深基坑降水對(duì)區(qū)域環(huán)境影響的研究

成輝

近年來，快速發(fā)展的城市建設(shè)導(dǎo)致土地及地下空間資源越發(fā)稀缺，地鐵車站深基坑的情況越來越普遍。在長三角地區(qū)，主要的地質(zhì)類型是潛水含水層和承壓含水層。在施工過程中，如果無法對(duì)地下水進(jìn)行合理控制，極易造成大范圍的地面沉降。地鐵工程大多是在城市中心，周圍的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，工程周圍建筑密集。采用有效的方法控制地下水沉降對(duì)整個(gè)工程的施工具有重要的研究意義。當(dāng)前，在基坑降水的處理和計(jì)算中，主要采用有限元分析方法。基于這些理論，本文的研究結(jié)合常州地鐵1 號(hào)線施工線路翠竹站基坑降水工程，通過采用工程軟件ABAQUS完成對(duì)整個(gè)工程的分析，探討了止水帷幕插入承壓層不同的深度對(duì)整個(gè)工程周圍所產(chǎn)生的影響，然后結(jié)合分析結(jié)果探討其規(guī)律[1-3]。

1.工程概況

翠竹站相關(guān)預(yù)留工程位于飛龍東路與永寧路十字路口，沿飛龍東路南北向布置。本文所研究的工程是地下三層結(jié)構(gòu)，在施工中設(shè)置了一組風(fēng)亭及一個(gè)出入口。具體的工程結(jié)構(gòu)見圖1。該工程主體結(jié)構(gòu)長54.6m，施工的標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度23m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度約24.103m，北端頭井開挖深度約26.023m。施工中采用明挖作業(yè)法，工程的主體采用雙柱三跨結(jié)構(gòu)。本工程主體結(jié)構(gòu)體系采用“復(fù)合墻”結(jié)構(gòu)體系，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)襯墻厚下一、下二層側(cè)墻為700mm、下三層側(cè)墻為900mm，端頭井內(nèi)襯墻厚下一、下二層側(cè)墻為800mm、下三層側(cè)墻為1000mm，地下連續(xù)墻厚度為1000mm。共設(shè)置六道支撐，其中第一、四道為混凝土支撐（第四道鋼支撐上部設(shè)置臨時(shí)撐），其余為伺服式自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐。

圖1 工程總平面圖

該工程基坑坑底位于砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層，開挖深度內(nèi)以粘土層為主，自上而下依次為：（1）粉質(zhì)粘土；（2）砂質(zhì)粉土；（3）淤泥質(zhì)粘土；（4）粉質(zhì)粘土；（5）粉砂夾砂質(zhì)粉土；（6）粉砂；（7）粘土；（8）粉質(zhì)粘土；（9）砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土。基底以下依次為：（1）粉砂；（2）粉質(zhì)粘土。本區(qū)域地下水類型主要為潛水和承壓水。

2.數(shù)值模擬

根據(jù)車站施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場地質(zhì)條件，建立了地鐵車站基坑降水方案的三維有限元模擬。模型尺寸為1000m×300m×64m，地下連續(xù)墻長度為200m（兩側(cè)端井段長度為14m），寬度為28m，呈“I”形，并根據(jù)插入承壓含水層的不同深度建立了幾種不同的地下連續(xù)墻模型。模型的幾何尺寸和組件之間的位置關(guān)系如圖2 所示。排水井在土層深處20m，以保證地下水位低于基坑底板。

圖2 有限元模型

模型的上邊界為自由邊界，其法向位移受其周圍各邊界的約束，豎向和水平位移受下邊界的約束。土壤采用修正劍橋模型。各土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)見表1。地下連續(xù)墻厚度1m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，滲透系數(shù)1×10-9cm/s，模擬計(jì)算力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

3.基坑降水的環(huán)境影響分析

3.1 地表沉降和水壓變化

從圖3 中可以看出：（1）基坑降水引起的基坑外土體固結(jié)沉降具有明顯的規(guī)律性，降水引起的沉降落在漏斗半徑內(nèi)，基坑附近的沉降量較大，隨著基坑之間距離的擴(kuò)增其沉降速度逐漸減小。（2）基坑降水引起的鄰近土體變形范圍與水位變化深度有關(guān)，且大于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。（3）基坑降水引起的土體變形具有明顯的滯后效應(yīng)，固結(jié)需要較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。（4）基坑外水位的降低將對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，并會(huì)引起位移。

