模拟分析，分析了复杂条件下基坑支护结构体系的受力和周边环境的变形情况；金艳平等[4]通过正态分布密度函数拟合地表沉降曲线方法和随机介质理论，进行理论计算，并结合广东某商业办公楼深基坑现场实测数据分析，对基坑支护结构位移和地下水下降2种因素影响引起的周边建筑沉降进行了研究；LIU等[5]基于天津某基坑临近历史建筑物的工程，采用FLAC3D进行数值模拟分析，考虑支护结构与土体接触滑移效应，对基坑开挖过程中引起的变形规律进行分析及预测；LIU 等[6]依托上海某38 m深基坑，通过现场测斜，沉降等测试数据，分析深基坑开挖过程中的围护结构及周边地表的变形特性；李镜培等[7]依托上海市五坊园基坑工程为背景,进行开挖过程中基坑及周围环境动态响应的追踪研究，通过对比实测数据与类似条件的软土基坑开挖工程，分析施工过程中软土基坑自身结构及周边管线的变形特性，探究开挖深度与空间效应对不同位置基坑结构的影响。在基坑降水方面，Pujades等[8]依托巴塞罗那HST隧道应急通风竖井的工程实例，结合流固耦合有限元分析及现场土样特性实验，提出了一种用于降水系统设计的多科学程序；WANG等[9]依托上海东方渔人码头建筑大型深基坑工程，结合三维数值模拟与现场实测数据分析了该基坑降水过程，基坑及周边环境变形规律，对该过程承压含水层的渗透参数提出修正公式；娄平等[10]以长沙地铁5号线朝阳站为工程背景，采用理论分析、数值模拟等方法，确立了降水公式，得到了降水各阶段稳定时间及地表沉降规律；杨清源等[11]以深圳某地铁车站基坑工程为背景，进行了基坑不完整井降水模型试验；曾超峰 等[12]基于工程实测及三维流固耦合有限元流固耦合数值计算，分析了大面积基坑开挖前预降水对支护墙变形的影响研究。从上述分析可见，前人虽对于富水软弱地层的基坑作了大量关于开挖和降水的影响分析，现阶段研究仍在针对开挖或者降水这单一过程的影响分析，而关于深基坑工程降水和开挖2种施工过程对周边环境影响的综合影响的尚少。深圳地铁十号线福田口岸站基坑工程所处地层富水软弱，该基坑在现场实际开挖和降水的过程中，均出现了较大的地表沉降及地下连续墙变形。故本文依托该工程，利用三维有限元数值模拟，综合分析基坑在开挖与基坑降水过程对基坑周边地表沉降、围护结构变形及周边建筑物变形的影响。总结规律，为后续类似工程施工控制提供参考。
1 工程背景
福田口岸站位于国花路与福田保税区一号通道交叉口西南侧，沿福田保税区一号通道东西向布置。车站外包长度332.509 m，覆土厚度约3~4 m，标准段总宽23.3 m，深24.8 m。基坑位于滨海地区，地下水丰富。图1为福田口岸站基坑主体航拍示 意图。
这个老陈，简直不可理喻。是不是人老了，都这样。我买烟回来，老陈还在楼梯口，看他的表情，似乎有话要给我说。他是要向我解释举报我的事吗？老陈笑了笑，说小马，我这人啊，就是喜欢多管闲事，可我没坏心啊。我们相处时间也不短了，你应该了解我的是吧？
场地内揭露的地层主要为人工堆积层；第四系全新统海陆交互相沉积淤泥质黏性土、含淤泥质砂、粗砂；第四系全新统冲洪积粉质黏土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土、卵石土层；燕山期花岗岩。地层含水量丰富，水位高，地下水主要为赋存于海陆交互沉积、冲洪积砂层、卵石土层和残积砾(砂)质黏性土层中的孔隙潜水及赋存于块状强风化、中等风化带中的基岩裂隙水，略具承压性。
现场采用坑内降水加分段开挖的施工方法。由于现场地层砂存在大范围的砂卵石及淤泥质黏性土，该类土层孔隙比大，自稳能力差，施工过程若控制不当，将会对周边建筑及环境造成较为严重的影响。
据丁正江[17]测得5组含冰点温度气液两相包裹体数据，结合矿区斑岩型矿床成矿特点，直接利用静岩压力下成矿压力与成矿深度关系，计算得该矿床成矿深度范围大致2.78～3.52km。地球化学分析也表明香夼岩体相对富集Rb，Ba，U，Th，K，Nd；相对亏损Ba，Nb，Sr，P，Ti[12]。
图1 基坑航拍照片
Fig. 1 Aerial photo of foundation pit
2 基坑设计施工方案
2.1 支护结构参数
基坑围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙加内支撑的围护体系，剖面图如图2所示。围护结构设置1道混凝土支撑和4道钢支撑，其中，第1道为混凝土支撑(截面1.0 m×1.0 m)第2，3和5道为Φ609× 16 mm钢支撑，第4道为Φ800×20 mm钢支撑。第1道混凝土支撑与冠梁(截面尺寸1.2 m×1.0 m，盖挖段1.7 m×1.0 m)连为一体，共同浇筑。围护结构采用C45P8水下混凝土，第1和2道围檩采用C30为混凝土，第3和4道围檩采用C45为混凝土，基坑底部采用C20为混凝土封底。
