地鐵隧道施工豎井降水開挖引起的地表沉降分析

李 濤，劉繼強，尹文平

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044;2.中鐵南方投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518055)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，地鐵建設已成為解決大中城市交通擁堵的一種重要手段。目前在地鐵的修建中，為了加快施工進度和縮短工期，一般采用盡可能多分段施工的方法來增加開挖工作面，為此必然要增加施工豎井的數(shù)量。地鐵線路一般位于城市的繁華地段，地表建筑物密集，豎井施工容易造成周圍地層沉降，進而引起周邊建(構)筑物產生不均勻沉降，嚴重時會使建筑物發(fā)生過量變形或破壞。

以往對地鐵區(qū)間隧道施工產生的地層變形和地表沉降已做了大量的研究工作:文獻［1－8］側重于對豎井的設計和施工技術進行分析和總結;文獻［9－12］側重于對不同種類隧道豎井施工引起的地表沉降及控制進行研究，其主要工作為地表沉降監(jiān)測資料分析和施工中采取的相應控制措施。目前，對地鐵豎井開挖中降水帶來影響的研究還相對較少，而這種影響在諸如深圳等地的富水軟弱地層中不可忽視，有必要對此進行研究。

本文結合深圳地鐵5號線百鴿籠―布心暗挖區(qū)間的1號豎井施工，針對深圳富水復合地層，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法對降水和開挖過程中豎井周圍的地層變形和地表沉降進行了分析和研究。

1 工程概況

1.1 豎井設計與周邊環(huán)境

根據(jù)施工需要，在左右線正線上方各設置1個矩形豎井，其凈空尺寸為7.2 m×6.2 m，地面標高為37.30 m，左線井深為25.125 m，右線為25.662 m。豎井采用小導管及格柵鋼架聯(lián)合支護。初期支護噴射混凝土強度為C20，厚350 mm，二次襯砌混凝土強度為C30，厚600 mm，防水等級為S8。豎井四周設置直徑600旋噴咬合樁止水帷幕。

根據(jù)巖土工程勘探，豎井所在場地的地層分為4個主層8個亞層，主要包括:第四系全新統(tǒng)人工堆積層(雜填土、素填土)，坡積層(黏土)，殘積層(粉質黏土)，震旦系混合巖(全、強、中和微風化角巖)。豎井地層地下水豐富，主要為孔隙水及基巖裂隙水，水位埋深3.60～3.70 m。

豎井周圍環(huán)境復雜，東側為布吉第6回收站，南側41 m左右為家私城，西側15 m為深圳市戒毒所。

1.2 豎井施工與監(jiān)測

豎井采用倒掛井壁法施工，2個豎井開挖錯開距離不小于15 m。豎井鎖口圈施工前先施作旋噴咬合樁止水帷幕(見圖1)，然后進行降水，降水完成后施工豎井鎖口圈，安裝豎井提升井架，人工分部分層進行開挖土方并逐層對井身進行初期支護。豎井開挖到基底設計高程后立即封底，封底完成后進行豎井防水及二次襯砌施工。

圖1 1號豎井及降水井平面布置圖Fig.1 Plan layout of No.1 vertical shaft and dewatering wells

為確保施工期間周圍環(huán)境及地表建筑物的安全，對豎井周圍的地表沉降進行了監(jiān)測。1號堅井鄰近建筑物及其附近沉降監(jiān)測點的布置情況見圖2。

2 豎井施工的數(shù)值模擬

圖2 1號豎井臨近建筑物監(jiān)測點布置示意圖Fig.2 Layout of monitoring points for building close to No.1 vertical shaft

本次模擬計算采用了MIDAS/GTS有限元程序，該程序主要用于巖土和隧道工程，可分析線性和非線性靜力、施工階段、固結壓縮、穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流、應力－滲流耦合、動力以及邊坡穩(wěn)定等問題。針對1號豎井的施工過程，利用MIDAS/GTS軟件建立計算模型，采用三維流－固耦合方法計算和分析豎井降水和開挖時地表的沉降及規(guī)律。

2.1 計算模型及參數(shù)

有限元計算模型的尺寸為160 m×80 m×54 m(見圖3)，包括18 302個六面體實體單元，572個四邊形殼單元，共計19 872個節(jié)點。其中，旋噴樁采用實體單元模擬，豎井初襯采用彈性殼單元模擬，土層假設為彈塑性材料，塑性屈服選用摩爾－庫倫準則。

圖3 有限元計算模型及網格劃分Fig.3 Finite element model and grid mesh

模型的上表面為自由邊界，側面邊界水平位移受到約束，底面邊界約束所有位移自由度。模型四周施加初始水頭邊界，初始地下水位埋深按3 m考慮。總水頭計算到模型底部為51 m，對于降水井采用節(jié)點壓力水頭為0 m。

豎井初襯的彈性模量取22.5 GPa，泊松比取0.20，容重取24 kN/m3。土層厚度及其計算參數(shù)見表1(其中，角巖考慮了不同風化程度的影響，土層滲透系數(shù)結合地區(qū)經驗綜合分析確定)。

模型的初始應力場由土體的自身重力產生，垂直地壓為上覆土層的容重，水平地壓近似按垂直地壓乘以靜止土壓力系數(shù)進行計算。

表1 土層及其計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of soil layers

2.2 計算工況

由于豎井的實際施工過程是降水和開挖同時進行，在實際工程中很難區(qū)分降水和開挖引起的地表沉降的比例，目前只能通過數(shù)值分析方法解決這一問題，即將模擬計算的降水開挖沉降與只進行開挖的沉降結果進行對比就能得出降水和開挖各自引起地表沉降占總沉降的比例。

