富水粉細(xì)砂地層內(nèi)地鐵深基坑降水及沉降研究

覃偉　倪吉棟（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津　300133）

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富水粉細(xì)砂地層內(nèi)地鐵深基坑降水及沉降研究

覃偉倪吉棟
（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133）

摘要：采用簡(jiǎn)化計(jì)算、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，以寧和城際中和村站深基坑工程降水設(shè)計(jì)為例，根據(jù)其降水時(shí)間和坑內(nèi)水量，計(jì)算了基坑降水所需的降水井?dāng)?shù)量和坑外地面沉降值，通過三維模擬得出了坑外水位的變化和地面沉降值，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算和模擬結(jié)果。

關(guān)鍵詞：地鐵車站，深基坑，降水設(shè)計(jì)，地面沉降，數(shù)值分析

明挖地鐵車站規(guī)模大、基坑深，大多位于周圍環(huán)境限制條件多的城市市區(qū)，因此控制基坑對(duì)周圍環(huán)境的影響，是地鐵基坑工程的一個(gè)重要課題。位于長(zhǎng)三角河流沖積地層內(nèi)的地鐵車站，受地下水影響巨大，因此，在地鐵基坑中如何處理地下水，成為地鐵基坑安全最重要的一環(huán)［1-6］。

本文以寧和城際某車站基坑工程降水設(shè)計(jì)施工為例，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合的方法，對(duì)深基坑施工中的降水進(jìn)行全面分析，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，可為類似工程提供參考。

1　工程概況

中和村站位于南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)，離長(zhǎng)江約2.5 km，現(xiàn)狀為低矮民房（拆遷），車站周圍無重大建（構(gòu)）筑物。

本站所處地區(qū)屬長(zhǎng)江高漫灘平原地貌單元，地勢(shì)較平坦，地面高程在7 m～10 m之間，近地表主要由全新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂等組成。本站范圍地層分布自上向下依次為：①-2素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（流塑）粉細(xì)砂（中密、中等液化）、粉細(xì)砂（中密）、粉細(xì)砂（密實(shí)）、混合土（密實(shí)中風(fēng)化巖。地質(zhì)剖面如圖1所示。根據(jù)地下水賦存條件，本站主體基坑地下水類型主要為孔隙潛水、微承壓水及基巖裂隙水。本站基坑所處位置基巖較深，地下水以潛水為主，未見承壓水和基巖裂隙水，潛水水位位于地面以下約1.5 m。地下水主要補(bǔ)給來源為地下水徑流的側(cè)向補(bǔ)給及場(chǎng)外與其相通的上層孔隙潛水的越流補(bǔ)給，排泄方式以側(cè)向徑流為主。

圖1　地鐵深基坑地質(zhì)斷面圖

各地層滲透系數(shù)根據(jù)土質(zhì)不同而存在不同的差異，各地層滲透性系數(shù)如表1所示。

表1　地層滲透系數(shù)　m/d

2　深基坑及降水設(shè)計(jì)

2.1深基坑設(shè)計(jì)

中和村站采用明挖順作法施工，車站主體為地下2層，附屬風(fēng)道為地下1層。車站主體標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約17 m、寬約21 m；風(fēng)道基坑深約10 m，基坑寬30 m。

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，內(nèi)部支撐采用混凝土支撐和鋼管支撐。

地連墻在滿足抗滑移、抗傾覆等條件下，為增大基坑內(nèi)外地下水的繞流路徑，降低坑底突涌的風(fēng)險(xiǎn)，增大地連墻的長(zhǎng)度，設(shè)置部分素墻，地下連續(xù)墻嵌固比提高至1∶1.2。

2.2基坑降水設(shè)計(jì)

為避免產(chǎn)生流砂、管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，防止坑壁土體坍塌，基坑施工時(shí)需采取降水措施。由于基坑開挖較深、平面尺寸較大，且場(chǎng)地范圍內(nèi)含水層厚度大，考慮到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入含水層深度已大于含水層厚度1/2，可認(rèn)為其對(duì)基坑內(nèi)外承壓水滲流具有明顯的隔阻效益，因此采用坑內(nèi)減壓降水法。

根據(jù)前期抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在無隔水帷幕止水的情況下，單井及群井出水量較大，達(dá)到125 m3/h～156 m3/h。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出地層水平向滲透系數(shù)與垂直向滲透系數(shù)存在一定差異，故加深地下連續(xù)墻對(duì)增加地下水?dāng)_流路徑、減小基坑涌水量起到一定積極作用。