单位：mm
图2 基坑支护结构横剖面
Fig. 2 Sectional view of foundation pit structure
2.2 基坑降水方案
基坑内共布置36口降水井，间距15 m，梅花形布置，降水井布置见图3所示。降水井采用钻机成孔，孔径700 mm，插入基底下6 m，降水深度为基底下不少于1 m。降水井滤水钢管内径400 mm，外包铁丝网和尼龙网，并用12号铅丝扎紧，滤水钢管与井壁间用5～15 mm滤料回填，滤水层厚度0.15 m，填至地面1 m，井口1 m范围内用黏土回填夯实。
会上，长庆油田、新疆油田、华北油田被评为全国质量管理小组活动优秀企业，大庆钻探工程公司钻井二公司我爱创新QC 小组获得40 周年QC 标杆小组称号，7 名石油员工获得全国质量管理小组活动组织40 周年杰出推进者称号。
或许正因为稍前的诸多曲家对理性分析这一环节的建构已经渐趋丰满，所以王骥德以《曲律》总括元明曲学脉动时，对曲体文学的理性考察才显得从容不迫。如他著名的“雪里芭蕉”之论：
图3 基坑降水井平面布置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of plane layout of foundation pit precipitation well
3 数值模拟模型及参数介绍
3.1 模型简介
建立三维数值模型如图4所示.。由于现场施工面起伏较小，将模型地面简化为平面，模型整体长492 m，宽182 m，高35 m。
单位：m
图4 基坑整体模型示意图
Fig. 4 Schematic diagram of the overall foundation pit model
3.2 计算相关参数
本工程所处地层以淤泥质黏土及砂卵石为主，地层富水软弱，工程敏感性高。为了提高本次数值模拟计算结果的准确性，对于此类土体的本构模型选择，需同时考虑软黏土的应变硬化特征，区分加荷和卸荷过程，且其刚度需依赖于应力历史和应力路径[13]。本次模拟土体本构选取Midas GTS中的修正莫尔−库伦本构[14]，该本构模型为剪切屈服和压缩屈服之间互相没有影响的双重硬化模型，可以较好的考虑软黏土的应变硬化过程，以及砂卵石土的摩擦特性。模型土体材料参数见表1和表2。
3.3 施工模拟步骤
模拟中按基坑实际开挖顺序由东西两端往中间分层分步开挖，将基坑开挖分为12个施工工序(如表3所示)。模型中按东西位置关系将基坑分为5段(如图5)，每部分基坑根据地层分为6层(地层示意如图6)。模拟中在每个工序基坑开挖前进行相应区域的基坑降水。
表1 岩土材料参数
Table 1 Table of geotechnical material parameter
地层厚度/m三轴实验割线刚度/MPa主压密加载实验切线刚度/MPa卸载弹性模量/MPa泊松比容重/(kNm−3) 素填土666180.417.9 淤泥质黏性土10.566180.4317.3 粗砂31818540.519.8 卵石土3.572722160.219.8 强风化花岗岩396962880.2220.5 中风化花岗岩450050015000.2225.3
表2 岩土材料参数
Table 2 Table of geotechnical material parameter
地层初始孔隙比e渗透系数/(mday−1)黏聚力/kPa摩擦角/(°)最终膨胀角/(°) 素填土0.910.310100 淤泥质黏性土1.240.00114100 粗砂0.5590280 卵石土0.75800380 强风化花岗岩0.61.535280 中风化花岗岩0.113 000388
表3 基坑开挖计算工序
Table 3 Calculation processing table of pit excavation
工序开挖支护段工序开挖支护段 Stage 1西1、东1区1层Stage 7东1区5层、东2区3层 Stage 2西1区2层、西2区1层Stage 8东1区6层、东2区4层、中区2层、西2区4层 Stage 3西1区3层、西2区2层、东1区2层、东2区1层Stage 9东2区5层、中区3层、西2区5层 Stage 4西1区4层、西2区3层、东2区1层Stage 10东2区6层、中区4层、西2区6层 Stage 5西1区5层、东2区2层、东1区3层、中区1层Stage 11中区5层 Stage 6西1区6层、东1区4层Stage 12中区6层
