西安飽和軟黃土高水位核心區(qū)基坑降水技術(shù)*

張亞龍，張玉峰，宋奇昱，張書敏

(1.中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

飽和軟黃土核心區(qū)高水位降水一直是工程亟待解決的關(guān)鍵問題之一。對(duì)該領(lǐng)域的研究已經(jīng)積累了諸多成果，但降水施工問題一直未能得到有效解決。高虎艷等[1]認(rèn)為降水施工時(shí)，飽和軟黃土失水固結(jié)產(chǎn)生較大壓縮變形，處理不當(dāng)易引起地面及鄰近建筑物較大附加沉降，且發(fā)生速率較快。劉建偉等[2]總結(jié)了飽和軟黃土基坑降水的特點(diǎn)。許健等[3]討論了黃土地區(qū)基坑降水對(duì)地表及鄰近建筑物沉降的影響。徐明[4]和李強(qiáng)[5]探討了黃土地質(zhì)條件下的地鐵深基坑降水施工技術(shù)。趙敏等[6]探究了黃土地區(qū)基坑降水工程對(duì)周邊建筑物的影響及建筑物損壞程度。劉冰冰等[7]、孟令冬等[8]研究了黃土基坑降水開挖對(duì)臨近建筑物沉降的影響。

本文以西安地鐵6號(hào)線豎井施工為背景，結(jié)合理論分析、數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)深入探討降水方案、施工關(guān)鍵參數(shù)及關(guān)鍵施工工藝。

1 工程概況

背景工程豎井位于西安市興慶宮公園內(nèi)，距興慶湖最近處28.6m，周邊地形平坦開闊。豎井結(jié)構(gòu)外包尺寸為 26.7m×8.6m，采用明挖法施工，基坑深30.45m，頂板覆土厚約11.6m。豎井圍護(hù)形式為1m厚地下連續(xù)墻+1道鋼筋混凝土支撐+5道鋼支撐。地下連續(xù)墻嵌固深度為14.5m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層自上而下為地下水位以上的人工素填土，地下水位以下的飽和軟黃土、古土壤、老黃土、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土。除人工填土外，其余各土層在該場(chǎng)地內(nèi)連續(xù)均勻分布，且成層厚度較均勻。地質(zhì)剖面及基坑支護(hù)剖面如圖1所示。

2 施工難點(diǎn)及控制措施

本工程基坑緊鄰興慶湖，地下水豐富，且分布厚度不等的飽和軟黃土，降水難度大，工程施工主要存在以下難點(diǎn)。

1)飽和軟黃土區(qū)域沉降控制 因存在厚度不均的飽和軟黃土，若處理不當(dāng)易引起地面及相鄰建筑物的較大沉降，可能造成地面沉降和圍巖不穩(wěn)定，需進(jìn)行逐級(jí)降水。施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周圍建筑物的沉降控制，確保沉降在設(shè)計(jì)規(guī)范要求范圍內(nèi)，必要時(shí)采取回灌措施。

2)基坑內(nèi)外水頭差控制 因鄰近興慶湖，地下水位高，基坑降水難度大，坑外地下水豐富，水壓、水頭高，基坑施工時(shí)，易引起基坑涌水、坍塌、基底隆起等風(fēng)險(xiǎn)。施工過程中，要加強(qiáng)基底監(jiān)測(cè)，防止豎井基坑內(nèi)外水頭差過大造成基底隆起或涌水。

3 降水設(shè)計(jì)與施工

本工程基坑降水采取止水帷幕聯(lián)合坑內(nèi)降水方案。共設(shè)置14口降水井，其中，4口疏干井，10口觀測(cè)井。在保證預(yù)留足夠施工空間的前提下，基坑采用坑內(nèi)布井方式，降水井平面布置如圖2所示。

基坑降水分為6個(gè)階段，前5個(gè)階段依次降低5m,最后一階段降低4.95m。前一階段完成降水后，要對(duì)周邊建筑物、管線及興慶湖水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待周邊建筑物及管線沉降穩(wěn)定后進(jìn)行下一階段降水。

基坑降水時(shí)，對(duì)地面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，需在建(構(gòu))筑物角點(diǎn)設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)(見圖2)。