設(shè)計(jì)基坑平面尺寸為211.5 m×20.7 m，基坑開挖深度15.3 m，降水井管內(nèi)徑450 mm，有效過濾器長(zhǎng)度為6 m，按承壓水非完整井估算基坑涌水量。經(jīng)計(jì)算，在30 d的降水期限內(nèi)，需要降水井約17口，管井如圖2所示。

圖2　降水井設(shè)計(jì)圖

由于地層深部降水，引起地層變位，地面會(huì)出現(xiàn)沉降，地面沉降包括三部分：1）瞬時(shí)沉降；2）固結(jié)沉降；3）由于土體流變所產(chǎn)生的次固結(jié)沉降。由于次固結(jié)沉降一般在主固結(jié)完成后才明顯顯現(xiàn)，且要求荷載作用時(shí)間較長(zhǎng)，因此，主要考慮主固結(jié)沉降。

降水引起的地面附加沉降量，可采用分層總和法，按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，基坑外地面沉降值如表2所示。

表2　坑外沉降計(jì)算表

3　數(shù)值計(jì)算及分析

3.1計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)與本場(chǎng)地相適應(yīng)的水文地質(zhì)條件，可建立地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型：

其中，kxx，kyy，kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)，m/d；h為點(diǎn)（x，y，z）在t時(shí)刻的水頭值，m/d。

對(duì)整個(gè)滲流區(qū)進(jìn)行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，可得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)計(jì)算、預(yù)測(cè)抽水引起的地下水位的時(shí)空分布。

針對(duì)本站的水文地質(zhì)參數(shù)和周圍環(huán)境狀況，采用三維分析時(shí)對(duì)本站的降水模擬分析進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1）將土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料，滲透性按層分布，滲透性系數(shù)取值按地勘報(bào)告實(shí)際取值。2）根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)條件、鉆孔資料，模擬區(qū)平面范圍按下述原則確定：以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外，模型四周及下部為水力邊界，上部為自由邊界。3）三維分析模型X軸垂直于隧道軸線，Y軸沿隧道軸線方向，Z軸為重力方向。車站基坑范圍內(nèi)網(wǎng)格加密處理，如圖3所示。三維地下連續(xù)墻示意圖見圖4，三維網(wǎng)格劃分示意圖見圖5，坑內(nèi)降水井布置圖見圖6。

圖3　三維計(jì)算模型（按滲透系數(shù)分層）

圖4　三維地下連續(xù)墻示意圖

圖5　三維網(wǎng)格劃分示意圖

圖6　坑內(nèi)降水井布置圖

3.2計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)基坑降水過程進(jìn)行模擬分析，當(dāng)開啟全部17口降水井時(shí)，降水30 d后淺層土體已被完全疏干，基坑上部土方滿足安全開挖需求。

降水30 d后，深部土體的降深分別能夠達(dá)到：小里程端-16.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段-13.8 m，大里程端-17.0 m，水位降深均滿足要求。

根據(jù)降水過程的三維分析結(jié)果，得到降水水位及周圍地層沉降結(jié)果如圖7，圖8所示。

從圖7，圖8中可以看出：

1）從圖7中可以看出，基坑經(jīng)過30 d降水，坑內(nèi)土體的地下水已完全疏干，水位降深到達(dá)基坑底部，滿足基坑施工要求。2）由于地連墻沒有完全隔斷透水層，坑外地下水位受坑內(nèi)降水影響，水位下降，但影響范圍呈現(xiàn)基坑兩端小，中間大的形態(tài)。3）抽水引起基坑周圍土體固結(jié)，地面出現(xiàn)沉降，但沉降值總體較小。最大地面沉降出現(xiàn)在車站中部靠近地連墻位置，范圍約為地連墻以外10 m范圍。4）降水引起的地面沉降基本呈現(xiàn)為漏斗狀，坑外地面沉降離地鐵中部地連墻越近，沉降越大，離車站地連墻越遠(yuǎn)，沉降越小。

圖7　穩(wěn)定水位等值線圖

圖8　坑外地面沉降值線圖

4　施工過程監(jiān)測(cè)分析

4.1水位監(jiān)測(cè)

施工期間，為保證水位降深達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保障坑邊建（構(gòu)）筑物的安全，在基坑外側(cè)垂直于車站方向每隔10 m打設(shè)一圈水位觀測(cè)孔，對(duì)地下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

經(jīng)全程監(jiān)測(cè)，地下水位隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9　坑外水位圖