图5 基坑分段示意图
Fig. 5 Diagram of foundation pit segmentation
图6 基坑各层开挖对应地层图
Fig. 6 Corresponding stratum map of each layer excavation of foundation pit
3.4 测点布置
采集点布置依托现场监测方案，取基坑东西端及中部观察沉降测线，基坑西端第1层的测点与测线布置如图7所示，后续测点按照18~20 m间距 布置。
图7 西端基坑测点布置示意图(第1层)
Fig. 7 Diagram of the test point in the west side of foundation pit (first floor)
4 数值计算结果分析
4.1 实测数据与计算结果对比分析
绘制现场实测中测点随施工进程的变形曲线，并与数值模拟计算结果进行对比。
通过基坑西端测点DB3-03及东端测点DB12-02的地表沉降实测数据与计算值的对比可知(如图8)，现场实测与数值模拟变形趋势基本吻合。
另一方面，通过对比ZQT2、ZQT3处地连墙变形实测值与计算值(如图9)，各测点变形最大值处的位置与大小也基本与实测值相符,且变形规律基本吻合。
(a) 西端测点DB3-03沉降值；(b) 东端测点DB12-02沉降值
图8 基坑西端地表沉降实测值与计算值对比曲线
Fig. 8 Contrast curves between measured and calculated values of surface settlement at the western end of foundation pit
(a) ZQT2测点；(b) ZQT3测点
图9 基坑西端地连墙水平变形实测值与计算值对比曲线
Fig. 9 Contrast curves between measured and calculated values of horizontal deformation of the diaphragm retaining walls at the west end of foundation pit
综上，由地表沉降曲线和地连墙水平位移曲线中数值计算与现场实测的比对结果，基本验证了数值计算的正确性。
4.2 基坑周边地表沉降
4.2.1 不同位置地表沉降分析
图10为各测线的最终地表沉降曲线图，由图中可知，基坑周边地表沉降呈沉降槽(漏斗状)曲线，漏斗最大沉降出现在10~20 m区间，地表沉降影响范围为距离地下连续墙0~60 m区间。而距离基坑0~10 m区间内位移较小的原因为地连墙的存在，使地层刚度增加，从而靠近地连墙的地表沉降较小。
另一方面，地表最大沉降在基坑西端、东端和中部的值分别为40.8，21.7和26.2 mm，最大沉降出现位置分别为距基坑边13.0 m(西侧)、15.0 m(东侧)和9.3 m(中部)位置。分析原因，基坑西端基坑宽度最大，每延米的土方开挖量最大，说明土方开挖量的增加，会加大基坑施工对周边地表沉降变形的影响。因此，后文地表沉降分析主要以西端为主。
The hydraulic natural frequency of the EHA system is
图10 最终地表沉降曲线
Fig. 10 Final surface settlement curve
4.2.2 不同施工阶段地表沉降分析
通过选取基坑西侧DB01-01~04测点为侧线，见图7，提取各阶段开挖及降水地表沉降进行分析。在不同基坑开挖阶段，阶段1，2和3开挖引起的地面沉降较大(如图11)，其中阶段2淤泥质土层开挖引起沉降最大(7.5 mm)，占总体开挖阶段33.6%，后期开挖引起地表沉降较小，可知基坑在淤泥质黏性土层开挖时地表沉降最为明显。
图11 西端各开挖阶段地表沉降增量曲线
Fig. 11 Incremental curves of ground settlement at each precipitation stage in the west end
在基坑降水的不同阶段(如图12)，阶段4降水引起的地面沉降量最为明显，最大值达到9.98 mm，占降水全过程位移的54%，且影响范围较广(60 m)。基坑地连墙已经深入基岩，应当起到了较好的隔水作用，而基坑在阶段4降水过程中，周边地表沉降仍出现较大变化，分析降水过程中的地层特性，可知阶段4降水进行了对承压含水层中的地下水抽取，孔隙水压力减小，同时淤泥土强度低，降水后固结压缩引起较大地表沉降.
