陈卫东，钱礼平，张振华，钱明明，王野
（1.安徽省建筑科学研究院，安徽 合肥 230031；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230000）
1 引言
地下连续墙具有刚度大、占地少、能适应复杂施工环境和地质条件的特点，同时其工期短，质量可靠，经济效益高，在深基础施工中得到越来越广泛的应用。地下连续墙用作结构墙的关键在于能否成功防止地下连续墙产生渗漏[1]。工程渗漏的防治不易且治理费用高，“两墙合一”地下连续墙作为地下工程的施工阶段围护结构和使用阶段的基础承载结构，其防水更是设计的重点。“两墙合一”地下连续墙可采用以下几种防水设计方案[2]：第一种是在内衬墙的背水面设置防水层，这种方式的防水效果较差，一旦形成渗漏突破口，难以根治；第二种是在内衬墙和地下连续墙之间设置防水层，这种方式防水效果好，即使地下连续墙发生渗漏，内侧的防水层也能起到防水效果；第三种是在内衬墙和地连墙之间设置排水层，以此来消除渗透压力，有效地避免渗漏的发生。合肥某超限高层深基坑逆作法施工过程中，拟采用“两墙合一”地下连续墙防水设计方案。该防水设计方案在地下连续墙的基础上增设三轴搅拌桩、防水层、内衬墙，并对地下连续墙接缝进行注浆处理。本文基于有限元法，进行工程施工期渗流场的计算，研究该防水设计方案的可行性。
2 工程概述
2.1 工程区位及规模
该项目位于合肥市长江中路与花园街交口的西北角，项目总建筑面积约15.3万m2，其中地下建筑面积约4.4万m2，地上建筑面积约10万m2。主楼地上45层、高180.3m；综合地下室5层、埋深21m。地下施工采用“周边逆作，主楼顺作”的逆作法方案，外围护结构采用“两墙合一”的地下连续墙，在基坑工程施工阶段起到挡土和止水目的；在使用阶段兼作主体地下室结构外墙，通过设置与主体地下结构内部水平梁板构件的有效连接，可不再另外设置地下结构外墙。该项目地下连续墙厚1.0m、高25.75m、周长约408m，抗渗等级为P10，地下室设计防水等级为一级。
2.2 工程地质概况
该项目场地第四纪地貌形态为南淝河一级阶地地貌单元，其自然吴淞高程为16.19m～17.29m，最大高差1.1m。该工程地下室结构剖面与土层分布关系见图1。
拟建场地在①层杂填土中埋藏有上层滞水，在④1、④2层粉土夹砂层中埋藏有大量的承压水；在⑤1、⑤2层中埋藏有裂隙水。其补给来源主要由大气降水及地表水渗入补给。其水位在不同季节略有变化。勘察时测得混合静止水位埋深 0.90m～1.50m，水面标高为15.42m～15.63m。
图2 “两墙合一”地下连续墙墙身构造
2.3 “两墙合一”地下连续墙防水设计方案
该项目“两墙合一”地下连续墙墙身形式为复合墙。其墙身由地下连续墙、内衬墙和防水层构成，在地下连续墙外侧增设有三轴搅拌桩，墙身体结构形式如图2所示。
地下连续墙槽段和槽段之间的接头连接两相邻单元槽段，单元槽段接头处是主要的易渗漏部位，因此选用适当的接头形式并做好接缝的处理是防止渗漏的关键[3]。该项目在后施工地下连续墙主筋外侧预先焊接注浆管（图3），通过注浆提高接缝处防水效果。
图3 地下连续墙接缝内注浆防渗措施
3 不同围压下三轴搅拌桩的渗透试验
采用自主研发的流固耦合三轴仪（见图4），开展三轴搅拌桩试样（见图5）在不同深度（不同围压下）的渗透试验，获得三轴搅拌桩试样在不同围压下累计渗水量与渗透时间的关系曲线（见图6）。根据图6的试验结果，通过达西公式计算获得不同深度三轴搅拌桩的渗透系数（见图7）。
4 “两墙合一”地下连续墙防水方案的防渗效果数值模拟
4.1 渗流场数值模拟理论与方法
“两墙合一”地下连续墙防水问题属于饱和-非饱和渗流问题。饱和-非饱和渗流与饱和渗流相似，同样满足Darcy定律，土体中非恒定渗流的偏微分方程为[4]：
式中：kx、ky为x和y方向的渗透系数；H为总水头；mw为比水容量；ρw为水的密度；g为重力加速度；t为时间。
图4 流固耦合三轴仪
图5 三轴搅拌桩试样
图6 不同围压下累计渗水量与渗透时间的关系曲线
图7 不同深度三轴搅拌桩的渗透系数
岩土体非恒定渗流有限元方程[5]为
式中：[K]为单元特征矩阵，[M]为单元质量矩阵，｛Q ｝为节点流量向量矩阵。
初始条件：
水头边界条件：
流量边界条件：
通过有限元法对方程（2）～（5）进行求解，就可求得“两墙合一”地下连续墙方案下基坑施工过程的地下水渗流场。