從圖9可以看出，水位以車站基坑向四周，呈現(xiàn)明顯的漏斗分布，與三維計(jì)算結(jié)果吻合。實(shí)測(cè)漏斗較三維理論計(jì)算小，主要是因?yàn)椋碚撚?jì)算時(shí)對(duì)土體進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，為理想的滲流體，實(shí)際土體與理論模型存在一定差異。

4.2沉降監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，基坑周圍沉降如圖10所示。

從圖10中可以看出：

實(shí)際監(jiān)測(cè)得出的地面沉降槽曲線與三維計(jì)算得出的曲線相近。圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體相接部位沉降較小，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)10 m范圍內(nèi)沉降最大，遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，沉降值越來越小。

圖10　基坑外側(cè)地表沉降圖

通過對(duì)施工監(jiān)測(cè)的水位及沉降數(shù)據(jù)的綜合分析，可得出：

1）實(shí)際水位變化及地面沉降變化趨勢(shì)與三維理論計(jì)算結(jié)果相符，但三維計(jì)算時(shí)對(duì)地層進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在較小差異。2）坑內(nèi)降水時(shí)，坑外水位相應(yīng)變化，但隨著時(shí)間推移，坑外水位趨于穩(wěn)定，水位總體呈現(xiàn)出漏斗狀，但實(shí)測(cè)漏斗較理論計(jì)算值略小。主要是因?yàn)楸菊镜叵逻B續(xù)墻沒有完全隔斷透水層，基坑內(nèi)外地下水聯(lián)系較緊密，坑內(nèi)降水引起坑外地下水位變動(dòng)。3）由于基坑內(nèi)外水力聯(lián)系緊密，坑內(nèi)降水引起地層固結(jié)，基坑外土層出現(xiàn)不同程度沉降，離基坑越近，地面沉降越小。最大坑外沉降出現(xiàn)在離圍護(hù)結(jié)構(gòu)約10 m范圍內(nèi)，10 m以外的區(qū)域，沉降逐漸減小。

5　結(jié)語(yǔ)

中和村站采用明挖順作法施工，深基坑工程受地下水影響較大，采取坑內(nèi)管井降水和坑外回灌相結(jié)合的方法處理地下水，通過對(duì)地下水抽水時(shí)間和降水井?dāng)?shù)量的控制，達(dá)到降低坑內(nèi)水位、控制地面沉降的目的。施工過程中未對(duì)回灌井進(jìn)行回灌，僅充當(dāng)水位觀測(cè)井的使用。目前本站已經(jīng)施工完畢，設(shè)計(jì)措施和現(xiàn)場(chǎng)施工方法取得了較好的效果，可為類似工程提供參考。

1）在富水粉細(xì)砂地層內(nèi)的深基坑，采用管井坑內(nèi)降水，坑外設(shè)置回灌井應(yīng)急回灌的處理措施，可以滿足基坑施工需要。現(xiàn)場(chǎng)施工表明，此種措施在富水粉細(xì)砂層內(nèi)降水效果良好。2）在本站所處地層和地下水條件下，三維理論分析得出的結(jié)論與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)較好的吻合，說明三維數(shù)值分析結(jié)果能很好的反映地下水降水過程和降水對(duì)周圍地表造成的影響。3）在無法打穿透水層的情況下，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度，可以增加地下水繞流路徑，對(duì)減小降水對(duì)周圍環(huán)境的影響有利。4）本工程在計(jì)算過程中，對(duì)土層分布和滲透性做了一定的簡(jiǎn)化，使得三維理論計(jì)算出的結(jié)果，與實(shí)測(cè)值略有出入，后續(xù)研究中可繼續(xù)深化，得到與實(shí)際情況更貼切的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果。

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Study on the pit base precipitation and stratum subsidence of the deep foundation pit in the fine sand layer

Qin Wei Ni Jidong
（China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co.，Ltd，Tianjin 300133，China）

Abstract：Applying simplified computation，numerical analysis and field survey method，taking deep foundation engineering dewatering engineering of Ninghe intercity Zhonghe village station as an example，according to dewatering time and water amount，the paper calculates dewatering well numbers and ground subsidence value.Through tri-dimensional simulation，it obtains water level and ground subsidence value.And combining with field survey data，it finally testifies the computing and simulating results.

Key words：subway station，deep foundation，dewatering design，ground subsidence，numerical analysis

中圖分類號(hào)：TU463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0079-03

收稿日期：2015-12-16

作者簡(jiǎn)介：覃偉（1984-），男，碩士，工程師