图12 西端各降水阶段地表沉降增量曲线
Fig. 12 Incremental curves of ground settlement at each excavation stage in the west end
统计基坑在全部施工过程中的沉降变化(如图13)，在西侧周边地表变形最大处(距基坑边13m处)，开挖所造成的总沉降值为22.34 mm，占总沉降值的54%，降水过程造成的总沉降值为18.46 mm，占施工总沉降值的46%。
综合上述对地表沉降的分析，在富水软弱地层进行深基坑开挖及降水对周边地表沉降产生明显的影响，且影响范围广(最大达60 m)，其中在淤泥质黏性土层的施工影响占比最大，主要原因为该类地层强度较低，可压缩性大。因此，在该类地层的深基坑降水及开挖过程应当作为重点施工控制阶段，通过合理布置降水井位置，减小开挖跨度，必要时进行周边地层预加固，以减小施工对周边地表沉降的影响，同时在影响范围内，特别是沉降最大范围内(10~20 m区间)增大监测密度，确保在淤泥等软弱地层施工过程周边建筑的安全可控。
4.3 基坑地连墙受力与变形分析
基坑开挖完成后的地下连续墙水平变形云图如图14。地下连续墙变形呈现向基坑内的趋势，且变形量较大，在X(纵向)、Y(横向)方向的最大变形量分别为36.5 mm和47.1 mm。最大水平位移位于淤泥质黏性土与砂卵石层交界处。
图13 基坑开挖及降水引起地表沉降占比
Fig. 13 Ratio chart of ground settlement caused by excavation and dewatering
(a) Y方向位移；(b) X方向位移
图14 地连墙结构水平位移云图
Fig. 14 Cloud graph of horizontal displacement of the diaphragm retaining wall structure
分析测点ZQT1处的各开挖阶段地连墙水平变形(如图15)。由图可知，基坑西端处在开挖至第2阶段时，基坑的变形已经达到了最大值(22.56 mm)，后续的开挖中变形值趋于稳定，最大位移位置下移至16 m处(淤泥与砂卵石层交界处)。说明在基坑在阶段2、3地层中(淤泥质黏性土)开挖，基坑地连墙的水平位移变化最为明显。
图15 基坑西端各开挖阶段地连墙水平变形曲线
Fig. 15 Horizontal deformation curves of the diaphragm retaining wall at each excavation stage at the western end of foundation pit
由于西端头ZQT1处地连墙在阶段3开挖后变形趋于稳定，分析前3阶段基坑降水与基坑开挖阶段的地连墙变形，如图16。地连墙的最大变形位置随施工过程持续下降，但在每一阶段中，后一阶段基坑降水过程使地连墙水平位移较前阶段开挖过程有所减小，说明在本工程地质条件下，坑内降水过程对基坑地连墙侧向位移的增长有一定抑制 作用。
研究表明[15]对于黏性土，在坑内降水过程中，降水对坑内土体起到了预压加固的作用，该作用下，地层的黏聚力c会有显著的增加，而地层摩擦角𝜙的增加则较小。不考虑坑外水渗流力作用下，基坑的主动土压力(坑外侧)及被动土压力(坑内侧)计算公式见式(1)和式(2)，由公式可知在降水过程中，由于土体黏聚力指标的提高而摩擦角基本维持稳定，坑内土压力有所提升而坑外土压力有所减小，因此地连墙的水平变形得到了抑制，水平变形值由此减小。
(1)
(2)
图16 西端前4阶段开挖及降水过程地连墙水平变形曲线
Fig. 16 Horizontal deformation curves of the wall in the first four stages of excavation and precipitation in the west end
综上分析，基坑地连墙变形主要受开挖的影响，且在淤泥质黏性土层开挖变形最明显，因此在淤泥质黏性土开挖过程应当作为地连墙变形监测的重点关注阶段，而在设计施工中，在淤泥层所对应深度处，建议通过增强横撑强度，优化横撑位置等方法，控制地连墙变形。
4.4 基坑周边建筑结构影响分析
本工程周边建筑物为雕塑桥及边防大楼，位于基坑中部，相对位置见图17。由图可知，周边建筑物与基坑距离较小，根据4.2节计算结果可以看出，建筑物位于基坑开挖对地表沉降影响较大的范围(0~20 m)以内，因此需要对其位移进行分析，以确定基坑开挖过程中周边建筑的稳定性。
由建筑物及雕塑桥位移云图(如图18)可知，基坑开挖对周边建筑物的Z方向(沉降)，及X方向(沿着基坑纵向方向)的位移影响较小，Z方向位移最大值出现在边防大楼处(1.07 mm)，对建筑Y方向(向基坑内位移的方向)的位移影响较大，最大值出现在距离基坑最近的雕塑桥桥墩处(7.83 mm)。
发 行： 国内邮发代号：8-276 国际邮发代号：BM 4887 每期10.00元，全年120.00元
2016年和2017年中国832个贫困县中已有154个扶贫工作重点县经过专项评估检查，达到相关的脱贫要求，整体实现了摘帽。
单位：m
图17 基坑与周边建筑相对位置平面图
Fig. 17 Plan view of relative position of foundation pit and surrounding buildings
(a) Z方向位移；(b) X方向位移；(c) Y方向位移
图18 基坑周边建构筑物位移云图
Fig. 18 Cloud graph of displacement of structures around the foundation pit
分析可知，由于桩基对上部建筑的竖向约束作用，基坑周边建筑沉降所受的影响较小。而建筑物的水平位移则表现较为明显，说明建筑桩基对建筑物水平的变形约束作用较小，因此在施工过程中，建议通过加固建筑基础部分土体，减小土体位移从而减小建筑的水平位移。
5 结论