圖2 降水井及地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

4 降水方案可行性數(shù)值分析

為分析降水方案的可行性與合理性，基于降水方案建立數(shù)值模型進(jìn)行多工況分析，用于降水效果評(píng)估。

4.1 模型建立及工況設(shè)置

根據(jù)主要監(jiān)測(cè)范圍及基坑降水影響范圍，設(shè)置模型平面尺寸為100m×100m，土體劃分為7層，根據(jù)土層厚度，設(shè)置模型深度為70m。利用有限元軟件ABAQUS建立三維模型。

根據(jù)工程實(shí)例，將模型內(nèi)的同一層土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，即各層土體均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。基坑降水模型所需材料參數(shù)主要為各層土體的材料參數(shù)、地下連續(xù)墻材料參數(shù)、降水井材料參數(shù)。土體材料參數(shù)如表1所示。降水井采用以槽代管的方法模擬，即所取材料參數(shù)參考土體的材料參數(shù)。地下連續(xù)墻采用C30混凝土。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工要求，數(shù)值模擬共設(shè)置以下幾個(gè)工作步，即初始地應(yīng)力平衡→第1階段降水→第2階段降水→第3階段降水→第4階段降水→第5階段降水→第6階段降水。

4.2 結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際施工過程，基坑降水為逐級(jí)降水，降水模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 基坑降水模擬結(jié)果

地下水位隨降水深度的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著降水深度的增大，地下水位下降深度也在增加，其中，水源位于距基坑中心42m處，此處地下水位無變化。

圖4 地下水位隨降水深度變化曲線

地表沉降隨降水深度的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著降水深度的增大，地表沉降也在增加，但越接近水源，地表沉降越小。

圖5 降水對(duì)地表沉降的影響

基坑降水所引起的地表沉降需控制在30mm以內(nèi)，由以上計(jì)算結(jié)果看出，地表沉降滿足施工要求，且附近水源的補(bǔ)給對(duì)降水效果及沉降控制的影響巨大。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

5.1 降水效果

各坑內(nèi)降水井地下水位監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。由圖6可知，降水91d之前由于施工原因水位波動(dòng)較大，但在降水控制下，91d后坑內(nèi)地下水位逐漸穩(wěn)定且基本達(dá)到-30m以下，滿足施工要求。

圖6 坑內(nèi)水位變化曲線

基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻，止水封閉效果好，延長(zhǎng)了地下水滲流路徑，在保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量的前提下，基坑外水頭降低較小，實(shí)際產(chǎn)生的沉降在可控范圍內(nèi)。

5.2 地下水位與地表沉降

提取觀測(cè)井監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中，觀測(cè)井GJ3，GJ5，GJ6，GJ8的監(jiān)測(cè)值分別為3，2.5，4，4m。

基坑降水引起地下水位下降的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示，以基坑中心為原點(diǎn)，基坑右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)，其中水源位于距基坑中心42m處。由圖7可知，當(dāng)距基坑中心距離由負(fù)值向正值增加時(shí)，降水引起的地下水位下降越來越小。其中，監(jiān)測(cè)結(jié)果的最大值為-4m，最小值為-2.5m；模擬結(jié)果最大值為-1.22m，最小值為0。由于降水時(shí)基坑出現(xiàn)涌水，因此數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較大，但兩曲線趨勢(shì)一致。

圖7 地下水位下降數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

提取基坑縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中①～⑤號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值分別為-3.9，0.4，1.1，5.4，3.6mm。

基坑降水引起地表沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示，當(dāng)距基坑中心距離由負(fù)值向正值增加時(shí)，降水引起的地表沉降越來越小。由于基坑降水時(shí)附近有水源補(bǔ)給，土體降水后回灌會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，由圖8可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果的最大值為5.4mm，最小值為-3.9mm；模擬結(jié)果最大值為-6.38mm，最小值為-12.99mm。兩種結(jié)果相差較小，曲線趨勢(shì)一致。

圖8 降水引起地表沉降數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語

通過分析西安地鐵6號(hào)線基坑降水的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果得到以下結(jié)論。

1)止水帷幕聯(lián)合坑內(nèi)降水的方法可作為飽和軟黃土基坑降水的有效方法。

2)工程中應(yīng)密切關(guān)注附近水源補(bǔ)給對(duì)降水效果及沉降控制的影響。