圖3 地表沉降變形

3.2 不同止水帷幕插入深度下降水對(duì)坑外地表沉降的影響

由圖4 可以知道，基坑降水會(huì)引發(fā)基坑外的地面沉降呈現(xiàn)出遠(yuǎn)小近大的趨勢。基坑距離越近，沉降值越大。隨著基坑距離的增大，地表沉降值減小[3]。當(dāng)開挖距離達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，整個(gè)地表的沉降趨于穩(wěn)定。在工程周圍的地表沉降穩(wěn)定時(shí)，采用該軟件分析基坑距離與地表沉降的具體影響關(guān)系和范圍。在止水帷幕插入的深度完全切斷承壓含水層時(shí)，基坑外部地表沉降數(shù)值的減小要顯著超過其他深度[4]。基坑工程周圍地表沉降數(shù)值會(huì)隨著止水帷幕插入深度的減小而減小，當(dāng)不采用止水帷幕的時(shí)候減小速率最小。止水帷幕插入的深度與降水影響范圍兩者之間負(fù)相關(guān)[4-8]。在止水帷幕插入的深度完全切斷承壓含水層時(shí)，周圍降水影響范圍小于150m，不采用止水帷幕的時(shí)候影響范圍超過300m，在止水帷幕插入深度小于一半的時(shí)候，基坑最大沉降量達(dá)到了24.8mm，在止水帷幕插入深度達(dá)到2/3的時(shí)候，最大沉降量達(dá)到了11.6mm。

圖4 基坑降水引起坑外地表沉降

4.減壓降水引起的地面沉降控制措施

降水工程復(fù)雜程度為復(fù)雜程度，地下水控制設(shè)計(jì)施工的安全等級(jí)為一級(jí)。

根據(jù)該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和擬建場地的水文地質(zhì)特征，基坑工程的安全性很大程度上取決于基坑降水的成功，因此，降水設(shè)計(jì)的可靠性十分重要[9]。地表沉降以及降水應(yīng)盡量不要對(duì)周圍的建筑物有太大影響。

（1）建筑物和地下管線附近減壓深井的抽水時(shí)間應(yīng)盡量縮短，并根據(jù)需要進(jìn)行降水[10]。

（2）潛水疏干井按照150m2/口布置，并盡可能增加預(yù)抽水時(shí)間。

表3 翠竹站預(yù)留工程、1 號(hào)出入口通道基坑降水復(fù)雜程度分析表

（3）結(jié)合勘察報(bào)告地質(zhì)剖面圖以及基坑開挖深度，開挖底板在粘土層，本項(xiàng)目地下連續(xù)墻深度進(jìn)入砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層，完全隔斷承壓含水層。

（4）為保證基坑安全，在坑內(nèi)布置適量的備用觀測井，平時(shí)作為水位觀測井觀測基坑中的水位，指導(dǎo)基坑降水運(yùn)行，同時(shí)還可兼作備用井抽水。

（5）應(yīng)及時(shí)向降水項(xiàng)目部報(bào)告環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)圖表和曲線，規(guī)范降水作業(yè)程序，確保基坑開挖和環(huán)境的安全。

（6）對(duì)于降水水井相關(guān)工作完后，需及時(shí)并詳細(xì)地制定好降水減壓的實(shí)施方案[10]。

5.結(jié)論

以常州軌道交通2 號(hào)線施工段翠竹站作為分析對(duì)象，采用ABAQUS 工程軟件分析了止水帷幕插入的深度不同對(duì)基坑降水以及周圍環(huán)境的影響，得出如下結(jié)論：

（1）基坑降水所產(chǎn)生的影響呈遠(yuǎn)大近小的一種漏斗狀趨勢；基坑距離與地表沉降以及水位下降呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，影響數(shù)值隨基坑距離增大而減小。

（2）在止水帷幕插入的深度完全切斷承壓含水層時(shí)，基坑外部的地表沉降數(shù)值減小要顯著超過其他的插入深度，基坑工程周圍地表沉降數(shù)值會(huì)隨著止水帷幕插入深度的減小而減小，當(dāng)不采用止水帷幕的時(shí)候減小速率最小。

（3）在止水帷幕插入深度不到1/2的時(shí)候，并不起到有效的隔水效果，此時(shí)基坑內(nèi)外的水流連接強(qiáng)度比較大，會(huì)造成較大施工風(fēng)險(xiǎn)，在止水帷幕插入率為2/3 的時(shí)候，具有非常明顯的隔水效果，可以起到對(duì)承壓層的完全隔水，因此施工時(shí)可以采用這種方案。

常州翠竹站基坑工程施工的安全性很大程度上取決于基坑降水的成功，必須做好安全控制措施。在后期的施工過程中，對(duì)于水帷幕的深度，需在滿足要求的情況下，對(duì)設(shè)計(jì)空間做出優(yōu)化，以降低施工成本。