1) 本工程基坑施工造成周边地表沉降呈槽分布，影响范围达60 m，最大沉降出现在距地连墙10~20 m范围，对于类似的工程，可作为重点关注范围的参考。
总之，秸秆气化是高技术产业化示范项目，它的建设对提高农村能源的综合利用及用能品位，净化大气环境，改善和提高农民的生活质量，促进生态农业都具有重要的推动作用，同时秸秆气化项目的建设符合我国北方建设生态农业的产业政策，拥有良好的政策支持，项目的建设可有效改变农村脏、乱、差的现象，探索出一条农村向城市发展的跨越式的道路。
2) 富水软弱地层中的深基坑工程，淤泥质黏性土层的开挖对施工影响较大，工程中可通过增强地连墙刚度，加固周边地层及开挖基底地层等方法，减小施工对周边地表沉降的影响。
3) 淤泥层开挖对地连墙影响明显，淤泥层底部的水平变形最大值可达40 mm，而降水过程对地连墙变形起一定抑制作用。建议类似工程中优化施工方案，调整支撑位置和强度，更好的控制基坑变形。
检测凋亡抑制剂Z-VAD-FAM对LFS-01作用的影响时，首先用50 μmol/L的z-VAD-FAM预处理JeKo-1细胞2 h，之后操作步骤同上。
4) 基坑施工使周边建筑物产生较为明显的横向位移，而对建筑沉降的影响较小。
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Analysis on the influence of deep foundation pit construction in water-rich soft ground of Shenzhen on surrounding environment
YU Wei1, CHEN Xinlei2, ZHANG Xuemin2
(1. China Railway Southern Investment Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Based on the foundation pit project of Futian port station of Shenzhen metro line 10, this paper analyzed the influence of the construction of deep foundation pit on the ground settlement, the ground wall deformation and the surrounding building deformation in soft and water-rich stratum by using three-dimensional finite element numerical simulation. The research results show: During the construction of the foundation pit of the project, the maximum of the surrounding surface settlement is located in the range of 10~20 m from the wall. The maximum impact range is 60 m, and the maximum settlement is 40.8 mm. The settlement of the surrounding ground surface in the construction of the silt layer. The maximum settlement is 9.4 mm in the precipitation stage and 7.4 mm in the excavation stage. During the excavation process, the deformation of the diaphragm wall is most obvious when the silt layer is excavated, and the maximum deformation reaches 22.56 mm, while the precipitation in the foundation pit will inhibit the horizontal deformation of the ground-connected wall. The excavation of the foundation pit will cause the horizontal displacement of the surrounding buildings, and the maximum horizontal deformation is 7.83 mm, while the vertical settlement is less affected.
Key words: deep foundation pit construction; underground diaphragm wall; pit precipitation; the numerical simulation
中图分类号：TU46+3
文献标志码：A
文章编号：1672 − 7029(2020)09 − 2251 − 11
DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20190991
收稿日期：2019−11−08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(513785005)；中铁建投重点研发项目(2016014)
通信作者：张学民(1973−)，男，山东潍坊人，教授，博士，从事地下工程方面研究；E−mail：zhangxm@csu.edu.cn
(编辑 涂鹏)