4.2 数值模拟过程
4.2.1 有限元网格模型及边界条件
根据地质勘察资料及施工图，选取该项目设计方案的两个典型剖面（墙幅段A-A’剖面和相邻槽段接缝处B-B’剖面，见图8）建立该工程的有限元网格模型。因为两剖面具有相同的几何形状和尺寸，因此只需建立一个网格模型即可，具体见图9(a)。其模型尺寸为147m×60m，模型采用四边形单元进行网格划分，共划分8078个单元，8072个节点。为了验证该项目拟采用的防水设计方案的防水效果，只设地下连续墙（不设三轴搅拌桩、内衬墙及防水层），建立有限元网格模型作为对比计算方案，对比方案共划分7327个单元，7310个节点，见图9(b)。根据勘察资料地下水水位埋深0.90m～1.50m，计算中取0.9m。
图8 剖面位置
图9 有限元计算网格模型（图中标注尺寸：m）
有限元数值计算中渗透系数取值
在模型左右边界施加水头边界条件，基坑的底面和侧面设为潜在溢出边界，其它边界设置为不透水边界。
4.2.2 计算参数
根据地勘报告中的参数建议取值，确定有限元数值计算中各材料的渗透系数的取值，具体见上表。
4.2.3 计算方案
本文基于有限元法，采用GeoStudio商用程序中的SEEP/W模块，分别对设计拟采用的防渗方案和仅有地下连续墙（不设三轴搅拌桩、内衬墙及防水层）的对比方案进行工程施工期的渗流场的计算，研究比较该项目拟采用的防水设计方案的可行性。
4.3 计算结果
经计算得到地下连续墙及周围区域的渗流场，图10给出地下室第五层施工结束底板建成时的渗流场计算结果。图10(a)～10(d)分别为该项目防水设计方案A-A’和B-B’剖面及对比方案A-A’和B-B’剖面渗流流速矢量分布和地下水浸润线分布图。计算结果显示：两方案中地下水渗流流速均很小（最大流速均小于0.00035m/d）；地下水流速矢量分布图显示地下水向基坑底部的入渗绕过地下连续墙或其槽段间的接缝；浸润线在底板中的位置基本相同，不同方案及不同剖面中浸润线位置的不同主要表现在基坑的边墙；浸润线在各防水措施中的下降显著，除对比方案地下连续墙接缝处剖面溢出，在其余剖面均未溢出。
5 讨论
由图10(a)～10(d)中渗流场的流速矢量和浸润线的分布可以看出，地下水向基坑底面的入渗受到了地下连续墙和底板的有效拦截。地下连续墙深入中风化泥质砂岩地层中，使地下水绕过地连墙向基坑底面的入渗，增长了渗流路径，在基坑底面又有底板防水，这使得不论是拟采用的设计方案还是对比方案基坑底面地下水均未溢出（浸润线距底板顶面约0.33m）。两方案防水效果的差异主要表现在基坑的侧墙。
图10 渗流流速矢量分布和地下水浸润线分布
图11 地下水浸润线至各监测点的水平距离
在各层地下室楼板高程靠近基坑内侧墙面的位置共设五个监测点（点A～点E，见图10），地下水浸润线至各监测点的水平距离见图11。从图中可以看出，同一设计方案的同一剖面随监测点高程的降低，浸润线距墙面测点的水平距离减小，表明地下水在墙体下部的入渗快于上部；在同一方案同一高程，墙幅处剖面（A-A剖面）浸润线距墙面测点的水平距离大于其槽段间接缝处剖面（B-B剖面），这说明接缝处是地连墙防水的薄弱点；不同方案的相同剖面相比，设计方案中浸润线距墙面测点的水平距离明显大于对比方案，且对比方案的B-B剖面有地下水溢出，溢出点距离底板3.21m，这表明仅设有地连墙的对比方案不能满足防水要求；设计方案在墙幅处剖面和接缝处剖面均未有地下水溢出，满足地下室设计防水等级为一级的要求。
6 结论
本文介绍了合肥某超限高层深基坑工程逆作法工程“两墙合一”地下连续墙防水设计方案，开展不同深度三轴搅拌桩试样的渗透试验，采用数值模拟手段研究该防水设计方案的可行性，研究得出如下结论：
①不同深度的三轴搅拌桩试样的渗透试验结果表明，不同深度（不同围压下）三轴搅拌桩试样的渗透系数随着深度增加而减小；
②地下连续墙深入中风化泥质砂岩地层中，使地下水绕过地连墙向基坑底面的入渗，在地下连续墙和底板的拦截下，地下水未能由基坑底面溢出；
③该工程的防水设计方案在地连墙外侧设三轴搅拌桩，内侧设置内衬墙，在地下连续墙及内衬墙之间又设置了防水层，同时对接缝进行注浆处理。与仅设地连墙的对比方案相比，该防水设计方案下浸润线在墙幅段剖面中距离基坑内侧墙面更远，在槽段间接缝处也不会溢出。设计方案明显优于对比方案，满足防水设计要求，是合理可行的。