考慮到豎井所處地層富水且軟硬不均，失水后變形大，為區(qū)分降水和開挖分別引起的地層變形和地表沉降，計算時分以下3種工況進行模擬計算:工況Ⅰ——豎井內進行降水，但不開挖;工況Ⅱ——豎井同時進行降水和開挖;工況Ⅲ——單純開挖豎井，無降水。

3 數(shù)值模擬計算結果及分析

3.1 工況Ⅰ

圖4為隧道縱向降水到豎井底部時土層中的自由水面位置圖。圖5為降水至豎井底部時自由水面位置三維視圖。從2圖中可以看出:水面在離旋噴樁較遠的地方變化平緩，在旋噴樁處出現(xiàn)明顯的拐點，旋噴樁起到了一定的止水作用。根據(jù)計算可知，降水漏斗的半徑約為35 m，說明旋噴樁墻的止水作用使降水影響的范圍有所縮小。

圖6和圖7分別為降水到豎井底部時土層中總水頭和孔隙水壓力的分布圖。從圖中可以看出:降水對土層中總水頭分布的影響沒有對孔隙水壓力的影響大，孔隙水壓力的變化直接影響土層中的有效應力，而有效應力的改變會導致土層的壓縮變形。由此可見，降水會造成地表較大范圍的沉降。

3.2 工況Ⅱ

豎井降水開挖完成后地表的最大豎向位移和地層豎向變形分布見圖8和圖9。

圖10和圖11分別為計算得到的豎井外沿隧道軸線方向(圖9中AB方向)和沿隧道橫斷面方向(圖9中CD方向)的地表沉降曲線與實測資料進行的對比。從圖中可以看出:二者吻合較好，豎井開挖引起的最大地表沉降出現(xiàn)在豎井外4～5m處，最大沉降值約為20mm。

3.3 工況Ⅲ

圖12為不進行降水時豎井開挖完成后的地層和地表豎向位移分布圖。與圖9進行對比，可以發(fā)現(xiàn)降水開挖耦合引起的地表沉降要比不降水只開挖引起的地表沉降要大，并且影響的范圍也要大得多，這說明旋噴樁墻能有效加固地層，防止開挖引起的地層變形，但不能完全阻止降水引起的地表沉降。

為了更好地分析和比較豎井單純開挖引起的沉降和由于降水開挖耦合引起的沉降，將2種開挖工況下豎井外的地表沉降繪于同一圖中，圖13是沿隧道軸線方向豎井外地表的沉降曲線，圖14是沿隧道橫斷面方向豎井外地表的沉降曲線。

從圖13和圖14中可以看出:單純進行豎井開挖而不考慮降水引起的地表沉降遠小于開挖和降水耦合作用引起的沉降，前者的影響范圍大約為豎井外20 m，后者的影響范圍在豎井外達到35 m，影響范圍是前者的1.75倍。由此可見，在深圳富水復合地層進行豎井開挖施工，地層降水引起的地表沉降不容忽視。

值得注意的是，距豎井距離不同開挖和降水引起的地表沉降所占比例是不同的。圖15為豎井外側2個方向降水引起的地表沉降占總沉降比例的變化。從圖中可以看出:距豎井越近，開挖引起的沉降占總沉降的比例越大;距豎井越遠，降水引起的沉降占總沉降比例就越大。例如在豎井附近1 m處，降水引起的地表沉降占總沉降的50%左右，在豎井20m以外的地表沉降幾乎全部是由降水引起，在總沉降最大處降水沉降占到總沉降的65%左右。

圖15 豎井外降水引起的地表沉降占總沉降的比例Fig.15 Ratio of dewatering-induced settlement in total

4 結論與建議

基于本文的計算結果及其與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比和分析，得到如下結論:

1)豎井開挖前進行降水，在旋噴樁處潛水面出現(xiàn)明顯的拐點，說明旋噴樁起到了一定的止水作用，降水漏斗的半徑約為35 m。

2)豎井開挖引起的最大地表沉降出現(xiàn)在豎井外4～5 m處，豎井周圍30 m范圍內的地表發(fā)生了不同程度的沉降。

3)豎井單純進行開挖而不降水引起的地表沉降遠小于開挖和降水耦合作用引起的沉降，前者的影響范圍約為豎井外20 m，后者的影響范圍在豎井外達到35 m。

4)距豎井的距離不同，開挖和降水引起的地表沉降所占比例不同。距豎井越近，開挖引起的沉降占總沉降比例越大;距豎井越遠，降水引起的沉降占總沉降的比例越大。

5)豎井開挖及開挖期間地層失水產生的地層沉降受到很多因素的影響，包括豎井的深度及斷面的大小、土層條件、開挖與支護方法、地下水位變化、失水量和失水時間等。

在地鐵豎井實際施工中降水與開挖同時進行，一般很難區(qū)分二者對地表沉降的影響，本文嘗試采用有限元數(shù)值模擬和流固耦合方法對此進行研究，取得了一些初步的成果。今后再對這一問題做進一步研究時，建議加強現(xiàn)場監(jiān)測，配合開挖施工過程，盡可能區(qū)分二者的不同影響，為理論分析和數(shù)值模擬提供佐證。

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